论文部分内容阅读
摘要：如何保护信息在传输过程中的安全，已经成为人类所面临的重要课题。信息隐藏技术提供了解决这个问题的一种新方案。由于数字图象中包含了大量的冗余信息，结合人的视觉特性，可以把一些重要的秘密信息隐藏于图像中，而不会引起图像的失真，达到了对信息进行秘密传输的目的，在很大程度上保护了秘密传输的消息。
关键词：信息隐藏；图像信息隐藏；LSB算法；图像信息隐藏器
中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)09-11692-02
A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Engineering
HUANG Yu-ping1,HUANG Zhuo-lin2
(1. Zhengzhou Tourism College, Zhengzhou 450009, China; 2. Yellow River Bridge of Zhongyuan Expressway Co. LTD., Zhengzhou 450045, China)
Abstract: How to protect the security of message in the process of transformation has become the significant task for people to solve. Information hiding technique provides another way to solve the problem above. Combined with HVS(Human Visual System), the secret message can be put in the image without degrading the quality for its redundancy and to secure the information.The message to be transferred can be image or text file.
Key words: information hiding; digital image hiding; LSB algorithms; digital image hidinger
1 引言
网络的推广和普及为多媒体信息传输带来了极大的方便，但是由于数字产品复制的便捷性、成本的低廉性，以及计算机网络所具有的开放性与共享性，使得人们在享受现代网络信息所带来的便利的同时，也面临着各种信息安全威胁。目前，大部分网络安全保护措施是通过传统的加密技术实现的，但随着网络安全问题的日益突出，传统的加密技术日益显露出诸多不足，于是，信息隐藏技术[1]应运而生。信息隐藏技术是利用载体信息的冗余性，将秘密信息隐藏于普通信息之中，通过普通信息的发布而将秘密信息发布出去，即将重要的信息隐藏于其他信息里面从而掩饰它的存在。信息隐藏是一个十分活跃的研究领域，其载体可以是文字、图像、语音或视频等不同格式的文件。
在多媒体世界中，数字图像是人们所感官的最主要的信息形式，数字图像的最终感受者是人的眼睛，眼睛感受到的两幅质量非常相同的数字图像，其像素值可能存在很大的差别，这样依赖人的视觉系统的不完善性就给数字图像的失真压缩和信息隐藏提供了很大的研究空间。
2 用LSB算法实现基于BMP彩色图像的信息隐藏
LSB信息隐藏算法是在载体信号的空域进行的，将秘密信息变成二进制数据流后，隐藏在载体数据的最低比特位上，类似于在原始数据上迭加能量很小的噪声，对视觉的影响非常小，不会带来图像的明显降质，而提取秘密信息时将最低比特位取出即可。秘密信息指有关要传送的要隐藏的信息，如图像、文字等。
对于计算机来说，一幅图像就是由一些标识各像素亮度的值构成的矩阵。用图像作为底面，用表示像素亮度大小的8位二进制数作为高度，可形成一个立体直方图，各像素位置相同的位形成了一个平面，称为“位平面”。我们提出的算法就是把待隐藏的信息变成二进制数据流后隐藏到合适的低位平面，即最不重要的位中。
