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数字内容安全原理与应用复习资料
第一大题：名词解释（1-9为重点）
1.隐秘信道：指允许进程以危害系统安全策略的方式传输信息的通信信道。利用计算机系统中的未使用和保留的空间，利用计算机系统中的隐通道，利用密码协议中的阈下信道。
2.隐写术：把秘密消息隐藏于其他信息当中，其中消息的存在形式较为隐秘。隐写术的目的是在不引起任何怀疑的情况下秘密传送消息，因此它的主要要求是不被检测到和大容量等。
3.数字水印：数字水印是指嵌在数字产品中的数字信号，可以是图像，文字，符号，数字等一切可以作为标识和标记的信息；其目的是进行版权保护、所有权证明、指纹（追踪发布多份拷贝）和完整性保护等。
4.数字指纹：每个水印都是一系列编码中唯一的一个编码，即水印中的信息可以唯一地确定每一个数字产品的拷贝，因此，称它们为指纹或标签。
5.脆弱水印：脆弱水印是一种在数字图像作品发生任何形式的改变时都无法检测出来的水印。
6.可见水印：电视屏幕左上角的电视台的台标是肉眼可以看见的水印，即可见水印。
7.嵌入域：指数字水印嵌入时载体的组织形式，一般有空间域和变换域。
8.盲隐藏：若在提取隐藏信息时不需要利用原始载体，则称为盲隐藏。
9.索引图像：是一种把像素值直接作为RGB 调色板下标的图像。索引图像可把像素值“直接
映射”为调色板数值。
10.数字内容：以数字形式存在的文本、图像声音等信息，它可以存储在如光盘、硬盘等数字载体上，并通过网络等手段传播。
11.对称密钥加密：又叫专用密钥加密，即发送和接收数据的双方必须使用相同的密钥对明文进行加密和解密运算。
12. 公钥加密：又叫非对称密钥加密，用两个密钥：一个公共密钥和一个专用密钥。用户要保障专用密钥的安全；公共密钥则可以发布出去。用公钥加密的信息只能用专用密钥解密。
13. 空域信息隐藏技术：指在图像、视频、音频等载体的空间域上进行信息隐藏。通过直接改变宿主媒体的某些像素值（采样值）来嵌入数据。
14. 变换域信息隐藏技术：信息隐藏过程是在变换域中进行的。借助信号进行正交变换后能量分布的特点，在变换域中进行信息隐藏，可以较好的解决不可感知性和稳健型的矛盾。
15. 可逆数字水印：数字水印提取后，原宿主信息能无损恢复的数字水印方案被称为可逆数字水印。
16. LSB：即最不重要比特位。基于LSB的数字水印算法就是将水印信息嵌入到图像每个像素的最后一位，对图像效果影响很小。
17. 鲁棒性：指数字图像经过一些处理、数字图像数据发生一定程度的变化后，版权所有者仍然可以证明水印的存在。

