藏密學於影像安全之研發現況與未來趨勢藏密學於影像安全之...

藏密學於影像安全

之

研發現況與未來趨勢

長庚大學資訊工程學系

婁德權

[email protected]

長庚大學資訊工程學系 2013/4/11 2

大綱

前言

二次大戰的密碼戰爭

資訊隱藏技術

可回復式藏密與偵知技術

未來應用及研發趨勢

結論

前言


【中央社╱台北2009/11/18電】安全軟體商賽門鐵克今天表示，新版個人資料保護法即將通

過，企業必須加速落實資料保護，建議企業除強化IT基礎建設防止駭客，也需防範資料下載和攜出，以免機密外洩。

賽門鐵克引用2009年美國資料竊盜資源中心數據指出，資料外洩途徑可分為駭客攻擊(13.9%)、資料遺失 (20.7%)、意外揭露 (14.4%)、人為疏失(35.2%)和內部竊賊 (15.7%)。

賽門鐵克資深技術顧問張士龍表示，要解決前兩項問題，可從強化IT（資訊科技）基礎建設和資訊加密著手；後三者則屬資訊外洩層面（65.3%），必須偵測機密文件位置、監視文件使用情況，進而加強安全性。

賽門鐵克今天發表開放性的防止資料外洩平台（Data Loss Prevention；DLP），整合數位版權管理和檔案加密功能，一旦有人企圖下載機密文件並試圖以隨身碟攜出，系統除了立刻偵測，也會自動使隨身碟功能失效。

張士龍說，企業資訊安全已從原先單純的保護基礎架構，提升到保護資料，他建議企業可依據內容來制定安全與儲存決策，以因應即將通過的新版個人資料保護法。


中國間諜駭103國，台灣最慘

加拿大研究人員發現一個主要設在中國的大型電腦間諜網絡，過去兩年間利用惡意軟體，至少滲入全球103個國家的1,295台電腦竊取資料。

台灣位居被入侵最頻繁的國家之冠，其中又以中華民國對外貿易發展協會的電腦被入侵79次，次數最多。

「鬼網」竊機密兩年，我外貿協會遭入侵79次，居全球之冠。

http://1-apple.com.tw/index.cfm?Fuseaction=Article&Art_ID=31506500&IssueID=20090330





恐怖份子的威脅

恐怖份子可能運用藏密技術作為聯繫方法

媒體發出的警訊 (USA Today)


恐怖份子的威脅(續)

911恐怖攻擊事件

奧薩瑪．賓拉登張貼隱藏了恐怖

攻擊目標的照片、地圖及指令在

聊天室、色情佈告欄及其他的網

站上。

蓋達組織的間諜將加密過的訊息，

隱藏在拍賣網站的影像內。



http://edition.cnn.com/2012/04/30/world/al-qaeda-documents-future/inx.html?hpt=hp_c2

恐怖份子的威脅(續))

•德國警方2011年5月偵訊22歲的奧地利籍男子羅丁（Maqsood

Lodin）時，意外在他的底褲發現隨身碟和記憶卡，結果發現蓋達組織以成人色情片「Kick Ass」，藏了上百件的恐怖攻擊計劃(Sexy Tanja)，其中包括挾持油輪以及未來作案計畫。德國記者姆沙爾巴詩指出，「他說我們會劫持海上郵輪乘客，然後施壓大家，然後會處決船上的這些乘客，藉此要求釋放特定的囚犯。」

•德國聯邦調查人員根據檔案內容判斷，這個檔案應該是在2009年完成的，而製作人員疑似就是去年在巴基斯坦遭逮捕的蓋達組織高級幹部莫瑞坦尼，警方並且發現，以人肉炸彈客攻擊仍然是蓋達組織攻擊主要的策略。姆沙爾巴詩表示，「作者似乎在想蓋達要進行雙軌策略，就是花費最少、本身傷亡最小，造成大規模

攻擊的方式，像是911攻擊。」

•蓋達組織成員擔心，如果採取大規模攻擊要是挫敗的話，到頭來什麼都沒了，德國警方還在這個色情檔案中發現，奪走173條人命的印度孟買恐怖攻擊，以及2005年造成52死100傷的倫敦地鐵爆炸案。

時間事件地點傷亡

2001 美國911事件 2974人喪生

2002 印尼峇里島夜總會爆炸案 202人喪生

2004 西班牙通勤列車爆炸案 191人喪生、1800人傷

2005 英國倫敦地鐵爆炸案 52人喪生、700人傷

2008 印度孟買爆炸案 173人喪生

2011 巴格達自殺炸彈攻擊 60人喪生、100人傷

2011 索馬利亞自殺炸彈攻擊逾100人喪生

2012 奈及利亞恐怖攻擊逾200人喪生

2012 烏克蘭市中心爆炸案 27人傷

2013/4/11 10


長庚大學資訊工程學系


二次大戰的密碼戰爭


1.日本密碼的洩漏與危機處理


大島驚險記 (1941年)

野村吉三郎大島大使

松岡洋右外相

通訊情報機構

日本會更換密碼嗎?