由于BMP图像标准规定的颜色等级比人类眼睛能够观察到的要多得多，直接把信息隐藏到彩色图像颜色值的最低有效位，不会对图像引起大的变化，同初始状态相比，最多有1的误差(xxxxxxx0→xxxxxxx1或xxxxxxx1→xxxxxxx0)，相对误差率最大为1/255，对于人眼来说，隐藏前后形成的图像是几乎无法区分的。同时，1个24位的图像文件也可以为隐藏信息提供足够的空间。由于每个像素可以隐藏3个比特，1个1024×768的图像可以隐藏大约259296个比特的信息。如果在隐藏之前把信息进行压缩则可隐藏更多的信息。一般来说，LSB算法要求最多可改变像素颜色值中1个字节中的4个位，也就是说，把信息插入最低1位或2位，最多4位有效位时，人眼是无法察觉到改变的，如果插入太多，对像素颜色改变太大，就失去了隐藏的目的。
假设嵌入步骤中使用的隐秘载体记为 c。不失一般性隐秘载体可用一列长度为 l(c)的数组 ci(0 ≤i≤l(c))表示。对于数字声音，即为时间采样序列；对于数字图像，可通过使图像向量化得到序列（例如，把所有像素点按从左到右，从上到下的次序排序）。对于二值图像，ci ∈{0，1}；对于量化图像或声音，0≤ci≤255。隐秘后的对象记为 si，可用长度也为l(c)的序列表示。如果需要检索所有的隐秘载体元素 ci，我们将使用符号j。若索引本身被某个集索引，就用记号 ji。第 ji 个隐秘载体元素即为 cji。秘密消息记为 m，其长度为 l(m)，m 的各位为 mi，0 ≤i≤l(m)，除非另做声明，我们假设 mi ∈{0，1}。
嵌入过程包括选择一个隐秘图像载体元素的子集{j1，…，j l(m)}，然后在子集上执行替换操作，即把cji的LSB用mi（mi 为 1 或 0）替换。在提取过程中，提取所选择的隐秘载体元素的 LSB 并做出适当的排序以重构秘密消息。
算法1基本LSB 嵌入算法
for i = 1，…，l(c) do
si←ci
end for
for i = 1，…，l(m) do
compute index ji where to store the ith message bit
sji←cji <=>mi
end for
算法 2 基本LSB 提取算法
for i = 1，…，l(m) do
compute index ji where the ith message bit is stored
mi ←LSB(cji)
end for
用这种方式进行信息隐藏可以获得较大的隐藏信息量。对于一幅 M×N 像素大小的 24 位真彩色数字图像，其隐藏的信息量为：
H =αMN×3/8(bytes)
其中α定义为隐藏信息嵌入率，0 ≤α≤1。
3 BMP 图像信息隐藏器
根据上面提到的“LSB最低有效位的图像隐藏算法”，在分析了信息隐藏算法的基本框架和彩色图像的BMP文件格式后，结合实际需要，我们用C语言设计并具体编制了一个简单的BMP图像信息隐藏器（界面如图1所示）。
可以观察看到，嵌入隐秘信息之前和之后的图片，用肉眼是看不出来它们的差别的。因为原始24位BMP图像文件隐藏信息后，其数据部分字节数值最多变化为1，该字节代表的像素最多只变化了1/256。使用LSB最不重要位算法的优点是嵌入信息的容量与所选取的掩护图像的大小成正比，具有较高的信息隐藏率。
4 有待进一步解决的问题
4.1 对数字图像的常见破坏
对数字图像的常见破坏主要有：图像加噪、低通滤波、有损压缩、图像剪切、图像拼接、图像大小变化、图像旋转、打印扫描等。这就要求我们在研究的过程中找到一种行之有效的算法模型，并加入一些优化的方案，在保证信息容量和不可见性的同时，提高隐秘信息的抗攻击力。
4.2 信息隐藏系统的评价方法研究
鲁棒性、不可感知性、隐藏的信息量是评价一个隐藏系统的重要指标，但对它们之间的关系以及各自的评价指标仍没有一个权威的标准。对鲁棒性也缺乏公认和客观的评测体系和标准，只能用实验来验证其有效性，而无法从
理论上提供严格的安全性证明。
参考文献：
[1] 王育民. 信息隐藏——理论与技术[M].北京:清华大学出版社,2006.1-4.
[2] 肖和立,马宁,刘文芬. 一种改进的数字图象隐写方案[J].信息工程大学学报,2005,6(3):85-88.
[3] 伯晓晨. 图象信息隐藏的理论模型与若干关键技术的研究[D].国防科学技术大学,2002.10
[4] 左伟明,秦姣华. 信息隐藏技术研究[J].湖南城市学院学报(自然科学版),2005,14(1):65-68.
