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预士论文 基于空域的信息隐藏及检测方法研究 摘要 信息隐藏是近年来信息安全领域一个新兴的研究方向，它利用人类感觉器官对 数字信号的感觉冗余，将一个消息隐藏在另一个消息中，而由于在隐藏后外部表现 的只是载体消息的外部特征，故并不改变其基本特征和使用价值信息隐藏检测就 是分析载体图像以证明是否存在秘密信息的技术 本文首先介绍了基于空域信息隐藏的基本原理，从色彩空间和信息论两个角度 研究了图像隐藏的理论模型。为了能最大限度的利用l s b 隐藏信息，而不影响鲁棒 性，在原有l s b 算法基础上，本文提出了一种基于信源熵的信息隐藏方法。该方法 对不同比特位隐藏效果作出定量、定性分析，从视觉冗余性角度讨论了数据嵌入位 置问题，最后利用熵值评价隐藏效果。实验表明，该方法能够平衡嵌入数据量和鲁 棒性两个因素，从而找到信息的最佳嵌入位置。 本文对不同类型的信息隐藏检测技术进行了深入的理论分析和实验验证，通过 对比分析了各种算法的优缺点。视觉检测并不能对所有载体图像做出判决，因此本 文提出了基于拉普拉斯滤波的检测方法算法基于当图像隐藏有信息时，拉普拉斯 滤波值会有明显改变的事实，利用统计规则得到的滤波差值作为阈值检测隐秘图 像。实验表明，当嵌入信息大小达一定比例时，检测正确率较高。 关键词：信息隐藏，信息隐藏检测，最低有效位，原始快速对，信源熵 硕士论文 基于空域的信息隐藏及检测方法研究 a b s t r a c t i n f o r m a t i o nh i d m gi san e wb r a n c ho fs e c r e tc o m m u n i c a t i o n i n f o r m a t i o nh i d i n gi s u s e dt oc o n v e yi n f o r m a t i o nb ym a k i n gi m p e r c e p t i b l ec h a n g e st oah o s to b j e c t b y e m b e d d i n gas e c r e tm e s s a g ei n t oar 强r r i e ri l i l a g c ，as t e g o - i m a g ei so b t a i n e 正s t e g a n a l y s i s s i m p l ya i m st oi d e n t i f yt h ep r e s e i l c eo ra b s e n c eo f t h es e c r e tm e s s a g e o nt h eo n eh a n d , i n f o r m a t i o nh i d i n gb a s e do ns p a t i a ld o m a i ni si n u o d u c e da n di t s t h e o r e t i c a lm o d e li sd i s c u s s e df r o mt h ec o l o rs p a c ea n dt h ei n f o r m a t i o nt h e o r yt w o a n g l e s b e c a u s eo n l yr e s e a r c ho nt h el s be m b e d d i n gi sn o te n o u g ht om e e tt h eh i d i n g c a p a c i t y , a na p p r o a c hb a s e de n t r o p yi sp r o p o s e di nt h i sp a p e r w em a k et h eq u o t a , t h e q u a l i t a t i v ea n a l y s i st ot h ed i f f e r e n tb i tp o s i t i o na n da p p r a i s et h er e s u l tu s i n gt h er e l a t i o n o f e n l r o p yv a l u ea n dh v s e x p e r i m e n ts h o w st h a lt h em e t h o db a s e do i le n t r o p yc a nh i d e d a t a 勰m u c h 嬲p o s s i b l ea n dr o b u s t n e s sr e m a i n s 嬲u n c h a n g e d 邪p o s s i b l e o nt h eo t h e rh a n d , s e v e r a ls t e g a n a l y s i sa l g o r i t h m sa 坞d i s c u s s e da n dt h e i r p e r f o r m a n c ei sc o m p a r e