金門之熊-古寧頭戰役的國軍裝甲兵
No.92 發刊日:104年2月16日
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數位影像資訊隱藏技術與應用

數位影像資訊隱藏技術與應用

秘密通信在人際溝通上有極大的需求。從日常生活男女朋友交往情書,到國家軍事機密,均有賴秘密通信機制而得以保障。尤其在自由貿易商業時代,網際網路拉近彼此距離,許多交易可在網路上進行,但也提供第三人竊取、破壞、竄改資料的機會,因此資訊隱藏技術與數位浮水技術可達成秘密通信、保護私密資料,以及防止第三人窺視的有效方法。

臺北市政府財政局分析師 鄒鎮帆
(國家發展委員會檔案管理局文書檔案資訊組前助理設計師)

壹、前言

所謂數位資訊隱藏,係指將較為機敏與重要的資料藏於所利用的數位媒材之中,讓非法使用者無法透過人類感知系統來察覺機密、重要資訊的存在,避免其機密、重要資訊被攔截、破解,而達到保護的效果,是維持機密資料最基本的方法之一。需要隱藏的訊息通常用對稱式加密方法進行加密,使其包含被加密過的訊息形成所謂的「隱密文件」(stego-text),變成另ㄧ段不相關的文字(圖1)。只有接收者知道所使用的加密技術,才能夠對其進行解密,回復原始訊息。

而可進行數位隱藏的多媒體資料則有:文字(如:公文、證件、檔案)、圖像(如:文件影像、照片影像)、聲音(如:語音、音樂)、視訊(如:影片、廣告)。多媒體資料與文字資料的最大不同是多媒體資料可以允許些微的失真,因此多媒體檔案的加解密機制應與壓縮(Compression)技術配合,使其不僅可以達到機密性,更可以節省儲存空間及傳輸時間。

圖1影像加解密系統(註1)
圖1 影像加解密系統(註1)

貳、資訊隱藏技術原理

在數位影像與信號處理上的資訊隱藏技術被稱為隱像術(Steganography)。隱像術是一種「明圖編碼為明圖」的影像保密法,加密方式不對外公開,因此可隱藏任何形式的資訊。通常要藏匿大量影像時,都先壓縮影像以降低資料量後,再搭配錯誤控制碼以降低取回機密資料的錯誤率。此技術可細分為空間域(spatial domain)與頻率域(frequency domain)兩種。

圖2資訊隱藏技術的概念(註1)
圖2 資訊隱藏技術的概念(註1)

如圖2所示,假設張三要傳遞機密影像給李四,張三將機密影像藏在一般影像中,得到一張偽裝影像,第三人從網路上攔截到此張影像,只看到一張一般影像,並不會覺得有異,而只有李四收到該偽裝影像後,才有能力從該圖中取出機密影像。設計一張安全且可信賴的偽裝影像,須儘可能達到以下六點要求 (註2):

一、不可察覺性
二、強韌性(robustness)
三、容量(capacity)
四、不可偵測性(undetectable)
五、安全性(security)
六、有效及簡易性(efficiency and simple)

然而,上述六點要求,在實際應用時彼此可能會產生衝突。例如:提高資訊隱藏容量,即會降低資訊的隱蔽性及強韌性。一般而言,機密資訊的隱藏容量對於強韌性與不可察覺性是處於互補的情況,只有在這兩個因素之間取得平衡,才有最佳之隱藏效果。因此在資訊隱藏的應用上,必須考量隱藏的容量與其他因素作比較與取捨。目前中央研究院已開發相關的資訊隱藏技術並完成技術移轉,應用於數位典藏與數位學習國家型科技計畫的多媒體檔案管理系統中。

參、數位浮水印技術

浮水印技術之應用,在我國鈔票上已然可見,例如千元大鈔上的牡丹花、百元鈔上的梅花等(圖3)。在數位多媒體中,可採用數位浮水印技術作為版權認證的依據。根據不同的需求,數位浮水印有以下不同的應用方式(註4):

圖3、防偽可視浮水印[3]
圖3 防偽可視浮水印[3]
一、 版權保護( Copyright Protection )
二、驗證( Authentication )
三、具鑑別性的特徵( Fingerprinting )

