可逆信息隱藏綜述

俞春強(qiáng)，彭　琦，陳　艷

（廣西師范大學(xué)網(wǎng)絡(luò)中心，桂林541004）

可逆信息隱藏綜述

俞春強(qiáng)，彭琦，陳艷

（廣西師范大學(xué)網(wǎng)絡(luò)中心，桂林541004）

闡述可逆信息隱藏的基本概念及其特征，描述可逆信息隱藏的模型以及通過(guò)可逆信息隱藏技術(shù)中各種算法的研究，分析目前可逆信息隱藏技術(shù)存在的問(wèn)題，提出可逆信息隱藏技術(shù)的發(fā)展方向。

可逆信息隱藏；隱寫術(shù)；嵌入算法

0　引言

為了解決網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中存在的安全問(wèn)題，科學(xué)家最早采用加密技術(shù)[1~3]對(duì)傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行加密，通過(guò)設(shè)計(jì)加密算法將要通信的數(shù)據(jù)按照加密算法進(jìn)行重新排列，并將置亂后的數(shù)據(jù)傳輸出去，接收方必須利用解密算法和正確的密鑰才能正確地解密，從而還原出原始的通信數(shù)據(jù)，加密技術(shù)也一直沿用至今。加密技術(shù)將秘密信息變換成一些雜亂無(wú)章的密文但是也吸引了攻擊者，為了克服現(xiàn)有加密算法存在的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)更安全的信息傳輸，信息隱藏技術(shù)[1~2]信息安全領(lǐng)域新的分支，能夠應(yīng)用到機(jī)密信息保護(hù)、版權(quán)保護(hù)以及安全通信等領(lǐng)域中起到至關(guān)重要的作用，所以，信息隱藏技術(shù)引起了科研工作者的廣泛關(guān)注，成為信息安全領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

上述傳統(tǒng)的信息隱藏算法，通常只考慮如何提取隱秘信息，而沒有考慮如何恢復(fù)原宿主信號(hào)。在一些應(yīng)用場(chǎng)合如醫(yī)學(xué)診斷、法庭舉證、藝術(shù)作品中，不光需要嵌入隱秘信息對(duì)宿主媒介進(jìn)行保護(hù)，還需要適時(shí)地能夠無(wú)失真地恢復(fù)出原始的宿主媒質(zhì)，傳統(tǒng)的信息隱藏算法不能滿足其要求。作為信息隱藏技術(shù)的一個(gè)新的分支，可精確恢復(fù)原媒質(zhì)信息的可逆信息隱藏技術(shù)最近正被廣泛研究?？赡嫘畔㈦[藏主要是指在嵌入信息時(shí)，雖然可能會(huì)對(duì)宿主數(shù)據(jù)的質(zhì)量造成一定的破壞，但如果隱藏載體在傳輸過(guò)程沒有發(fā)生變化，那么合法用戶和權(quán)威機(jī)構(gòu)在接收端可以根據(jù)提取算法提取出隱藏信息，并能夠修復(fù)失真，實(shí)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)恢復(fù)?？赡嫘畔㈦[藏技術(shù)與一般的隱藏技術(shù)沒有原理上的本質(zhì)區(qū)別，但是可逆技術(shù)在合法用戶得到嵌入信息的過(guò)程中，將因信息嵌入而引起的宿主數(shù)據(jù)失真完全修正。這種技術(shù)在醫(yī)學(xué)、軍事、法律證據(jù)中有著非常廣泛的應(yīng)用前景。

當(dāng)前基于圖像的可逆信息隱藏算法可以分為兩類，一類是以JPEG圖像為載體的可逆隱藏，由于載體的局限性，該類算法隱藏容量較小，第二類是以BMP圖像為載體的可逆隱藏，BMP圖像的內(nèi)容豐富，隱藏容量較大且形成較完整的算法族。分析不同類型的算法，對(duì)可逆信息隱藏算法的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

1　可逆信息隱藏概念及模型

可逆信息隱藏又稱無(wú)損信息隱藏，作為信息隱藏一個(gè)重要分支，其具有信息隱藏的不可見性、不可測(cè)行、魯棒性、穩(wěn)定性和安全性等特征。近年來(lái)受到科研工作者的廣泛關(guān)注，該技術(shù)不但能從載密信息中正確地提取出秘密信息，還能恢復(fù)出原始的載體信息。所以該技術(shù)被廣泛用于軍事、醫(yī)療、文物保護(hù)和法律對(duì)載體信息要求高等領(lǐng)域中?？赡嫘畔㈦[藏的模型如圖1所示，秘密信息與密鑰K相結(jié)合，通過(guò)可逆嵌入算法隱藏到載體中，形成含載密圖像，接收端以K為密鑰，通過(guò)提取算法提取出秘密信息和原始載體圖像。