di ne x p e r i m e n t s f o rv i s u a la t t a c kg a l ln o tm a k ed e c i s i o nt oa n h o s ti m a g e s s oan e ws t e g a n a l y s i sa l g o r i t h mb a s e do i lt h eo b s e r v a t i o no ft h el a p l u c i a n f i l t e r i n gd i f f e r e n c eb e t 3 v 嘲h o s ti m a g ea n ds t e g o - i m a g ei s 弘e 鼹缸c e d t h ed e t e c t i o no f s u c hs c h e m ei sb a s e d t h r e s h o l da c t 或t c t c db ys t a t i s t i cr u l e s e x p e r i m e n ts h o w st h a tt h e m e t h o dc 缸r e s u l ti nr e l i a b l ed e t e c t i o no fl s b s t e g a n o g r a p h yw h e ne m b e d d i n gr a t ei s l a r g ee n o u g a k e yw o r d s ：i n f o r m a t i o nh i d i n g ，i n f o r m a t i o nh i d i n gd e t e c t i o n , l e a s t s i g n i f i c a n tb i t ，r a wq u i c kp a i r s ，e n t r o p y 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学稼论文中，除了加强标注和致谢的部分辨，不包含其他入已经发表或 公布过的磷究成果，瞧不包禽我力获褥任穆教育砉琏鞠靛学位或学掰薅使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确豹说鞠。 研究生签名：盎：! ：黪年月日 钟 l 学链论文使臻授权声鳃 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上躐公毒本学谴论文夔部分麓全部瘛容，胃叛两有关帮门戢梳穗送交_ 并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部虑容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：经翊! 邀年月日 硕士论文 基于空域的信息稳藏及检测方法研究 1 绪言 1 1 信息隐藏技术概述 1 1 1 信息隐藏的发展 信息隐藏技术( i n f o r m a t i o nl i i d i n g ) 是在当今i n t e m e t 和多媒体等技术迅猛发 展和广泛普及的基础上发展起来的一项信息安全技术f l , 2 1 。信息隐藏技术是近年来信 息安全领域一个新兴的研究方向，是研究如何隐藏消息以及隐藏方法安全性的技 术信息隐藏的思想起源于隐写术，它是一种将秘密信息隐藏在某些宿主对象中， 且信息传输或存储过程中不被发现和引起注意，接收者获得隐藏对象后按照约定规 则可读取秘密信息的技术人类对信息隐藏技术的应用可以追溯到远古时代，当时 的隐藏载体主要以实物形式出现，如书本、纸张和雕像等。由于人类早期缺乏必要 的理论基础和系统研究，对于信息的保密往往更多是单纯地借助于密码技术，所以 隐写术始终没有成为- - f - j 独立的学科，发展一直比较缓慢圆。 信息技术和计算机技术的空前发展，为古老的密写术注入了全新的活力，出现 了许多崭新的信息隐藏技术现如今，信息隐藏的载体包括文本、图像、音频、视 频等。这些技术不但隐藏了信息的内容，而且隐藏了信息的。存在”，因此得到了 广泛的应用和发展例。 信息隐藏包括信息伪装和数字水印。它利用人类感觉器官对数字信号的感觉冗 余，将一个消息隐藏在另一个消息中，而由于在隐藏后外部表现的只是遮掩消息的 外部特征，故并不改变遮掩消息的基本特征和使用价值，所以用信息隐藏的方法和 用密码加密的方法进行保密通信各有自己的优势。信息隐藏方法的最大优点是：除 通信双方以外的任何第三方都不知道待隐消息存在这个事实，这就较之单纯的密码 加密方法更多了一层保护附】 在基于图像的信息隐藏技术中，有两种隐藏技术；基于时空域和基于变换域的。 空域上的信息隐藏技术通常采用最不重要位( l s b ) 的替换法基于变换域的隐藏 技术主要是通过修改主信号某些指定的频域系数来嵌入数据。其中基于b m p 图像的 l s b 位信息嵌入法由于隐藏技术简单、快捷，隐藏信息量大，得到了广泛的应用 1 1 2 信息隐藏技术特点及应用 堡士论文基于空域的信息隐藏及检测方法研究 信息隐藏不同于传统的加密，因为其目的不在于限制正常的资料存取，而在于 保证隐藏数据不被侵犯和发现根据信息隐藏的目的和技术要求，该技术存在以下 特性【2 】： 1 ) 鲁棒性：在经历多种无意或有意的信号处理过程后，数字水印仍能保持完 整性或仍能被准确鉴剔。 