信息隱寫技術的研究與應用

摘 要：本文介紹了信息隱藏技術中隱寫術的工作原理和典型算法。闡述了信息隱藏技術與傳統(tǒng)加密技術區(qū)別以及隱寫技術與數(shù)字水印的區(qū)別。對信息隱藏算法的特征和評價指標進行了分析。本文描述了圖像分塊隱寫技術算法，并對該算法進行了比較和評價。

關鍵詞：信息隱藏；信息隱寫；隱藏質量；隱藏容量

中圖分類號：TP391.4

1 信息隱藏技術與傳統(tǒng)加密技術

信息隱藏是把秘密信息隱藏到載體信息中，而在感官上不改變載體本身，實質上因為隱藏了秘密信息，雖然載體信息本身也做了修改，但人類感覺器官的具有不敏感性，而且數(shù)字多媒體信號本身具有冗余性，這使得加載了秘密信息后的信息與原有的載體信息在感官上沒有明顯區(qū)別，載密后的信息的使用價值也不改變。

信息隱藏技術與傳統(tǒng)加密技術的目的都是為了保護秘密信息，但二者還是有一定區(qū)別。最主要的區(qū)別是信息隱藏技術對載體信號的改變在人的感官層面不容易被發(fā)現(xiàn)，可以將秘密信息隱藏于人人可見的載體中，而傳統(tǒng)加密技術對秘密信息加密后產(chǎn)生的多數(shù)是沒有意義的信息，容易被發(fā)現(xiàn)，從而有針對性的破解。換言之，通過信息隱藏技術載密后，信息在感官上沒有明顯變化，除了秘密發(fā)送和接收方可以訪問載密信息。與加密技術結合使用稱為有密鑰信息隱藏，即在嵌入秘密信息前，先將秘密信息進行加密處理，同時生成一個密鑰。在提取秘密信息時，擁有權限者先得到的是加密的秘密信息，要用發(fā)送方提供的正確的密鑰，還原加密的秘密信息為明文。

信息隱藏技術主要有隱寫術、數(shù)字水印技術、可視密碼技術、潛信道、隱匿協(xié)議等方法；在具體應用中按載體信號的不同分為基于文本、基于數(shù)字圖像、基于音頻、基于視頻等。

2 信息隱寫與數(shù)字水印

隱寫術是指把隱秘信息嵌入到宿主信息中來進行傳輸，并保證隱秘信息不被未授權的第三方發(fā)現(xiàn)。因此，隱寫術要求大容量嵌入與較高的隱蔽性。

數(shù)字水印是基于版權保護的應用而產(chǎn)生的，指嵌入在數(shù)字產(chǎn)品中的信息。數(shù)字水印與隱寫術的區(qū)別在于其應用的目的不同，隱寫術的目的在于隱藏信息，而數(shù)字水印的目的在于版權保護，因此水印的魯棒性要求較高，但嵌入容量要求較小。

3 信息隱寫算法的評價

在評價信息隱藏算法時，根據(jù)信息隱藏的不同應用場合，有如下技術性能的要求：（1）不可檢測性，指的是載密信號與原始信號具有相同的特點，不容易被檢測出來。（2）不可感知性，指載密后的信息外觀形態(tài)不因為嵌入的秘密信息而發(fā)生明顯的感官變化，不易被發(fā)現(xiàn)是載有秘密的信息。（3）安全性，是指隱藏算法要有抗攻擊能力，非授權用戶即使知道該信息為載密信息而對其進行攻擊，也不能破壞原有信息和提取出秘密信息。（4）魯棒性，是對載密信號在傳輸過程中受到一些正常操作，載體中的隱藏信息的具有承受能力，不易損。（5）對稱性，是指信息隱藏中秘密信息的嵌入和提取過程是互逆的，也就是嵌入秘密信息和提取秘密信息可以使用同一算法。（6）自恢復性，在信息傳遞過程中，某些操作或者變換會對載密信息造成較大的破壞。這時為了保證信息的可用，可根據(jù)破壞后留下的數(shù)據(jù)片段，恢復出秘密信息，即自恢復性。

在信息隱藏算法開發(fā)和研究過程中，人們希望可以滿足以上所有的要求，但是在實際情況下，因為有些特性是互斥的，很難同時滿足所有特性，可以根據(jù)實際應用場合及媒體特點側重某些方面。通常來說，嵌入秘密信息的信息容量與算法的不可感知性和魯棒性成反比，也就是說隱藏的信息量越大，載密后信息的越容易被發(fā)現(xiàn)和被損壞。

