《信息隐藏技术》实验指导书.doc

《信息隐藏技术》
实验指导书

北京电子科技学院
信息安全系

一、 概述
信息隐藏是一门新兴的学科。信息隐藏技术，即将秘密信息隐藏在不易被人怀疑的普通文件中，使秘密信息不易被别有用心者发现，当然他们就不易对消息进行窃取、修改和破坏，从而保证了消息在网络上传输的安全性。数字水印是信息隐藏技术的一个重要分支，水印的理论、嵌入提取算法、攻击等是目前学术界研究的重点问题。
《信息隐藏技术》课程实践性较强，通过实践可以使学生加深对理论知识的理解，掌握并实现常用的信息隐藏方法及攻击方法，提高分析问题、解决问题的实际能力，为进一步深入学习和研究该领域的知识打下基础。由于课时、实验室条件等限制，不可能做大量实验。结合授课内容和实际情况，针对水印的嵌入、提取和攻击，设计了12学时的实验。其它实践内容，以课后作业方式引导学生实践。
按照课程教学大纲，本课程安排4个实验，12学时。
实验一：Matlab图像工具箱的使用 3学时 验证性
实验二：经典水印算法的实现 3学时 验证性
实验三：数字图像水印方案的设计 6学时 设计性

二、 实验环境
《信息隐藏技术》实验使用信息安全实验室计算机及网络环境，可以选用实验室已安装的Visaul C++或Matlab调试环境

三、 成绩评定
本课程加大实验考查力度，第一、二个实验各10分，第三个实验20分。占期末总评成绩的40％。
实验评分参考如下标准：
1. 第一、二个实验程序源代码和运行结果占5分，实验报告占5分。第三个实验中算法设计占5分，程序源代码和运行结果占10分，实验报告占5分。
2. 严禁拷贝、抄袭，出现抄袭，本次实验成绩记为0。
3. 没有按时完成实验，以后补交实验程序和实验报告的，可以酌情扣除1～3分。成绩评定分为4个级别：
A：实验准备充分，上机准时，操作熟练，算法设计合理，能独立编码和调试，按时完成，报告内容齐全，结果和分析正确。
B：实验准备良好，上机准时，算法设计比较合理，操作比较熟练，能在教师指导下顺利地编码和调试，按时完成，报告内容比较齐全，结果和分析正确。
C：实验准备较好，上机准时，操作比较熟练，基本完成实验任务，报告内容基本齐备，结果和分析基本正确。
D：实验准备不足，上机不准时，不能完成实验要求。