2 ) 不可检测性：隐蔽载体与原始载体具有一致的特性。 3 ) 透明性：利用人类视觉系统或听觉系统，经过一系列隐藏处理，使目标数 据没有明显的降质现象，而隐藏的数据却无法人为看见或听见。 4 ) 安全性：隐藏算法有较强的抗攻击能力，即它必须能够承受一定程度的人 为攻击，而使隐藏信息不会被破坏 5 ) 自恢复性：由于经过一些操作或变换后，可能会使原图产生较大的破坏， 如果只从留下的片段数据，仍能恢复隐藏信号，而且恢复过程不需要宿主 信号。 目前信息隐藏技术在信息安全的各个领域中所发挥的作用系统地总结为四个方 面： 1 ) 隐蔽通信减少信号在空中或某一固定频率上的滞留时间，降低侦察截获 概率，是通信中进行信息隐藏的基本思想和重要手段。当前研究应用的扩 频通信、流星猝发通信技术等，就是一种无线低截获概率通信。 2 ) 数字媒体加载在计算机技术和网络技术快速发展的今天，利用图像、声 音、视频，文档等数字媒体已得到广泛应用，利用数字媒体作为载体，隐 藏和传输信息成为一种趋势。 3 ) 防拷贝系统数字作品的所有者可用密钥产生一个水印，并将其嵌入原始 数据，然后公开发布水印版本作品。当该作品被盗版或出现版权纠纷时， 所有者即可从盗版作品或水印版作品中获取水印信号作为依据，从而保护 所有者的权益 4 ) 信息鉴别技术现有的信号处理和拼接技术可以做到移花接木而不为人知， 而信息隐藏技术和纂改提示则是解决这一问题的理想技术途径。 当今时代，信息不仅已成为人们生活之必需，也已成为重要的战略资源。目前， 世界许多国家已把信息控制能力视为国力和军力的重要标志，竭力提升其信息的获 取与保护能力。这就为信息隐藏的快速发展奠定了基础。 2 硬士论文基于空域的信息隐藏及检铡方法研究 1 2 信息隐藏检测技术概述 1 2 1 信息隐藏检测技术分类 “知己知彼，百战不殆”，这句名言不论在过去的战争中还是在当今的商业竞争 中都是一条真理。信息隐藏作为信息安全技术的一个前沿研究领域，也是研究。知 已知彼”的一门科学嘲。信息隐藏技术包括隐蔽术和信息隐藏检测两个方面，这两 方面的研究是相互对立、相互依存、共同发展的前者致力于建立难以被发觉和攻 破的信息安全传输方式，即。知己”；后者则力图检测和攻击已进行了信息隐藏的 信息传输方式，即。知彼”阿。好的信息隐藏算法的出现，促使人们探索它的攻击 方法以验证安全性，而信息隐藏检测技术的研究成果对信息隐藏、数字水印算法的 深入研究将会起更大的促进和推动作用 数字水印和文本印证方面发展使在多媒体领域，比如图像、视频和音频中的信 息隐藏检测技术( s t e g a n a l y s i s ) 应运而生【7 一aw e s t f d d 和a p u u m a n n 9 1 比较系统 地提出了信息隐藏分析方法，包括视觉检测和统计检测两种方法。 ( 1 ) 视觉检测：即利用人类清晰分辨噪音和视觉图像的能力来对掩密图像进行 分析。在图像的失真和噪声中，人眼可见的失真或模式是最易被检测到的。辨别这 种模式的一个方法是比较原始载体图像并注意可见的差异。视觉检测的思想是移去 所有载有信息的图像部分，这时人类视觉就能辨别剩余部分是否有潜在的信息或仍 然是图像的内容 9 1 。当然，视觉检测并不表示单纯地用人类视觉去观察，因为人的 视觉有一定的冗余度，而信息掩蔽术的首要要求就是不能超出人类视觉的冗余度， 所以必须配合以对图像载体的处理才能达到一定效果。这类方法的难点在于如何选 取一个合适的决策阈值。 ( 2 ) 统计检测：是将掩密图像的理论期望频率分布和从可能被修改过的载体中 观测到的样本分布进行比较以找到差异的一种检测方法图像信息隐藏改变图像的 冗余部分虽然不改变视觉效果，但是却经常可以判断是否含有隐藏信息统计检测 的关键问题是如何得到图像数据的理论期望频率分布，该期望值不能来自于随机样 本，因为随机样本会被信息隐藏操作所改变，而大多数情况下，我们无法得到原始 图像信号来导出某幅图像数据的期望频率唧。由于图像的文件格式是多种多样的， 基于不同文件格式的图像载体的信息隐藏方法也是变化多端的，因而对它们进行统 计检测的原理和方法也是不同的。这类方法的难点在于如何选取一种合适的特性集 合。 3 硕士论文基于空域的信息隐藏及检铡方法研究 1 , 2 2 现有实用的信息隐藏检测方法 文献l l q 是对一些可靠的信息隐藏检测方法的综述，本节给出目前应用普遍的几 种检测方法，重点阐述基本思想。 i f i t z m a n n 和w e s t f e l d 9 提出了基于隐藏时被相互置换的灰度值对( p o v s ) 检测 分析方法，因为l s b 方法只改变灰度值的最低比特位，就形成许多组灰度值对。该 检测技术主要依据此事实设计c h i s q u a r e 检验。 f r i d r i c h 等人i t o , n | 提出了基于概率统计的双检测r s ( r e g u l a rs m g u l a r 方法， 算法是基于这样一种思路：在典型载体图像中，看似随机的l s b 层面在一定程度上 可以由区域7 个高比特层面预测，借此可建立敏感而准确的统计算法。 