密碼外洩因素: 1.機器或軟體 2.人為因素

日本相信是人為因素洩漏了密碼，而不是機器出了問題

http://www.us.emb-japan.go.jp/index2.htm

http://www.wcn.com.tw/europe/germany/

http://www.us.emb-japan.go.jp/index2.htm


大島情報重要性

同盟國對抗軸心國的重要情報來源 (德國詳細的作戰計畫與國家政策)

德國預定22/6/1941攻打蘇聯

希特勒預定於美日開戰時對美宣戰

德國將使用毒氣進攻英國

20/7/1944希特勒遭暗殺未遂事件

德蘇開戰時，日本表示無意對蘇聯開戰

德國對於諾曼地登陸前後的戰略

1941~ 1945年

共解譯1,475通約十萬頁

同盟國轟炸德國本土的損害報告

日本沒有發現美方在竊取情報，也不知道自己發出的情報是導致同盟國獲勝的重要因素


2.德英密碼戰密碼機：「Enigma」

破密計畫：「Ultra」


【獵殺U-571】

(1942)

德軍高人一等的密碼通訊能力，讓德軍每每出奇制勝。

聯軍冒險潛入納粹潛艇竊出德軍密碼機Enigma，成為扭轉二次世界大戰之成敗關鍵。

2001年4月1日：美國ＥＰ—３電子偵察機駐紮在琉球嘉手納基地，在南海上空執行例行偵察任務，係屬在國際公海上空執行例行任務，並未對中共或其他國家構成任何威脅，但遭到兩架中共「殲八」型軍機攔截，與其中一架碰撞，機身受損，迫降在海南島，機上二十四位機員平安。

美方關切機上人員安全與所載的機密電子儀器，美國駐北京大使館和中共駐華府大使館交涉，希望中共依照國際慣例，維護人員安全、尊重飛機完整並給予必要的修護，儘速歸還。同時，此事件為意外或中共蓄意舉動，亦為美方亟欲了解。


【攔截密碼戰】(1943)

納粹德國的U型潛艇，毫無預警地更改了「Enigma—謎」密碼機的設定，對聯軍橫越大西洋貨運隊產生莫大的威脅。

英國發明出一種類似大型電腦的計算機器，將可能性減少到只剩百萬種後，能夠演算出解碼方程式，等於是「Enigma—謎」密碼機的鑰匙，而成功的解譯敵軍的訊息。


【獵風行動】(1944)