[5] 刘宇苹. 信息隐藏技术的研究与实现[J].武汉船舶职业技术学院学报,2003,3:40-43.
关键词：信息隐藏；图像信息隐藏；LSB算法；图像信息隐藏器
中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)09-11692-02
A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Engineering
HUANG Yu-ping1,HUANG Zhuo-lin2
(1. Zhengzhou Tourism College, Zhengzhou 450009, China; 2. Yellow River Bridge of Zhongyuan Expressway Co. LTD., Zhengzhou 450045, China)
Abstract: How to protect the security of message in the process of transformation has become the significant task for people to solve. Information hiding technique provides another way to solve the problem above. Combined with HVS(Human Visual System), the secret message can be put in the image without degrading the quality for its redundancy and to secure the information.The message to be transferred can be image or text file.
Key words: information hiding; digital image hiding; LSB algorithms; digital image hidinger
1 引言
网络的推广和普及为多媒体信息传输带来了极大的方便，但是由于数字产品复制的便捷性、成本的低廉性，以及计算机网络所具有的开放性与共享性，使得人们在享受现代网络信息所带来的便利的同时，也面临着各种信息安全威胁。目前，大部分网络安全保护措施是通过传统的加密技术实现的，但随着网络安全问题的日益突出，传统的加密技术日益显露出诸多不足，于是，信息隐藏技术[1]应运而生。信息隐藏技术是利用载体信息的冗余性，将秘密信息隐藏于普通信息之中，通过普通信息的发布而将秘密信息发布出去，即将重要的信息隐藏于其他信息里面从而掩饰它的存在。信息隐藏是一个十分活跃的研究领域，其载体可以是文字、图像、语音或视频等不同格式的文件。
在多媒体世界中，数字图像是人们所感官的最主要的信息形式，数字图像的最终感受者是人的眼睛，眼睛感受到的两幅质量非常相同的数字图像，其像素值可能存在很大的差别，这样依赖人的视觉系统的不完善性就给数字图像的失真压缩和信息隐藏提供了很大的研究空间。
2 用LSB算法实现基于BMP彩色图像的信息隐藏
LSB信息隐藏算法是在载体信号的空域进行的，将秘密信息变成二进制数据流后，隐藏在载体数据的最低比特位上，类似于在原始数据上迭加能量很小的噪声，对视觉的影响非常小，不会带来图像的明显降质，而提取秘密信息时将最低比特位取出即可。秘密信息指有关要传送的要隐藏的信息，如图像、文字等。
对于计算机来说，一幅图像就是由一些标识各像素亮度的值构成的矩阵。用图像作为底面，用表示像素亮度大小的8位二进制数作为高度，可形成一个立体直方图，各像素位置相同的位形成了一个平面，称为“位平面”。我们提出的算法就是把待隐藏的信息变成二进制数据流后隐藏到合适的低位平面，即最不重要的位中。