第二大题 简答题（1-3题为重点）
1. 数字图像有哪几种置乱算法，每一种算法有哪些特点？
答：①Arnold变换：可以看作是裁剪和拼接的过程。通过这一过程将离散化的数字图像矩阵中的点重新排列。由于离散数字图像是有限点集，这种反复变换的结果，在开始阶段s中像素点的位置变化会出现相当程度的混乱，但由于动力系统固有的特性，在迭代进行到一定步数时会恢复到原来的位置，所以保密性不高。
②基于色彩空间的置乱加密技术是通过置乱原始图像象素的灰度值或色彩值，起到扰乱原图信息的目的。比如基于灰度变换的置乱加密方法，其思想来源于数字图像处理中的灰度直方图变换。
③采用密码学加密算法对图像灰度进行变换，研究空间更广泛，算法运行时间较短。人们意识到置乱加密技术不仅可以考虑将图像的像素位置置乱，像素灰度值也可以进行置乱处理，因此提出了准逆序置乱和准抖动置乱，这是针对数字图像灰度空间中两种变换的置乱加密。在图像信息隐蔽存储及传输中具有重大的应用价值。
2. 谈谈MD5和SHA-1的差异。（如果考试要我们描述MD5和SHA-1算法，自由发挥想象力吧）
答：MD5对输入以512位分组，其输出是4个32位字的级联，SHA-1对长度小于264的输入，产生长度为160bit的散列值，因此抗穷举性比MD5更好。SHA-1 设计时基于和MD4相同原理,并且模仿了该算法，SHA-1基于MD5，MD5又基于MD4。
综上所述，SHA-1和MD5最大的区别在于其摘要比MD5摘要长32比特。对于强行攻击，SHA-1抗强行攻击的强度更大。但由于SHA-1的循环步骤比MD5多且要处理的缓存大，SHA-1的运行速度比MD5慢。
3. 数字水印方案算法，每个算法都有相应的特点（嵌入域、可逆和不可逆、可见及不可见和盲检测和非盲检测），考试时根据题目要求对号入座，建议先理解，考试时根据自己的理解写出来。
①基于LSB的数字水印方案（空间域、不可逆、不可见和盲检测）
嵌入步骤：
（1）先把水印信息转化为二进制比特流I。
（2）根据I的长度生成密钥K，并且严格保存。密钥K是对图像载体像素位置的一个映射。
（3）把I中的每一位依次根据密钥K，置换掉原始载体图像中相应位置的像素最后一位。
提取步骤：
（1） 根据严格保存的密钥K遍历嵌入了水印的图像中的相应像素，提取出最后一位。
（2） 将提取出来的每一位重新组合成水印信息。
②基于差分扩展的数字水印方案（变换域、可逆、不可见和盲检测）
嵌入步骤：
（1） 将图像M分成像素点对（x，y），将水印信息转化为二进制比特流,比特流的每一位用m表示。
（2） 根据水印信息比特流的长度随机生成信息的嵌入位置k作为密钥信息严格保存。
（3） 对图像M计算均值l和差值h：（floor表示向下取整）
（4） 将水印比特信息m以差值扩展的方法嵌入到差值h中：
（5） 将得到的代入（3）中，得到新的图像像素对，形成嵌入秘密信息后的图像C。
提取步骤：
（1） 将图像C分成像素点对（x，y），读入密钥信息K。
（2） 将图像C依旧按照嵌入步骤中的（3）式计算均值l和差值h。
（3） 根据密钥k找到相应位置，提取差值h的最后一位比特信息m，再将差值h进行变换得到。
（4） 将提取到的比特信息m进行组合可以恢复水印信息，将得到的代入嵌入步骤的（3）中计算新的图像像素对可以恢复原始图像载体M。
③基于直方图修改的数字水印算法（空间域、可逆、不可见和盲检测）
嵌入步骤：
（1）找到直方图的零点z和峰值点p，将的像素值v自加1。
（2）漂移后的直方图v=p处即为嵌入水印的位置，将水印信息转化为二进制流 并记为k，按顺序嵌入，即；
（3）得到的由像素值组成的图像就是嵌入秘密信息后的图像。同时p、z以密钥的形式保存。