二次世界大戰在太平洋塞班島浴血的槍林彈雨中，美軍為了不讓日軍破解軍情，請來一群納瓦荷族印地安血統 (Navajo

Indians)出身的美國海兵，利用他們的母語納瓦荷語創造出一組日軍永遠破解不了的密碼，使美軍一步步取得優勢。

據查當時全球只有28位非該族群者懂其語言，且均不在德國或日本軸心國中。


3.太平洋上的情報戰


杜立德帶來的意外收穫

杜立德中校率B52轟炸機空襲，日本無力防範。

日本欲攻取中途島，以防止杜立德式攻擊與取得進攻夏威夷之管道。

日軍因聯繫頻繁而遭美國竊聽情報。

日方雖察覺一直使用相同密碼系統不妥，但卻因種種原因及杜立德攻擊事件而始終沒有變更密碼系統。


美軍的智慧

美軍破解密碼得知日軍攻擊計畫，但攻擊目標無法確定。

AF地名由日軍自己確認。

美軍發出「島上的海水過濾設備故障」明文，以套出攻擊目標。

日軍竊聽後，發出「AF水源不足」的電報。

美軍結論：

日本下一個攻擊目標－中途島


山本五十六的陣亡

中途島失敗後決定發動反擊攻擊行動由山本總司令負責指揮山本欲至錫特蘭基地鼓舞日軍士氣，行程已遭破解（JN25密碼）

遭美軍P-38閃電式戰鬥機攔截並被擊落

密碼成功地被解譯，譯文就是山本總司令的死刑判決書。

山本五十六


珍珠港之謎

美解碼能力强，為何日軍仍能攻擊珍珠港？

解讀人員不足，翻譯與解讀無法適時處理。

密碼解讀後無法及時解決問題，還是失敗。

即使密碼有可能破解，但解碼需耗時千百年而錯失良機，密碼還是安全有價值的。

珍珠港攻擊前

日本海軍通訊文


美國密碼局

在華盛頓裁軍會議的勝利

對日情報戰獲勝要追溯到「密碼解讀先驅」哈伯特在大戰後的裁軍會議前將日軍密碼解讀。

美要求日將主力艦比例減至美國的6成。

致日本代表團：盡量努力以獲得對美比例的7成，非不得已，6.5成也可接受，不過為避免和英美挑起戰端，最後的手段，6成也只好接受。東京

訊息真正意涵之解讀


訊息解讀

表面訊息

感官可信－眼見為憑？

擬亂訊息－有無意義？

真正意涵

辨認可疑訊息

萃取機密訊息

解密


音訊內容：“台灣之光—李安，勇奪奧斯卡最佳導演，李安不僅僅是…”

網路資訊傳遞之危機

將「導演」竄改為「女配角」

必須有效偵測出被竄改之情資

進而還原出原始情資


小心這位“趙兄”

從警校畢業的張先生結婚兩年，總感覺妻子有些異樣，懷疑妻子有外遇。

某日張先生發現妻子的手機上有一則陌生人的短信，而且每次短信的內容都是一樣的：“趙兄託您幫我辦點事！”

當天晚上十點，張先生一舉將出軌的妻子和那個正在苟合的男人擒拿。

張先生大罵：太小看我人民公安了，你以為那短信我不懂？倒過來讀就是“事點辦我幫您託兄趙！”


A與B方塊，色階異同？

A方塊與B方塊，色階完全相同！

RGB(107, 107, 107)

RGB(107, 107, 107)

眼見為憑？


眼見為憑？(續)

這幾條線的關係為何？

它們是平行線！


下圖是某畫家多年前的作品

多年來都沒有人明白他想表達什麼...

圖像中的訊息


圖像中的訊息(續)

直到有一位仁兄出現

放了一金屬管於畫上，揭開了謎底...


偽裝影像機密訊息掩護影像

此圖是否內含玄機？




岩間聖母紅外線掃瞄隱藏構圖


博物館長留下的表面訊息

達文西密碼的訊息(1/2)


博物館長留下的訊息真正意涵

達文西密碼的訊息(2/2)


“ O, Draconian Devil ”（啊！嚴峻的魔鬼） → “ Leonardo da Vinci ” （李奧納多．達文西） “ Oh, Lame Saint ”（啊！跛足的聖人） → “ The Mona Lisa ” （蒙那麗莎）

於文字或圖畫中隱藏機密訊息在歷史上或日常生活中常有類似的運用

「達文西密碼」（Chap. 8）

資訊隱藏技術


資訊隱藏的背景

西元前五世紀波斯與希臘的戰役

奴隸頭頂的刺青

寫字板下臘封之訊息

二次大戰

隱形墨水

德軍微點(microdots)技術

網路時代

媒體中隱藏之訊息


Microdots

http://www.scienceinafrica.co.za/2005/november/microdot.htm


資訊隱藏

秘密通道藏密學

語言藏密學技術藏密學

匿名通訊著作權印記

强固型印記脆弱型印記半脆弱型印記

可見型浮水印不可見型浮水印浮水印數位指紋

資訊隱藏技術區分


資訊隱藏技術要求

不可察覺性 (imperceptible)

強固性 (robustness)

清晰性 (unambiguous)

容量 (capacity)

安全性 (security)


隱藏技術分類

空間域(spatial domain)技術：

直接變動像素值(pixel)

作法直接，較不強固

轉換域(transform domain)技術：

影像先經過轉換，再變動係數值

(coefficient)

運用影像能量分佈，較強固


在灰階或全彩圖檔中，各像素亮度分量變化量由0至255（20-1至28-1），0代表全黑，255代表全白。

127 255 0

27-1 28-1 20-1

空間域技術


對圖檔影響較小的位元為最低位元( Least Significant Bit；LSB )，影響較大的位元為最高位元 ( Most Significant Bit；MSB )。

人眼難以察覺LSB的更動，所以發送方可修改LSB，進行資訊隱藏及秘密通信。

27 26 25 24 23 22 21 20

第8位元第1位元共28=256種亮度變化

LSB MSB

空間域技術(續)