至於多媒體資訊隱藏技術的應用案例,當推國立故宮博物院(以下簡稱故宮)的數位浮水印(digital watermarking)(圖4)(註5),它是一種把隱藏資訊加入數位圖片中的封裝技術。數位浮水印為保護合法多媒體,其方法為將一財產權訊號(copyright signal)加入具合法版權的多媒體中,使用者無法用肉眼辨識其浮水印的存在,只有在具公信力的第三方或合法版權所有人,才能使用一特殊解碼演算法萃取數位浮水印的資訊後再進行驗證。近日故宮提高出版品防偽技術,採取兩次加密數位浮水印方式,比傳統上僅用一次加密方法更有保障。當攻擊者無論從哪方面或何種方式破壞影像檔案,均無法同時破壞兩個加密層(換言之,總有其中一層會保留下來)。如此一來,除非攻擊者澈底破壞整個圖檔,否則無法清除已加入的浮水印。浮水印清除後該圖檔已無任何使用價值。

故宮所使用之數位浮水印技術的優點在於能維持數位資料原有品質,且不易察覺其存在,具有較佳的保護效果。數位浮水印不僅能用在RGB格式的數位圖檔上,也可用在CYMK四色掃描印刷圖檔。

故宮在文物數位典藏的建置過程中,不斷加強數位浮水印的功能,提供可見或隱藏的浮水印,並在網路上授權下載圖檔,完善保護原有作者的智慧財產權,達到防護數位資訊。

圖4、故宮博物院加入數位浮水印範例
圖4 故宮博物院加入數位浮水印範例
圖片來源:http://www.npm.gov.tw/dl/plan06/img/pic-1.gif(註6)

此外,搭配資訊隱藏技術的數位資料可用於偵查資訊犯罪。數位浮水印嵌入重要訊息至影像中,作為竄改偵測之用,所萃取出的浮水印資訊可證實影像是否遭受竄改,使執法機關利於進行數位追蹤取得證據,確保證物來源未受竄改,有效達成數位鑑識的目的。

肆、結論

資訊隱藏技術相較於傳統加解密技術,能更進一步保護機密資訊,近年來因此產出許多論文及專利。其中,數位浮水印技術除了可作為數位鑑識、智財保護外,未來亦可應用於線上即時播放之多媒體影音版權保護。透過數位版權管理機制 (DRM,Digital Rights Management),加入拷貝防阻 (copy protection)、防偽認證 (data authentication)、授權查驗 (authorization checking) 等措施,形成健全的安全機制加以預防與偵測智財產品(註7)。

在國家檔案典藏品中,不乏一些具加值應用之檔案,如:國旗設計稿、中華民國歷年發行國幣、臺灣鐵公路路線圖等,紀錄我國政經發展及歷史沿革,具有收藏保存價值。為保障合法購買者權益,杜絕不肖人士盜版及盜賣贗品,在相關出版品中可考慮加入數位浮水印等防偽措施,提供購買者辨別真偽。

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參考資料:

註1

黃明祥、林詠章,《資訊與網路安全概論》第四版(臺北,高立圖書,民100年9月),頁202-307。

註2

左豪官等,〈資訊隱藏技術之研究〉,《黃埔學報》52期(民96),頁9-16。

註3

中華科技大學資工系鄧姚文教授,《資訊安全》課程投影片,(民97年2月16日)。
http://courses.ywdeng.idv.tw/cust/2013/security/ns/ch-15x.ppt

註4

蕭人豪、林欣慧、林金龍、林麗虹,〈數位浮水印技術發展現況:以數位典藏計畫為例〉,中央研究院資訊科學研究所,
http://daal.iis.sinica.edu.tw/document/DRM.pdf

註5

國立故宮博物院,〈數位浮水印〉,《數位典藏國家型科技計畫》,
http://www.npm.gov.tw/uploads/2009021804164091868/335000000E-I 4Z-031.pdf

註6

國立中央警察大學資訊密碼暨建構實驗室,〈數位影像資訊隱藏技術利弊互見〉,《網管人雜誌》,(民100年11月)
http://www.netadmin.com.tw/article_content.aspx?sn=1110270002(2 Nov. 2011)

註7

臺東師範學院資訊教育系,《數位智慧財產權保護之資訊技術》課程,
http://www1.nttu.edu.tw/green/www/g02/g02-2/pp/dis/01.pdf)(民92年2月)

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