f r i d r i c h 等人【1 2 , 1 3 1 提出了在真彩色图像中检测隐藏信息的方法，也称为原始快速 对( r q p ，r a wq u i c kp a i r s ) 蔓y 法。当嵌入l s b 信息后，新的调色板会产生很多相 近的颜色对，大量颜色对的出现表明可能存在隐藏信息该方法适用于调色板图像， 不适用于灰度图像和独立颜色数较多的图像 文献【1 4 i 提出了基于差分直方图的l s b 检测方法，该检测法通过各级差分直方图 之间的转移系数构建一个物理量用来度量相邻比特层面之间的相关性，与r s 分析 方法性能相当。 1 2 3 信息隐藏检测中的主要问题 信息隐藏检测的基本思想是将有关加性平稳高斯信道的通信原理应用到信息隐 藏中检测算法多采用原始水印与水印估计值之间的相关运算，其实质是一种信号 对比【”1 这类水印检测算法理论描述采用一般的高斯信道模型是合理的，其设计一 般不涉及过多的理论问题 由于非盲信息隐藏尤其是非盲水印在具体应用时需要耗费大量的计算资源和存 储资源，因此近年来很多专家对盲信息隐藏算法的研究产生了极大兴趣。隐藏信号 盲检测算法的设计在很大程度上依赖于理论模型，尤其是宿主信号的统计模型。这 样设计出来的算法往往在某种理论模型下是最优的，这不仅为算法性能提供了保 证，也有可能对算法的实用性进行定量讨论【1 5 j 。 1 3 本文研究内容及章节安捧 由上面讨论可知，图像信息隐藏技术的研究内容十分丰富。本文主要围绕图像 信息隐藏的理论模型展开，基于空域上l s b 典型方法，着重讨论信息隐藏及检测方 法。文章的各章节安排如下： 4 硕士论文 基于空域的信息隐藏及检测方法研究 第一章简要介绍信息隐藏技术的历史、发展及信息隐藏检测技术的分类等。简 要分析了图像信息隐藏和检测技术的特点和存在的问题，并介绍了本文研究内容。 第二章从信息隐藏的两种理论模型出发，介绍了空域上l s b 算法的原理，分析 了几种利用l s b 方法的工具，并通过实验分析隐秘图像的特点。在基本l s b 算法 的基础上，本文提出了一种基于信源熵理论的信息隐藏方法，该方法通过分析视觉 冗余性、图像熵值和嵌入数据量之间的关系定位最佳嵌入位置。实验证明，该算法 可以实现兼顾鲁棒性和嵌入数据量两个因素 第三章对基于数字图像的几种信息隐藏检测的算法进行了深入的分析，通过实 验对比分析了各个算法的优缺点其中，视觉检测对某些载体图像存在检测盲区， 因此本文提出了一种基于拉普拉斯滤波的检测算法，通过信息隐藏前后图像的拉普 拉斯滤波值的差值来辨别隐秘图像和载体图像实验证明，当嵌入信息达到一定比 例时，该算法对隐秘图像检测正确率较高 第四章给出本文的结论。 硕士论文基于空域的信息隐藏及检溯方法研究 2 基于图像空域的信息隐藏 信息隐藏空域法就是直接改变图像元素的值，一般是在图像的亮度或色带中加 入隐藏的内容。这种方法比较有代表性的是最不重要比特位( t h el e a s ts i g n i f i c a n t b i t s ，简称l s b ) 方法，该方法也是最早被应用的信息隐藏方法遮掩消息的l s b 直接被待隐消息的比特位或两者之问经过某种逻辑运算的结果所代替。本章重点描 述l s b 算法，使用l s b 算法的实例可以从文献【5 用中得到，本文后面的l s b 隐藏检测 工作主要基于该隐藏算法。 2 1 信息隐藏的数学模型 2 1 1 基于色彩空同的信息隐藏数学模型 已知数字图像a 中的数据八毛力和数字图像b 中的数据g 力，( 矗力为图像 上的坐标，根据数字图像的离散特性，似y ) 和g 力分别可以表示为： 77 八毛力= 岛2 f 和g ( 毛y ) = e b , 2 ， ( 2 1 1 1 ) i 0l - 由 其中岛= 0 或1 ，岛= o 或1 ，i = 0 7 于是： 八剐力= b , 2 + d ( 2 4 ) i - o 7 g 似) ，) = 岛“2 + o ( 2 4 ) a , - o 根据需要构造函数： ，1 _ i l 似力= b , 2 + 6 i 2 t - 4 根据位运算可以得到： 厂似力= a 2 ，g “力= 岛+ 2 州 i - ot = o 于是可以得到图像的恢复结果误差为： i f ( x , y ) - 厂( x ，力庠1 6 ，i g ( x ，) ，) 一g 似力l 1 6 ( 2 1 1 2 ) ( 2 1 1 3 ) ( 2 1 1 4 ) ( 2 1 1 5 ) 6 硕士论文基于空域的信息隐藏及检测方法研究 由于人类视觉对光的敏感程度是非线性( 指数) 变化的，即使在最亮的时候，1 6 个 等级的灰度一般也不会产生视觉上的差异。