提取步骤：

（1） 读取密钥，得到p、z的值。
（2） 遍历图像的每个像素，当像素v=p时，提取信息0并保持数据不变；当v=p+1时，提取信息1并将数据减1。
（3） 当vz时，数据保持不变；当p-1用直方图修改的方法， 计算高频区域数据的直方图。
c.找到直方图的零点z和峰值点p，并重新扫描高频区域的数据v，将 的系数值自加1。
d.漂移后的直方图v=p处即为嵌入水印的位置，将水印图像转化为二进制流 并记为k，按顺序嵌入，即；
e.将嵌入了水印的变换域数据矩阵进行Hear小波逆变换，并将z和p作为密 钥严格保存下来。
提取算法：a.读取密钥，得到p、z。
b.将嵌入了水印的图像进行Hear小波变换。
c.一次遍历变换域中的高频部分，当v=p时，提取信息0并保持数据不变； 当v=p+1时，提取信息1并将数据减1。
d.当vz时，数据保持不变；当p-1如下操作：
其中：
为DCT系数
为第i个秘密信息比特
为可调强度
为隐藏秘密后的DCT系数
⑶将隐藏秘密后的DCT系数矩阵进行DCT逆变换，水印已经嵌入。
水印提取：⑴将原始图像和嵌入了水印的图像进行DCT变换，分别得到DCT系数矩阵 A和B。
⑵依次遍历两个矩阵，将系数不相等的地方进行B-A操作还原出秘密信息片 段。
⑶将所有还原的秘密信息片段连接起来，即可还原出水印信息。
⑥基于二值水印图像的可见数字水印盲检测算法（空间域、不可逆、可见和盲检测）
水印嵌入：⑴加载水印图像和原始载体图像，分析二值水印图像，确定黑还是白是需要嵌 入的水印颜色。
⑵获取水印图像长宽a和b以及嵌入初始位置坐标（x，y）和强度因子c。
⑶利用置换原理将水印图像的像素乘上强度因子c置换掉载体图像中以（x，y） 为初始位置的长宽都等于水印图像的区域块，注意只对水印图像中确定的 需要嵌入的颜色进行操作，并严格保存x，y，a，b和c作为密钥信息。
水印提取：⑴读入密钥信息。
⑵利用x和y定位到载体图像具体的位置，根据长宽分别为a和b以及强度因 子c分离出水印。这种方式无法恢复原始图像。
⑦基于二值水印图像的可见数字水印非盲检测算法（空间域、不可逆、可见和非盲检测）
水印嵌入：⑴加载水印图像和原始载体图像，分析二值水印图像，确定黑还是白是需要嵌 入的水印颜色。
⑵获取水印图像长宽a和b以及嵌入初始位置坐标（x，y）和强度因子c。
⑶利用置换原理将水印图像的像素乘上强度因子c置换掉载体图像中以（x，y） 为初始位置的长宽都等于水印图像的区域块，注意只对水印图像中确定的 需要嵌入的颜色进行操作.
水印提取：⑴载入原始载体图像A和嵌入了水印的图像B。
⑵同时遍历两个图像的像素信息，如果遇到不同的像素位置，即可按顺序记录 下B图中的像素信息。
⑶最后将记录的像素信息组合在一起，即可提取出水印图像。
4.信息隐藏按照保护对象分为几类？它们各自的侧重点是什么？
答：主要分为隐写术和水印技术。
（1）隐写术的目的是在不引起任何怀疑的情况下秘密传送信息，因此他的主要要求是不被
检测到和大容量等；
（2）数字水印是指嵌在数字产品中的数字信号，可以说图像，文字，符号，数字等一切可
以作为标识和标记的信息，其目的是进行版权保护，所有权证明，指纹（追踪发布多份拷贝）
和完整性保护等，因此他的要求是鲁棒性和不可感知性等。
5.信息隐藏的应用领域：
（1）数据保密
（2）数据的不可抵赖性
（3）数字作品的版权保护
（4）防伪
（5）数据的完整性
6.数字水印及隐写术的区别：
（1）隐写术时信息隐藏的一个重要分支，专门研究如何隐藏实际存在的信息；隐藏信息可
以及被保护信息无任何关联。
（2）水印相对及隐写术更强调健壮性；水印并不总需隐藏（可见水印）；隐藏信息及被保护
信息间有密切关系。
7.数字水印的应用 ：
（1）用于版权保护的水印 （2）用于盗版跟踪的数字指纹
（3）用于图像认证的水印 （4）商务交易中的票据防伪
（5）隐蔽标识 （6）隐蔽通信及其对抗 （7）数字广播电视分级控制
第三大题：计算题
1. 写出Arnold变换的数字图像置乱及出乱算法步骤，以实例说明N=4时的演算过程。
Arnold变换算法步骤：
设像素的坐标，Arnold变换为：
记变换中的矩阵为A，反复进行这一变换，则有迭代公式：

其中，为迭代第n步时点的位置。

Arnold变换去乱过程如下图所示：

根据上图的演变过程可以得出，当N=4时，即4×4矩阵，经过3轮Arnold变换即可去乱。

2. 谈谈数字图像变换域算法有哪几种？以实例8*8矩阵数据，写出Haar小波变换演算过程。
答：①数字图像变换域算法有：
离散余弦变换、离散傅里叶变换、离散小波变换和RST变换。
②实例8×8矩阵的Hear小波变换演算过程：

Ps：每一级分解分为两个步骤：行变换和列变换。行变换就是第一行上的数据加上第二行对应的数据除以2，放到新矩阵上的第一行上，对于8×8矩阵，8行按照上述方法可以计算出新矩阵的前4行，剩下的4行用减法代替加法，即第一行上的数据减去第二行对应的数据除以2，放到新矩阵上的第四行上。列变换类似，只是把按行加减换成按列加减。你分解就是倒过来。
根据上面的例子，自己推一下，很简单的。注意，考试如果出的是4×4矩阵的话，那就是只做两级小波变换，8×8就是做三级小波变换，做几级变换就是做几次行变换和列变换，只是每做完一级变换，下级变换的区域就缩小了四分之一，具体看图示，只变红框框内的数。
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