四、 实验内容、目的、要求及学时安排

实验一 Matlab图像工具箱的使用
一、 实验目的
该实验为验证性实验。目的是通过实验使学生了解Matlab语言，熟悉并掌握Matlab中有关图像处理的常用语句，熟悉Matlab使用技巧，能够用Matlab语言熟练地对数字图像进行各种处理。
二、 实验内容与步骤
1、用Matlab编写程序，读出标准图像lena.bmp，并在窗口显示。
2、读出该图像中第125行中第125～174列的元素值，将其存储在文件中。
3、绘制lena图像的直方图。
4、读取lena图像的数据，所有像素的最低位清0，在窗口显示修改后的图像。
三、 实验要求
1、实验前要做好充分准备，包括：复习实验所涉及的知识点，掌握Matlab编程语言和调试环境。
2、实验时注意记录实验过程中产生的数据、出现的问题及解决问题的方法。
3、理论联系实际，认真分析实验结果，回答思考题。
4、实验后写出实验报告，包含实验目的、实验仪器、实验内容与步骤、实验结果及分析、实验体会，并附打印的程序清单（核心代码）。
四、 实验所涉及知识点
Matlab编程、Matlab图像处理工具箱
五、 实验仪器
计算机（安装Visual C++ 6.0和Matlab 6.5以上版本）
六、 实验验证原理
常用的Matlab图像处理命令
① imread
功能：从图形文件中读取图像
语法：A=imread(filename,fmt)
② imwrite
功能：把图像写入图形文件中
语法：imwrite(A,filename,fmt)
③ imshow
功能：显示图像
语法：imshow(A)
④ im2uint8
功能：转换图像矩阵为8位无符号整型
语法：B=im2uint8(A)
⑤ im2double
功能：转换图像矩阵为取值范围在[0 1]的双精度型
语法：B=im2double(A)
⑥ plot(x,y)
功能：绘制二维图形的函数, 若X，Y是向量，必须具有相同的维数，且必须同是行向量或同是列向量，则以第一个变量为横坐标，以第二个变量为纵坐标。
语法：plot(x,y)
七、 思考题
Matlab和C语言编程有哪些区别？
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实验二 经典水印算法的实现
一、实验目的
该实验为验证性实验。目的是通过实验使学生理解数字水印的基本原理，理解数字水印系统的构成，掌握经典水印算法，提高运用知识的能力和动手能力学会在数字图像中嵌入和提取自定义的水印信息，并对水印的不可见性、鲁棒性进行分析。
四、 实验内容与步骤
该实验内容是通过Matlab编程实现经典水印算法，并对算法性能进行简单的分析。具体步骤如下：
1、使用Matlab语言编程实现LSB或NEC算法。其中水印嵌入函数命名为Embed.m，水印提取函数命名为Detect.m。
2、任意选择原始图像、水印信息，给定水印嵌入强度，调用水印嵌入函数Embed.m得到嵌入水印图像。
3、根据嵌入水印图像，调用水印提取函数Detect.m，得到提取水印。
4、计算原始水印和提取水印之间的相似度，判断水印是否正确提取。
5、观察原始图像和嵌入水印图像，根据ITU-R Rec.500协议的图像质量等级级别，主观评价水印的不可见性。
6、调用峰值信噪比函数PSNR，通过计算原始图像和嵌入水印图像之间的PSNR值，客观评价水印的不可见性。
7、对于同一幅原始图像，固定水印嵌入强度，改变水印容量，重复步骤2～6，分析水印容量和水印不可性的关系（LSB、NEC）。
8、对于同一幅原始图像，固定水印容量，改变水印嵌入强度，重复步骤2～6，分析水印嵌入强度和水印不可性的关系（NEC）。
9、水印容量和水印嵌入强度固定，选择不同类型或不同大小的原始图像，重复步骤2～6，分析载体图像的类型及大小和水印不可见性的关系（LSB、NEC）。
10、采用各种攻击方法对嵌入水印图像进行攻击，分析该算法的鲁棒性（LSB、NEC）。
五、 实验要求
1、实验前要做好充分准备，包括：复习实验所涉及的知识点，掌握COX算法的流程，掌握Matlab编程语言和调试环境。
2、实验时注意记录实验过程中产生的数据、出现的问题及解决问题的方法。
3、理论联系实际，认真分析实验结果，回答思考题。
4、实验后写出实验报告，包含实验目的、实验仪器、实验内容与步骤、实验结果分析、实验体会，并附打印的程序清单。
六、 实验所涉及知识点
Matlab编程、数字水印原理、经典的数字水印算法、水印不可见性的评价方法
七、 实验仪器
计算机（安装Visual C++ 6.0和Matlab 6.5以上版本）
八、 实验验证原理
详见课件
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九、 思考题
载体图像的类型及大小和水印的不可见性有关系吗？水印容量、嵌入强度和水印的不可见性有关系吗？ 算法的鲁棒性如何？
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实验三 数字图像水印方案的设计
一、实验目的
该实验为设计性实验。目的是通过实验使学生理解数字水印的原理和框架，掌握数字水印的攻击方法和水印性能的评价方法，学会综合运用所学知识，改进经典的水印算法，设计一个数字图像水印方案，提高分析问题、解决问题的能力。
二、 实验内容
综合运用所学知识，设计一个数字图像水印方案，且编程实现，并对其性能进行分析。
三、 实验要求
1、实验前要做好充分准备，阅读相关文献，综合运用所学的数字水印知识，从提高水印的不可见性、鲁棒性、容量等方面改进经典的水印算法，设计一个数字图像水印的嵌入提取算法。
2、用Visual C++或Matlab编程实现。
3、对水印算法的性能进行分析，改进设计方案，回答思考题。
4、注意记录实验过程中的数据、出现的问题及解决问题的方法。
5、实验结束后写出实验报告，包含实验目的、实验仪器、所设计水印方案的原理、水印嵌入提取算法流程图，算法性能分析、下一步的改进方向、实验体会，并附打印的程序清单。
四、 实验参考仪器
计算机（安装Visual C++ 6.0和Matlab 6.5以上版本）
五、 实验提示
参考资料：
[1] 刘瑞祯,谭铁牛.数字图像水印研究综述.通信学报,2000,21(8):39~48
[2] 杨义先,钮心忻.多媒体信息伪装综论.通信学报,2002, 23(5):32~38
[3] R. G. Van Schyndel, A. Z. Tirkel. A digital watermark . IEEE International Conference on Image Processing, 1994,2:86~90
[4] I. J. Cox, J. Kilian, F. T. Lerghton. Secure spread spectrum watermarking for multimedia . IEEE Transactions on Image Processing, 1997,6(12):1673~1687
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[5] 王志雄,王慧琴,李人厚. 数字水印应用中的攻击和对策综述. 通信学报.2002,23(11):74~79
[6] 王道顺,梁敬弘,戴一奇.图像水印系统有效性的评价框架.计算机学报.2003,26(7):779~788
[7] F. A. P. Petitcolas. Watermarking schemes evaluation. IEEE Transactions on Signal Processing, 2000,17(5):58~64
[8] S. Pereira, S. Voloshynovkiy, Second Generation benchmarking and application oriented evaluation. LNCS 2137,Berlin:Spinger Verlag,2001:340～353
还可以从BB或期刊网上查阅相关资料。
六、 思考题
自己设计的水印方案更适合哪一类数字图像？其优缺点是什么？今后的改进方向是什么？

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