隱寫術作為信息隱藏的一種應用，我們主要關注的性能參數(shù)是隱藏質量和隱藏容量。隱藏質量，是載密后對人類感官的影響程度。由于人類個體的差異，在判斷同一個目標時，會有不同的評價，所以不能有效地評價含密載體與原始載體的差別大小。為了使評價更容易量化，不因為個體差異而無法準確形容和評價載密前后的差異，引入一個國際通用的評價標準峰值信噪比PSNR。PSNR是指最大可能功率和影響它的表示精度的破壞性噪聲功率的比值。在隱寫中用來評價載密前后信息的相似程度。秘密信息通過某個隱寫算法嵌入到原始載體后，如果載密后圖像與其原始載體之間的PNSR值越大，說明該算法的隱藏質量越好。但是PSNR的分數(shù)和人眼看到的視覺品質也不是完全一致，有可能PSNR較高者看起來的效果反而不如PSNR較低者。隱藏容量也叫做隱藏載荷ER，表示所嵌入的秘密信息位占整個載體圖像像素點的百分比。多數(shù)算法都希望載體圖像能夠攜帶更多的信息，即有較大的隱藏容量，但隱藏容量和隱藏質量往往相互制約，當隱藏的信息容量變化時，質量也會隨之變化。

4 隱寫術工作原理及相關算法

在對信息隱寫算法優(yōu)化時主要通過兩個方面的實現(xiàn)。一是通過人的感官特性，人眼對圖像的視覺分成敏感的平滑區(qū)和遲鈍的邊緣區(qū)，對于平滑去減少隱藏容量，對于邊緣區(qū)加大隱藏容量；二是圖像也可以分區(qū)，稱之為分塊，對于不同特性的分塊可以采用不同的嵌入算法。

主流的隱寫算法是空域算法中的最低有效位LSB算法。該算法基本思想是將秘密信息嵌入到載體圖像像素值的最不顯著位也即最低有效位，從而達到隱藏秘密信息的目的，因為是最不顯著位，所以改變這一位置對宿主圖像的感官效果不產(chǎn)生影響。LSB的基本步驟是：把秘密信息轉換為二進制數(shù)據(jù)，將秘密二進制數(shù)據(jù)與像素最低有效位對比，若相同，保留信息，否則將載體像素的最低有效位用最低秘密信息直接替換，就得到了載密二進制信息，最后將該二進制數(shù)據(jù)轉換為十進制像素值，也就是含有秘密信息的圖像。最小有效位算法容易實現(xiàn)，而且嵌入信息容量大，是當前各種衍生算法的根本核心。

本文在這里介紹一種基于JPEG圖像的分塊隱寫算法。首先把秘密信息轉化為二進制信息，將圖像分成8*8的分塊，根據(jù)量化后的離散余弦變換系數(shù)DCT，計算分塊的不為零的交流系數(shù)個數(shù)。根據(jù)隱藏的容量的大小，確定閾值。根據(jù)閾值將圖像塊分成人眼敏感程度不同的三種類型，不同類型的分塊采取不同的隱藏算法嵌入數(shù)據(jù)。人眼不敏感的子塊，嵌入較大量信息，仍然可以保持較好的隱藏質量，反之人眼較敏感的分塊，為了保證隱藏質量，嵌入較小量信息。在進行秘密信息提取時，分塊提取也就是嵌入過程的逆過程，再把所有分塊中提取的秘密信息合成原有秘密信息。通過實驗數(shù)據(jù)表明，該算法有效地平衡了隱藏質量和隱藏容量之間的關系，同時避免了方塊效應，從而在隱藏質量得到保證的前提下大幅提高了隱藏容量。

通過數(shù)字隱寫完成秘密通信分為嵌入過程、傳輸過程和提取過程三個階段。密秘信息通過特定嵌入算法隱藏到原始載體中（也可以將秘密信息用傳統(tǒng)方法結合秘鑰加密后嵌入），形成含密載體，通過傳輸信道將含密載體發(fā)送出去。接收方通過隱寫檢測區(qū)分是否為含密載體，若是，再結合密鑰對含密載體使用提取算法，提取出秘密信息。

5 結束語

信息隱寫技術現(xiàn)在已經(jīng)成為了信息安全的一個熱點，廣泛應用于各國軍事部門、安全部門的信息加密及情報傳輸?shù)确矫?。目前?shù)字圖像信息隱藏技術已經(jīng)比較完善和成熟，但音頻和視頻作為網(wǎng)絡上新興和主流的數(shù)字媒體，是信息隱藏技術更廣闊的載體領域，而且人的視覺和聽覺也有不敏感性，所以基于音頻和視頻的隱寫算法研究也將是今后信息隱寫技術的工作重點。

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作者簡介：李艷（1979.9-），女，遼寧丹東人，講師，碩士研究生，研究方向：信息安全。

作者單位：遼寧省交通高等?？茖W校，沈陽 110122