由于BMP图像标准规定的颜色等级比人类眼睛能够观察到的要多得多，直接把信息隐藏到彩色图像颜色值的最低有效位，不会对图像引起大的变化，同初始状态相比，最多有1的误差(xxxxxxx0→xxxxxxx1或xxxxxxx1→xxxxxxx0)，相对误差率最大为1/255，对于人眼来说，隐藏前后形成的图像是几乎无法区分的。同时，1个24位的图像文件也可以为隐藏信息提供足够的空间。由于每个像素可以隐藏3个比特，1个1024×768的图像可以隐藏大约259296个比特的信息。如果在隐藏之前把信息进行压缩则可隐藏更多的信息。一般来说，LSB算法要求最多可改变像素颜色值中1个字节中的4个位，也就是说，把信息插入最低1位或2位，最多4位有效位时，人眼是无法察觉到改变的，如果插入太多，对像素颜色改变太大，就失去了隐藏的目的。
假设嵌入步骤中使用的隐秘载体记为 c。不失一般性隐秘载体可用一列长度为 l(c)的数组 ci(0 ≤i≤l(c))表示。对于数字声音，即为时间采样序列；对于数字图像，可通过使图像向量化得到序列（例如，把所有像素点按从左到右，从上到下的次序排序）。对于二值图像，ci ∈{0，1}；对于量化图像或声音，0≤ci≤255。隐秘后的对象记为 si，可用长度也为l(c)的序列表示。如果需要检索所有的隐秘载体元素 ci，我们将使用符号j。若索引本身被某个集索引，就用记号 ji。第 ji 个隐秘载体元素即为 cji。秘密消息记为 m，其长度为 l(m)，m 的各位为 mi，0 ≤i≤l(m)，除非另做声明，我们假设 mi ∈{0，1}。
嵌入过程包括选择一个隐秘图像载体元素的子集{j1，…，j l(m)}，然后在子集上执行替换操作，即把cji的LSB用mi（mi 为 1 或 0）替换。在提取过程中，提取所选择的隐秘载体元素的 LSB 并做出适当的排序以重构秘密消息。
算法1基本LSB 嵌入算法
for i = 1，…，l(c) do
si←ci
end for
for i = 1，…，l(m) do
compute index ji where to store the ith message bit
sji←cji <=>mi
end for
算法 2 基本LSB 提取算法
for i = 1，…，l(m) do
compute index ji where the ith message bit is stored
mi ←LSB(cji)
end for
用这种方式进行信息隐藏可以获得较大的隐藏信息量。对于一幅 M×N 像素大小的 24 位真彩色数字图像，其隐藏的信息量为：
H =αMN×3/8(bytes)
其中α定义为隐藏信息嵌入率，0 ≤α≤1。
3 BMP 图像信息隐藏器
根据上面提到的“LSB最低有效位的图像隐藏算法”，在分析了信息隐藏算法的基本框架和彩色图像的BMP文件格式后，结合实际需要，我们用C语言设计并具体编制了一个简单的BMP图像信息隐藏器（界面如图1所示）。
可以观察看到，嵌入隐秘信息之前和之后的图片，用肉眼是看不出来它们的差别的。因为原始24位BMP图像文件隐藏信息后，其数据部分字节数值最多变化为1，该字节代表的像素最多只变化了1/256。使用LSB最不重要位算法的优点是嵌入信息的容量与所选取的掩护图像的大小成正比，具有较高的信息隐藏率。
4 有待进一步解决的问题
4.1 对数字图像的常见破坏
对数字图像的常见破坏主要有：图像加噪、低通滤波、有损压缩、图像剪切、图像拼接、图像大小变化、图像旋转、打印扫描等。这就要求我们在研究的过程中找到一种行之有效的算法模型，并加入一些优化的方案，在保证信息容量和不可见性的同时，提高隐秘信息的抗攻击力。
4.2 信息隐藏系统的评价方法研究
鲁棒性、不可感知性、隐藏的信息量是评价一个隐藏系统的重要指标，但对它们之间的关系以及各自的评价指标仍没有一个权威的标准。对鲁棒性也缺乏公认和客观的评测体系和标准，只能用实验来验证其有效性，而无法从
理论上提供严格的安全性证明。
参考文献：
[1] 王育民. 信息隐藏——理论与技术[M].北京:清华大学出版社,2006.1-4.
[2] 肖和立,马宁,刘文芬. 一种改进的数字图象隐写方案[J].信息工程大学学报,2005,6(3):85-88.
[3] 伯晓晨. 图象信息隐藏的理论模型与若干关键技术的研究[D].国防科学技术大学,2002.10
[4] 左伟明,秦姣华. 信息隐藏技术研究[J].湖南城市学院学报(自然科学版),2005,14(1):65-68.
[5] 刘宇苹. 信息隐藏技术的研究与实现[J].武汉船舶职业技术学院学报,2003,3:40-43.