因此在图像信息隐藏中，只要与原始图 像的差距在1 6 灰度级内，则该图像的差异在视觉上是不可察觉的 2 1 2 基于信息论的信息隐藏数学模型 s h a n n o n 最早提出了密码通信系统的模型，可用数学模型和信息论来对任何一 个密码系统进行定量分析，也能对密码和通信系统进行定量评价 在信息论中熵和保密度是两个重要的概念，它们分别被用来作为度量信息的标 准和安全通信的重要指标【1 羽人们不仅可以使用这两个物理量对任何一个保密系统 进行评估，而且这也是设计通信安全系统的重要依据 信源熵理论是信息论的度量，其定义【1 6 1 为： 日= - e ( x ) l 0 9 2 只( x ) m ( 2 1 。2 1 ) 其中1 1 1 是可能发生的消息数目，b 是消息发生的概率。 s m i t h 和c o m i s k e y 从信息论的角度提出了一个简单的基于静止数字图像的数据 隐藏信道模型它们将信息隐藏的容量，隐藏信息的鲁棒性以及隐藏信息的不易察 觉性综合考虑，将被嵌入信息的原始图像看作为一个近似连续的二维带限信道，并 具有最大平均噪声能量，而隐藏的信息则被视为通过这一信道的传递信号从这一 模型出发，根据n y q u i s t 和s h a n n o n 定理，可以计算出该信道的容量以及在既定带 宽下，为了达到信道容量c 所需的s n 下限， c = w l 0 9 2 ( 1 + s ) 通过上式可以看出： ( 2 1 2 2 ) 1 ) 给定信道容量c 信息可以以不同的带宽和信噪比的组合来传输； 2 ) 当信道噪声为高斯自噪声时，上式的噪声不是常数，而与带宽有关设噪 声功率为n 。n o w ，代入上式后： c = w l 0 9 2 ( 1 + $ n e w ) ( 2 1 2 3 ) 当带宽w 趋于无穷大时： 雹c 2 懋w l 0 9 2 ( 1 + s n o w ) 2 l 舭s ，讳 ( 2 1 2 4 ) 这说明当带宽趋于无穷大时，信道容量不会趋于无穷大，而是趋于常别阍 7 硕士论文 基于空域的信息隐藏及检测方法研究 2 2 基于空域的i s b 信息隐藏算法 2 2 1 空域信息嵌入的基本原理 l s b 信息隐藏是最早提出的图像空域信息隐藏算法，是将图像最不重要比特位 的值直接替换为秘密信息的一种算法l s b 算法虽然鲁棒性比频域信息隐藏差，但 由于可隐藏的数据量大且算法简单，l s b 算法已成为目前隐蔽通信的主流技术。 下面介绍两种空域l s b 信息隐藏方法。 ( 1 ) 简单连续嵌入方法： 许多工具都是在简单连续嵌入方法这种最简单的隐藏方法基础上发展起来的。 简单连续嵌入是通过在时空域的l s b 或变换域系数的l s b 中的某一个范围内连续 嵌入信息如在b m p 的灰度图像中，秘密信息被逐位嵌入到最低位平面中，以嵌入 信息代替原有图像的低位平面的部分数据【1 5 1 。类似的隐藏工具有时空域琢d ci ns i d e 工具等。 ( 2 ) 随机位选择嵌入法： 随机位选择嵌入法是在连续嵌入法的基础上加以改进而得到的。通过一个伪随 机算法，将隐秘消息位随机的分布到整个隐秘载体中去，这样就增加了攻击的难度， 因为攻击者不知道后继消息位是否是按相同次序嵌入的【埘 假如发送者要在载体图像c 中隐藏一段秘密信息m ，发送者首先用一个伪随机 数发生器产生元素索引的一个序列j i 。以，并把第k 个消息存在索引为五的元素中 因为未对伪随机发生器的输出作任何限制，序列中的一个索引可能不止出现一次， 这种情形称之为“冲突”若发生冲突，发送者可能会把多于一位的消息位插入同 一个隐秘载体元素中，从而破坏某些消息位如果消息与隐秘载体元素的数目相比 很小，那么发生碰撞的概率可忽略，并可用纠错编码重构遭破坏位显然，这只限 于很短的隐秘消息，当l e n g t h ( m ) = l e n g t h ( c ) 时，至少发生一次冲突的概率p 可用 以下公式来估计i l 习： p = 1 一吲一塑塑2 必l e n g t h ( c ) 丝二n ) ( 2 2 1 1 ) -、， 一。， 2 2 2 基于空域l s b 隐藏工具分析 ( 1 ) h i d e i n p i c t u r e h i d e i n p i c t u r c ( h 口) 可以将任何文件“隐藏”到一幅标准的位图文件中。基本算 法原理如下： 8 硕士论文 基于空域的信息隐藏及检测方法研究 h i p 采用的是在图像中每个颜色的l s b 位置上隐藏文件例如一幅b m p 图像包 含以下字节：1 9 55 381 0 03 46 41 9 15 6 ，则二进制表示为： 1 1 0 0 0 0 1 10 0 1 1 0 1 0 10 0 0 0 1 0 0 00 1 1 0 0 1 0 00 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 01 0 1 1 1 1 1 10 0 1 1 1 0 0 0 。 若要在其中隐藏字符1 0 8 ( - - 进制0 1 1 0 1 1 0 0 ) ，则图像中每个字节的l s b 都会被这 个字符的比特位代替，结果为： 1 1 0 0 0 0 1 00 0 1 1 0 1 0 10 0 0 0 l 0 0 10 1 1 0 0 1 0 00 0 1 0 0 0 1 10 0 1 1 1 1 0 11 0 1 1 1 1 1 00 0 1 1 1 0 0 0 即隐藏后图像二进制流对应为：1 9 45 391 0 03 56 51 9 05 6 。