20

圖檔某色分量某像素亮度分量

最高位元

最低位元，以機密取代

=

0

1

0

或

21

22

23

24

25

26

27


LSB取代藏密法


原始圖像偽裝圖像

LSB (Least Significant Bit)取代法



掩護圖像最低位元

取代藏密

低6位元

取代藏密低7位元

取代藏密

LSB取代實驗結果



轉換域技術

原始影像

函數轉換 (FFT, DWT…)

浮水印浮水印嵌入

函數反轉換 (IFFT, IDWT…)

嵌入資料後

空間域轉換(頻率)域


離散餘弦轉換(Discrete Cosine Transform；DCT)

160 1 1 0 0 0 0 0

1 0 0 -1 0 0 0 0

-1 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0

110011嵌入

161 1 1 1 0 0 0 0

1 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0

8x8區塊 DCT小波轉換 IDCT反小波轉換

轉換域技術(續)

http://www.acm.org/crossroads/xrds6-3/lenaorig.gif




離散小波轉換(Discrete Wavelet transform；DWT)

原始影像

HH1

HL1

LH1

HH2

HL2

LH2

3 階 DWT轉換偽裝影像

資料嵌入

轉換域技術(續)


http://www.acm.org/crossroads/xrds6-3/lenaperL3.gif



被發現的藏密影像首例

資訊隱藏偵測實例

數位影像確實藏有機密訊息


被發現的藏密影像首例

資訊隱藏偵測實例(續)

偽裝媒體

機密訊息

可回復式藏密與偵知技術

58

植基於特徵編碼法

之

可回復式直方圖調變藏密偵知技術

58 長庚大學資訊工程學系 2013/4/11 58


可回復式資訊隱藏（Reversible Data Hiding）

藏密時保留原始資料，當萃取秘密訊息之後仍可完整的回復原始資料。

identical

distortion

可回復式資訊隱藏技術

60

直方圖調變之可回復式藏密技術

直方圖調變之可回復式藏密技術 (HMRDH)

Z. Ni et. al.'s “Reversible data hiding”, IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology. (2006)

以直方圖位移調變技術，騰出藏密空間。

以峰點(peak point)與零點(zero point)來記錄位移資料。

單一峰點之藏密容量約5-80 Kb，藏密影像PSNR值約維持在48 dB以上。

60 長庚大學資訊工程學系 2013/4/11 60

2013/4/11 61

直方圖調變之可回復式藏密技術(續)

3 4 5 6

10 3 3 6

5 4 4 3

3 3 3 2

3 5 6 7

10 3 3 7

6 5 5 3

3 3 3 2

Message embedding

1011000

4 5 6 7

10 3 4 7

6 5 5 4

3 3 3 2

Peak point : 3 Zero point : 7

0

1

2

3

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6

7

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

0

1

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1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

0

1

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4

5

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7

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

訊息嵌入

Shifting

61 長庚大學資訊工程學系 2013/4/11 61


3 4 5 6

10 3 3 6

5 4 4 3

3 3 3 2

3 5 6 7

10 3 3 7

6 5 5 3

3 3 3 2

Message extraction 1011000

4 5 6 7

10 3 4 7

6 5 5 4

3 3 3 2

Reversible Key Peak point : 3 Zero point : 7

萃取復原

Restoration

62 長庚大學資訊工程學系 2013/4/11 62

63


63 長庚大學資訊工程學系 2013/4/11 63


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直方圖調變可回復式藏密法

—藏密特徵分析

0

2

4

6

8

10

12

1 2 3 4 5 6

(a)掩護影像 (b)藏密影像凹谷特徵示意圖

0

10

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15

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(a)掩護影像 (b)藏密影像雙子星大廈特徵示意圖


直方圖調變可回復式藏密法

—藏密特徵分析(續)

(a)掩護影像 (b)藏密影像伴隨雙子星大廈特徵示意圖

(a)掩護影像 (b)藏密影像梳狀特徵示意圖

0

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66

植基於特徵編碼法之藏密偵知技術(續)

Steganalytic image feature 0

0

2

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6

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10

12

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0

1

2

3

4

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6

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8

9

10

1 2 3 4 5 6 7

Cover image Stego-image

Feature code

0 0 0 1 1

Feature code

0 0 1 -1 0 1

66 長庚大學資訊工程學系 2013/4/11 66

67


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35

1 2 3 4 5 6 7


Feature code

0 0 0 0 0

Feature code

0 0 0 1 0 0

67 長庚大學資訊工程學系 2013/4/11 67


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0

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1 2 3 4 5 6 7


Feature code

0 0 0 0 0

Feature code

0 0 0 2 0 0

68 長庚大學資訊工程學系 2013/4/11 68


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Steganalytic image feature 3(1)