圖1　可逆信息隱藏算法模型

2　可逆信息隱藏關(guān)鍵技術(shù)

目前可逆信息隱藏基本都是以圖像為載體，以載體圖像形式的不同，可將可逆信息隱藏分為基于BMP圖像的可逆信息隱藏算法和基于JPEG圖像的可逆信息隱藏算法。在以BMP圖像為載體的隱藏中，秘密信息隱藏在圖像的像素中，在以JPG圖像為載體的隱藏中，秘密信息一般隱藏在DCT系數(shù)中或在編碼中的比特流中。

（1）基于JEPG圖像的可逆信息隱藏算法

目前對(duì)于基于JPEG圖像的無(wú)損信息隱藏算法的研究較少，主要通過(guò)修改DCT系數(shù)或修改壓縮過(guò)程中的編碼實(shí)現(xiàn)可逆隱藏，在這一類研究中沒有較成型的算法族。Lee等人[3]通過(guò)原始量化表和修改后的量化表將原始DCT系數(shù)匹配到較大的DCT系數(shù)，將秘密信息隱藏在得到較大的DCT系數(shù)中，該方法修改了量化表使載密圖像具有較好的PSNR,但是數(shù)據(jù)安全性不高。Zhang等人[4]在兩個(gè)非零的系數(shù)中嵌入兩位秘密信息，在兩個(gè)零系數(shù)中嵌入三位秘密信息，對(duì)不嵌入秘密信息的系數(shù)進(jìn)行修改。Qian等人[5]將秘密信息隱藏在JEPG圖像存儲(chǔ)的二進(jìn)制流中，根據(jù)JPEG定義162種不同的變長(zhǎng)編碼的AC系數(shù)，但在壓縮過(guò)程中較多編碼沒有被使用，統(tǒng)計(jì)JPEG圖像中AC系數(shù)的變長(zhǎng)編碼，根據(jù)秘密信息將未使用的變長(zhǎng)編碼替換已使用的變長(zhǎng)編碼，實(shí)現(xiàn)秘密信息的隱藏。

（2）基于BMP圖像的可逆信息隱藏算法

在基于BMP圖像的可逆信息隱藏算法中，將秘密信息隱藏在圖像像素中是利用了人眼系統(tǒng)的局限性和圖像像素值中的冗余性，通過(guò)修改在一定范圍內(nèi)調(diào)整圖像的像素值將秘密信息隱藏到圖像的像素中，其中最簡(jiǎn)單的一種算法就是LSB（Least Signification Bit）算法，即修改像素的最低有效位，將一位秘密信息隱藏在這個(gè)像素值中。這種替換方式具有容量大，低失真并且計(jì)算簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。Fridrich[6~7]提出過(guò)通過(guò)無(wú)損壓縮方法產(chǎn)生用于隱藏信息的空間，以達(dá)到無(wú)損隱藏的效果。但這種方法的隱藏容量很低，主要應(yīng)用于取證或水印中。Celik等[8]提出G-LSB算法，用無(wú)損壓縮算法壓縮像素量化后的差值得到隱藏空間來(lái)隱藏信息。與Fridrich等人的隱藏算法相比，該算法有較大的嵌入量且載密圖像失真度較小。

Tian[9~11]提出一種擴(kuò)展像素間差值（DE）的算法，先求出相鄰的差值，然后將差值擴(kuò)大一倍后加上一位秘密信息得到新的差值，根據(jù)新差值修改兩個(gè)像素值，修改后兩個(gè)像素值的差值等于新的差值，從而實(shí)現(xiàn)一位秘密信息的隱藏，該算法的嵌入容量為0.5 bpp。該算法還需要保存一個(gè)矩陣來(lái)標(biāo)記每對(duì)像素是否藏有秘密信息。差分?jǐn)U展算法的基本原理如下：

設(shè)一對(duì)數(shù)據(jù)（x,y），則這對(duì)數(shù)據(jù)的差值和均值的計(jì)算方法如公式（1）和公式（2）所示：其中符號(hào)代表向下取整。設(shè)需要嵌入的秘密信息為wi，秘密信息的嵌入如公式（3）所示：

h1=2h+wi（3）

其中h1為差值擴(kuò)展后的差值，按公式（4）、（5）通過(guò)逆變化后可得到隱藏信息后的新數(shù)據(jù)（x′，y′）

為了提取秘密信息，恢復(fù)原始的數(shù)據(jù)，將x′，y′代入公式（1）、（2），可得到的新的差值h′和均值l′。根據(jù)公式（6）、（7）可提取秘密信息wi，恢復(fù)原始差值h。將l′和h分別代入公式（4）、（5），可恢復(fù)原始的數(shù)據(jù)（x，y）。