在新的比特流和原 始比特流之间差别不大，人类视觉系统一般不会发现异样。当隐藏信息很大时，或 许需要修改每个字节中不止一位，此时就可能看出图像在隐藏前后有明显差别。 h i p 头( 包括隐藏文件的信息，如大小和文件名) 和待嵌入的隐藏的信息都是 采用一种加密算法，在隐藏之前，利用给定的秘密，以非线性方式写入，h i p 用伪 随机数生成器选择每位的位置。由随机数生成器得到的值是根据提供的秘密，因此 其他人在不知道密钥情况下不会得到隐藏文件【”l 。 ( 2 ) b l i n ds i d e b l i n ds i d e 也是一种隐藏工具，它可以将一个或多个不同类型的文件隐藏到一幅 b m p 格式的图片中。原始图片和编码后图片是视觉上是完全相同的，而采用b l i n d s i d e 的逆过程，贝会重新得到隐藏的消息。为了增加安全性，可以使用密码将数据 打乱，这样除了知道密码的人，没有人可以获得隐秘消息。 b l i n ds i d e 并不像其它隐藏工具那样直接利用l s b 来隐藏消息，这可能会使图 像有明显的改变，这就不能达到隐藏的基本要求b l i n ds i d e 分析图片颜色值的差 别，仅去改变像素值中不易引起观察者注意的点，其容量下限是每幅图片的颜色值， 且不可超过人类视觉可察觉的隐藏数据值【1 卯 2 2 3 l s b 算法实验效果图 实验随机选取多幅b m p 图像作为载体图像，采用h i p 方法将图2 2 3 1 作为秘 密信息嵌入其中，图2 2 3 2 为其中四幅载体图像隐藏消息后的结果： 鳓2 x t e 8 唧 图2 2 3 1 待嵌入的秘密信息 9 贮掺文基于空域的信息隐藏及检测方法研究 图2 2 3 2 采用h i p 工具隐藏效果 以上四组实验图像中，载体图像和隐藏后图像的区别是用肉眼观察不出来的， 因为该隐藏方法是将需要隐藏的信息直接按位替换到图像的最末位“贡献”最 小的比特位。嵌入信息后，并没有引起原始图像质量的显著下降和视觉效果的明显 变化，可以说此种方法存在较高的鲁棒性。 2 3 基于信源熵的信息隐藏方法 一般来说，一幅b m p 图像可以隐藏其大小八分之一的信息，且隐藏信息越多， 鲁棒性越差上节l s b 隐藏算法实验中大多图像l s b 隐藏后与载体图像外部特征 差异不大。但我们可以观察图2 3 1 中的。g r i d b m p ”和“t o w e r b m p ”图像隐藏后 结果，虽然只改写了部分像素的最低有效位，但图像的色度值发生了异样，隐藏效 果较差。 图2 3 1 采用l s b 隐藏效果较差的例子 - 硕士论文基于空域的信息隐藏及检铡方法研究 由这很容易想到，在l s b 隐藏算法中，如何在不影响鲁棒性的前提下，最大限 度的隐藏秘密信息呢? 因此，本节提出了一种基于信源熵理论的信息隐藏方法，通 过隐藏数据量、人类视觉冗余性和图像熵值之间的关系研究此问题 2 3 1 信源熵理论 峰值信噪比是不少研究者常用的信息隐藏技术图像质量的主要评价标准。峰值 信噪比定义为图像像素问的峰值均方误差的对数分贝表示【阍，它在一定程度上反映 了图像数据处理前后的变化情况，且反映的是数据变化情况的统计平均。 但人类的视觉系统是非常复杂的，还受许多外界条件的制约。比如人眼对于在 不同的陪衬下，不同光照下的相同的图像会产生不同的视觉感受。同时在图像的尺 寸、位置、角度等特征方面也存在视觉冗余，因此人类视觉系统是一个非线性系统。 从而峰值信噪比这个统计上的线性描述很难准确表征非线性的人眼视觉。 因此本节采用一种新的标准信源熵来评价图像隐藏效果从熵的角度进行 分析得到过很多有价值的结论f 17 堋在信息论中熵是个重要的概念，它用来作为度 量信息的标准一般认为信源有若干个可能发生的消息组成，设有n 个消息，概率 分别为a o ) ，见( 功以( 功，那么可以证明每一个消息的平均信息量为； l 日= 之p l ( x ) l 0 9 2p s ( 2 3 1 1 ) s = i 该式称为信源熵。 信源熵的数学意义为它是各事件不肯定性的数学期望l l o l 。在图像中，每比特代 表一个事件，图像即是这些比特的集合。而且整个图像的二迸制比特流序列是高阶 马尔可夫过程，每比特取值不受其他比特制约。因此，对图像i ，图像的联合熵可 以定义为： “* 4 日( d = 只( ，风l a - l 一) = 日( b ) 一，( 墨，乃) ( 2 3 1 2 ) l - oj _ o - 吖 对于数据内容确定的原始图像，熵为定值。而对于含有隐藏信息的图像( 1 2 8 1 2 8 ) 来说，以在l s b 位隐藏为例，确定图像内容的是前7 位。因此这幅图像的 熵值约为： 1 2 8 x 1 2 8 x 8 1 2 8 1 2 8 7 1 0 9 2 2 一，“，x j ) = 1 2 8 2 ( 2 3 1 3 ) - 叫 本节试图从信源熵的角度分析在不同比特位隐藏信息后的变化，从而得到能够 嵌入最大数据量且不失鲁棒性的最佳嵌入位置。 硕士论文基于空域的信息隐藏及检测方法研究 2 3 2 算法原理 图像数据区的图像冗余较大，可以隐藏较多的信息。