0

10

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1 2 3 4 5 6 7 8 9

0

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Feature code

0 1 0 1 0 1 0 1

Feature code

0 1 0 1 0 -1 1 0 1

69 長庚大學資訊工程學系 2013/4/11 69


70

Steganalytic image feature 3(2)

0

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50

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Cover image

Feature code

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0

5

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Stego-image

Feature code

0 1 0 1 1 -1 0 0 1

70 長庚大學資訊工程學系 2013/4/11 70


71

植基於特徵編碼法之藏密偵知技術

Histogram HI(x)

generation

Suspicious

image I

Codebook 1

Codebook 0

Image feature coding

Code

[1 -1 0]

find?

YesDetected

No

Code

[1]

find?

YesDetected

Codebook 2

No

Code

[2]

find?

YesDetected

Codebook 3

No

Code [1 X -1 X 0]

[-1 X 0 1 0]

[1 0 1 X -1]

find?Yes Detected

Where X means don’t care

UndetectedNo

Detection

71 長庚大學資訊工程學系 2013/4/11 71

72

實驗背景

藏密影像使用1~3峰點零點與1~3層藏密技術

測試影像：

1,338張未藏密影像

8,028張藏密影像

Tools: Matlab 7.6

72 長庚大學資訊工程學系 2013/4/11 72

73

偵測實驗結果 Tested images TN FP Accuracy Cover image 1224 114 91.48%

Tested images TP FN Accuracy 1-pair (1-level) stego

image 1139 199 85.13%

2-pairs stego image 1192 146 89.09% 3-pairs stego image 1197 141 89.46% 2-level stego image 1223 115 91.41% 3-level stego image 1121 217 83.78 Average detection accuracy of

Multi-pairs 88.33%

Average detection accuracy of

Multilevel 87.25%

Overall accuracy 87.79%

73 長庚大學資訊工程學系 2013/4/11 73

74

小結

針對Ni等學者之直方圖調變可回復式藏密技術，從影像直方圖分析，提出4項藏密影像特徵模式，採用特徵編碼方式，實現藏密偵測系統。

由實驗結果得知，針對1,338張未藏密影像偵測準確度為91.48%，藏密影像的平均偵測準確度為87.79%，確能有效偵測Ni等學者的可回復藏密技術。

74 長庚大學資訊工程學系 2013/4/11 74


文件資訊隱藏技術

影像資訊隱藏技術

音訊資訊隱藏技術

視訊資訊隱藏技術

資訊隱藏分享軟體

資訊隱藏偵測分析技術



數位鑑識（digital forensics）

應用於資訊安全管理與犯罪鑑識

數位多媒體安全

內容真實性認證

內容來源認證

合成影音識別

竄改區域識別

未來應用及研發趨勢(續)


可回復式資訊隱藏（Reversible Data Hiding）

應用範疇：高解析度影像品質需求應用。

醫學影像

軍事影像

衛星影像

犯罪鑑識影像

藝術影像



Overview of steganalysis

Steganalysis

Image Processing

Signal Processing

Machine Learning

Pattern

Recognition

Probability &

Statistics

Computational

Intelligence

Cryptography

2013/4/11 81 長庚大學資訊工程學系


藏密分析技術分類（1/2）

被動式（passive steganalysis）

只判別是/否存在隱藏資訊的事實。

主動式（active steganalysis）

進一步對於藏密量（capacity）、藏密位置（ location ）、密鑰（secret key）等某些重要參數具備偵知的能力。



Level 5 - Message

extraction

Level 4 - Secret Key estimation

Level 3 - Location estimation

Level 2 - Capacity estimation

Level 1 - Detect the existence of hidden message



藏密分析技術分類（2/2）

針對型（target steganalysis）

針對特定已知的藏密方法進行分析。

準確率高，但應用範疇有限。

通用型（universal steganalysis）

不限特定的藏密方法，均可加以分析。

準確率較低，但符合實務需求。



藏密偵知技術類別


結論

別太相信多媒體表面之訊息意涵

多媒體於資訊隱藏技術之適用性

防範隱私保護技術或工具被濫用

資訊隱藏偵測技術發展之必要性

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