Alattar[12]將Tian的算法從兩個(gè)像素?cái)U(kuò)展到連續(xù)的多個(gè)像素中，能實(shí)現(xiàn)在n個(gè)像素中隱藏n-1位秘密信息，從而將隱藏容量從0.5 bpp增加到（n-1）/n bpp。Tseng和Chang[13]改進(jìn)了Tian的算法，提出了可移動(dòng)差值概念，在不降低圖像質(zhì)量的前提下提高了秘密信息的嵌入容量。

Ni等人[14]提出用偏移一幅圖像的像素直方圖來(lái)實(shí)現(xiàn)可逆隱藏。先統(tǒng)計(jì)像素的直方圖，確定出現(xiàn)次數(shù)最多的和最少的像素值，即直方圖中的最大值和最小值，修改圖像中像素值介于最大值和最小值之間的像素，使其值均減一，獲取隱藏空間。修改載體圖像中出現(xiàn)次數(shù)最多的像素，使其像素值加1（或減1）嵌入信息1或者保持不變來(lái)嵌入信息0。修改三組直方圖中最大值和最小值之間的像素值來(lái)提高隱藏容量，并記錄最值，以便能正確地提取。由于直方圖偏移算法的嵌入容量不高，M.Fallahpour和M.H.Sedaaghi[15]改進(jìn)Ni的算法，對(duì)圖像分塊后，尋找多個(gè)最大值和最小值對(duì)用來(lái)隱藏，從而增大了隱藏信息的容量。

還有一部分基于直方圖的可逆信息隱藏算法是利用差值直方圖實(shí)現(xiàn)隱藏。根據(jù)不同的方法產(chǎn)生一系列的像素預(yù)測(cè)值，通過(guò)像素的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的差值，并統(tǒng)計(jì)出差值的直方圖，找出直方圖中峰值點(diǎn)和最小值點(diǎn)，表示出現(xiàn)次數(shù)最多和最少的差值，平移差值直方圖中介于峰值點(diǎn)與零值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的差值，獲取嵌入的空間。Chang等人[16]改進(jìn)了Ni等人的算法，利用圖像中相鄰像素相關(guān)性很強(qiáng)的性質(zhì)，求出相鄰像素之間的差值，并在差值直方圖中隱藏秘密信息，隱藏容量比Ni等人的算法高。

近年來(lái)，張興鵬等人[17~20]在加密域上實(shí)現(xiàn)可逆信息隱藏，首先對(duì)一幅載體圖像進(jìn)行加密得到加密圖像，然后在加密圖像中隱藏秘密信息。該類算法不但能保證秘密信息和原始圖像的提取和恢復(fù)，而且通過(guò)加密技術(shù)使原始載體圖像對(duì)外不可見，不僅保證了秘密信息的安全，還保證原始載體圖像的安全，使可逆信息隱藏進(jìn)一步在軍事、法律等領(lǐng)域得到應(yīng)用。在加密域上的可逆信息隱藏將有較大的發(fā)展空間。

3　結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹了無(wú)失真可逆信息隱藏算法。根據(jù)圖像形式的不同，將現(xiàn)有的可逆信息隱藏算法分為兩類。一類是基于JPEG圖像，一類是基于BMP圖像。文中分析基于這兩類圖像的不同隱藏方法，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)前可逆信息隱藏算法研究主要在保證宿主質(zhì)量（PSNR）的前提下，如何提高嵌入容量的問(wèn)題，因此，可逆信息隱藏依然有著潛在的發(fā)展空間，還有待于更進(jìn)一步的研究。另外加密域上的可逆信息隱藏算法將會(huì)是以后研究的重點(diǎn)。Journal of Pattern Recognition and Artificial Intelligence,2010，24（3）：433~456

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Reversible Information Hiding Steganography;Embedding Algorithms

Summary of Reversible Information Hiding

YU Chun-qiang，PENG Qi，CHEN Yan

（Network Center，Guangxi Normal University，Guilin 541004）

Briefly introduces the basic concept and main features of reversible information hiding techniques,describes a general model of reversible information hiding system and lists related critical techniques.Furthermore,analyzes existing problems of reversible information hiding techniques.In conclusion,points out its development direction based on the analysis.

廣西教育廳立項(xiàng)項(xiàng)目（No.LX2014056）

1007-1423（2015）11-0068-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.11.014

俞春強(qiáng)（1988-），男，江西上饒人，碩士研究生，助教，研究方向?yàn)閳D像處理

彭琦（1988-），男，廣西桂林人，碩士研究生，助教，研究方向?yàn)樽匀徽Z(yǔ)言處理

陳艷（1977-），女，江蘇蘇州人，學(xué)士，講師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

2015-02-12

2015-03-18