本节主要利用一种简单的 l s b 算法在图像数据中隐藏信息对于l s b 的隐藏技术，实际上就是利用人眼对 图像的视觉冗余，隐藏技术就是要使隐藏分析具有这样一个挑战：即隐藏位置的确 定问题，使分析者不知道隐藏者究竟利用了哪几个比特位进行隐藏。对于灰度图像， 人眼不能分辨全部的2 5 6 个灰度等级，4 个左右灰度等级的差异人眼也是不能区别 开来的。 实验随机选取了部分2 4 位的b m p 图像作为测试图像，将末几位分别提取出来 转化为二值图像后来说明后五个比特位分别对图像像素值的“贡献”大小，图2 3 2 1 分别是l e n a ，h o u s e 、o r a n g 及c a r 图像的结果 ( a ) 测试图像( b 耀取最低位( c ) 提取末二位( d ) 提取末三位( c 堤取末四位1 ) 提取束五位 图2 3 2 测试图像及提取比特位结果 可从实验看出，( b ) 、( c ) 两组图像看起来更像随机分布的噪声，直到( d ) 和 ( e ) 列图像才能通过视觉粗略分辨出目标和背景，( d 列图像中目标轮廓已经清晰 可见。因此，实验可以得到这样的结论：比特位对图像的“贡献”越小，人类视觉 对此的视觉冗余就越大，在隐藏方法中的利用率就越高。表2 3 2 1 显示了部分测 试图像提取各比特位后熵值比较，图2 3 2 2 显示了表中熵值的趋势图。 一 硕士论文 基于空域的信息隐藏及检测方法研究 表2 3 2 1 测试图像提取各比特位后熵值比较 炳值 原始图像第末位末二位末三位 末四位末五位 l e n s5 0 5 0 8 60 6 9 3 0 90 6 9 3 1 30 6 9 3 0 9o 6 9 2 5 70 6 9 2 5 1 h o u s e 4 4 2 7 8 1o 6 9 3 1 00 6 9 3 1 50 6 9 2 8 9o 6 9 2 8 00 6 9 0 9 0 o r m z g5 1 2 2 1 60 6 9 3 1 5o - 6 9 3 1 50 6 9 3 1 4o 6 9 3 1 40 6 9 2 5 1 c a r5 0 4 0 1 00 6 9 3 1 40 6 9 3 1 10 6 9 1 9 1o 6 9 1 鹋0 6 9 1 2 7 隐藏位置 图2 3 2 2 测试图像隐藏后熵值趋势图 从以上数据可以看出，l c n a 和c a r 图像均在第末四位时熵产生跳变，h o u s e 图 像在第末三位时熵产生跳变，o r a n g 图像在第末五位时才产生跳变。以两幅效果明 显不同的图像为例，在图2 3 2 1 中，o r a n g 图像的提取末五位的比特层才可以看出 图像的内容痕迹，前几幅都很像噪声；而h o u s e 图像则在提取末二位二值图像中就 可以看到屋顶边缘这样明显的图像信息。也就是说这与图2 3 2 1 中的结果是一致 的：即图像在熵值产生跳变时，会伴随着信息量的跳变，也就意味着达到了视觉冗 余的极限。 硕士论文 基于空域的信息隐藏及检测方法研究 2 3 3 l s b 算法流程及结果 从上面实验看出，提取最低比特位后的图像看起来像随机分布的噪声，人类视 觉系统很难分辨出目标和背景。对于一幅2 4 位载体图像，在5 4 字节的位图文件头 和位图信息头后，是图像实际的数据部分因此，在本节中，采用了下面的信息隐 藏算法，该算法是l s b 算法的改进，主要利用秘密比特流与载体比特流的逻辑运算 来代替原有比特位，隐藏流程如图2 3 3 1 所示【1 9 】： ( 1 ) 将随机待隐信息转化为二进制数据码流，存入数组 s e e r e t w i d t h x h e i g h t x g ； ( 2 ) 将b m p 文件图像数据部分的每个字节的高7 位依次异或与 s o ：r e t w i d t h x h e i g h t x 8 数据码流异或后的结果写入最低位( 必要时采用 一定概率) 比如，对秘密信息的第i 比特位，若掩体图像的相应字节为 c o v e r 8 ，隐藏后的图像为： c o v e r 7 - - c o v e r 0 o e o v e r 1 o e o v e r 2 o c o y e r 3 】 ， ， 、 o c o v 仃醴】o o o v 盯【5 】o c o v 6 】o s e c ，甜叼 ( 4 ) 新产生的图像即为嵌入信息后的图像。 嚣i 甜i i- - 一 + 工+ 上+ i + 王+ i + 工+ 】王+ 1 + 工+ i + l + 王+ i + x s l 瓢i 稻i 勰l x li 鞠l i 图2 3 3 1l s b 隐藏流程 另外，基于空域的信息隐藏技术大多数采取将秘密信息的长度隐藏于实际图像 数据之上的文件信息头部分( 一般隐藏于保留字节) ，但是存在一个问题就是隐藏 后的图像被重新保存时，文件信息头保留字节有可能被系统重新更改，导致检测不 到秘密文件。本节秘密信息的长度隐藏将采用与信息内容相同的算法，即同样隐藏 至图像数据部分。 该算法中，由于2 4 位b m p 载体图像隐藏信息后，其数据部分字节数值最多变 化为l ，该字节代表的像素最多只变化了1 2 5 6 。因此，已隐藏信息的l a m p 图像与 原始图像，用肉眼是看不出差别的；将信息直接嵌入像素r g b 值的优点是嵌入信 1 4 硕士论文 基于空域的信息隐藏及检测方法研究 息的容量与所选取的掩护图像的大小成正比。在本节实验中，嵌入的随机比特流长 度均为原始图像八分之一大小，即为完全隐藏。 ( a ) 最末位隐藏( b ) 末二位隐藏( c ) 末三位隐藏 ( d ) 末四位隐藏( e ) 末五位隐藏 图2 3 3 2 不同比特位隐藏效果比较 人类视觉往往不能区别图2 3 3 2 中c a ) 、( b ) 两列图像与载体图像之间的 差别，因为该隐藏方法是将需要隐藏的信息直接按位替换到图像的最末两个“贡献” 较小的比特位可以说此种嵌入方法做到了不可感知性，即嵌入信息后，不引起原 始图像质量的显著下降和视觉效果的明显变化 在次低位和第三位上隐藏数据，其数据部分字节数值最多变化为2 和4 ，该字 节代表的像素最多只变化了1 1 2 8 和1 6 4 ，也具有一定的不易察觉性。从图2 3 3 2 中可以看出，次低位隐藏效果较好，( b ) 、( c ) 、( d ) 、( e ) 列隐藏信息处依 次变得模糊，同一色系逐渐不均匀。( d ) 、( e ) 列已明显看出图像数据特性遭到 破坏。从大量统计结果来看，一般地，为了确保不可察觉性，单比特位信息隐藏可 颈士论文 基于空域的信息隐藏及检测方法研究 以容许象素值改变1 6 4 。从对单比特隐藏信息后的图像的统计规律中发现，图像 空域数据最低有效位产生较大的跳跃现象，也严重影响信息的安全性 2 3 4 隐藏效果分析 实验随机选取1 0 0 幅2 5 6 2 5 6 的b m p 图像，在不同比特位嵌入等长的随机秘 密信息流后形成隐秘图像组，分别将其转化为灰度图像后计算具体熵值，表2 3 4 1 是其中部分图像的结果： 表2 3 4 1 原始图像与隐秘图像熵值比较 熵值原始图像最末位末二位末三位末四位末五位 l e n a5 0 7 3 55 0 6 3 15 0 5 4 55 0 5 3 05 0 5 2 15 0 5 0 8 h o u s e4 8 3 2 84 6 9 8 1 4 5 0 7 24 4 4 6 3 4 4 3 5 74 4 2 7 8 o r a n g 5 1 4 9 3 5 1 4 6 75 1 4 5 65 1 4 2 45 1 3 6 05 1 2 6 0 c a r 5 1 0 7 15 0 8 7 15 0 5 1 15 0 4 7 75 0 4 2 05 0 4 0 l c o u p l e 5 2 3 5 65 2 3 4 75 2 2 6 85 2 1 1 65 2 1 2 55 2 0 0 1 w o b a n4 1 3 8 94 1 3 7 74 1 3 6 64 1 3 6 04 1 3 5 14 1 2 5 9 b a l l o o n6 1 7 3 16 1 7 2 96 1 7 8 26 1 5 6 96 1 5 6 46 1 5 6 1 j e t 5 4 4 4 75 4 4 2 65 4 4 2 15 4 3 5 65 4 3 3 25 4 3 2 8 c i t y s a p 4 3 6 2 04 3 4 7 54 3 4 6 94 3 4 6 34 4 6 0屯3 4 5 8 说明：嵌入长度为等长，均为2 5 6 2 5 6 随机比特流 图2 3 4 1 显示了上表中部分隐秘图像熵值趋势图。例如o r a n g 图像直到秘密信 息被隐藏到末五位时，图像的外部特性才发生变化，人类视觉系统才发现图像发生 某种颜色值异样，判断可能隐藏有某种隐秘信息。在熵值趋势图中，o r a n g 图像在 末三位隐藏后熵值变化不大，但到第四位时，熵值明显下降。图2 3 4 1 中h o u s e 图像在末二位隐藏后结果就使图像颜色变得不均匀，图像边界变得模糊，在图2 3 4 1 中h o u s e 图像在末位到末二位的线段斜率最大。从对图像熵值的大量统计数据可知， 当图像熵值发生最大跳跃处时，已达到人类视觉系统可以容忍的限度，也达到了在 鲁棒性前提下图像隐藏信息的最大容量。 1 6 ： i ： 从表2 3 4 1 中可以看出，对于在图像不同比特位隐藏信息，熵值的差别不大， 但实际上，视觉冗余并不只表现在图像灰度上，图像尺寸，背景，相对位置等因素 都存在冗余，相同图像在不同亮度背景下往往会使人类产生不同的视觉感受，因此， 图像的熵值实际上会略大一些。但总体上，隐藏的位置对图像内容“贡献”越大， 前后图像熵的差值越大，隐藏后图像的视觉冗余也就越小，这个结果与上面的分析 是一致的，即图像各像素表达的内容的不肯定性也就越大。 显然，当图像中色彩呈现均匀性，色彩信息最少时，熵值最大。随着图像隐藏 的位置的递增，隐秘图像熵值逐渐下降，这是由于随着图像隐藏的位置的递增，隐 藏操作使图像中单一颜色数改变越大，图像中颜色数目变多，色彩信息丰富导致色 彩不均匀性，从而使熵值变小。 具体对一幅图像而言，隐藏到各比特位的隐秘图像的熵值可以用e n t r o p y i 来表 1 7 硕士论文基于空域的信息隐藏及检测方法研究 示，其中i =