企業(yè)網(wǎng)環(huán)境下基于空間域的大容量圖像隱蔽傳輸系統(tǒng)設(shè)計探討

蔡 正 保

(安徽國防科技職業(yè)學(xué)院信息工程系，安徽 六安 237011)

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企業(yè)網(wǎng)環(huán)境下基于空間域的大容量圖像隱蔽傳輸系統(tǒng)設(shè)計探討

蔡 正 保

(安徽國防科技職業(yè)學(xué)院信息工程系，安徽 六安 237011)

目的針對當(dāng)前一些需要保密的數(shù)字圖像在網(wǎng)絡(luò)中不能安全傳輸、容易被第三者識別并非法利用的情況，設(shè)計一種新的數(shù)字圖像隱藏算法，并根據(jù)算法設(shè)計一款適用于企業(yè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的圖像隱蔽傳輸系統(tǒng)。方法分析數(shù)字圖像常見隱藏算法在隱藏容量方面存在不足的問題，在空間域算法基礎(chǔ)上改進(jìn)基于像素對匹配的大容量圖像隱藏算法，根據(jù)算法對秘密圖像的嵌入和提取進(jìn)行控制；總結(jié)圖像隱藏評價方法來測試算法的圖像隱藏效果；以圖像隱藏算法為基礎(chǔ)，明確圖像隱蔽傳輸系統(tǒng)的要求與功能，構(gòu)建系統(tǒng)整體架構(gòu)；對企業(yè)網(wǎng)環(huán)境做出分析，結(jié)合系統(tǒng)的特點，選擇基于TCP/IP協(xié)議的Socket進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。結(jié)果改進(jìn)的基于空間域的圖像隱藏算法秘密圖像嵌入量大，與同類算法相比，在同等隱藏容量的情況下，算法能夠獲得更優(yōu)的隱藏質(zhì)量、嵌入效率，對通用隱藏分析攻擊更魯棒，能夠有效解決大容量數(shù)字圖像隱藏質(zhì)量不高的問題；圖像隱藏評價方法能合理地對圖像隱藏效果進(jìn)行評價；設(shè)計的圖像隱蔽傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、易于操作，在企業(yè)網(wǎng)環(huán)境下能很好地實現(xiàn)數(shù)字圖像的安全傳輸。結(jié)論基于空間域技術(shù)的大容量圖像隱蔽傳輸系統(tǒng)可滿足圖像傳輸過程中的隱蔽性和安全性需求，并且執(zhí)行效率高，可應(yīng)用于大數(shù)據(jù)環(huán)境下隱私保護(hù)等對載荷要求高的圖像隱蔽傳輸領(lǐng)域，系統(tǒng)在圖像隱蔽傳輸方面具有一定的應(yīng)用價值。

空間域；大容量；圖像；算法；TCP/IP；隱蔽；傳輸系統(tǒng)

0　引　言

大容量圖像隱藏技術(shù)應(yīng)用前景廣闊，近幾年在國外發(fā)展非常迅速，它正在信息安全領(lǐng)域展現(xiàn)出其相對傳統(tǒng)圖像隱藏技術(shù)的優(yōu)越性，對這項新技術(shù)的研發(fā)是大勢所趨。盡管國內(nèi)已有不少科研院所投入研究，并初步得到應(yīng)用，但國內(nèi)的大容量圖像隱藏技術(shù)發(fā)展較慢[1]。逐步研究自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品、技術(shù)，將具有重要的社會經(jīng)濟(jì)效益。盡管國內(nèi)很多人在這方面進(jìn)行了較為深入的研究，但仍有很多問題有待解決。而目前圖像隱藏容量不高的問題，在一定程度上影響了該技術(shù)的推廣應(yīng)用效果[2]。進(jìn)一步研究大容量圖像隱藏技術(shù)，將直接推動信息安全技術(shù)的發(fā)展。而設(shè)計一款適用于企業(yè)網(wǎng)環(huán)境下的圖像隱蔽傳輸系統(tǒng)可滿足政企部門對重要數(shù)據(jù)圖像的保密傳輸需求。

1　基于空間域的大容量圖像隱藏算法分析

最不重要位算法(least significant bit,LSB)為空間域算法最典型的算法，LSB技術(shù)原理是將需要隱藏的秘密圖像信息替換到載體圖像信息的低位，因改變原始載體圖像信息的低位對圖像整體的視覺效果影響比較微小，人類肉眼難以察覺圖像的變化[3]。但簡單LSB技術(shù)在圖像隱藏容量以及安全性等方面較差，可在該技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。在圖像處理過程中需要隱藏信息時，可通過改變相鄰像素間的差分來實現(xiàn)。

改進(jìn)的算法應(yīng)能在保證偽裝圖像視覺質(zhì)量和秘密圖像隱蔽性的前提下大幅提升了圖像隱藏量和嵌入效率。在圖像隱藏之前，采用像素對匹配規(guī)則對圖像進(jìn)行預(yù)處理。不同的匹配方法產(chǎn)生不同的宿主像素對的攤列組合[4]。這是一個很龐大的信總空間，不了解準(zhǔn)確匹配規(guī)則的信息侵犯者很難破譯。函數(shù)在信息提取中扮演著非常重要的角色，成為圖像嵌入和提取的關(guān)鍵。只有合法的接收者才有可能根據(jù)函數(shù)來提取出正確的隱藏信息。改進(jìn)的信息隱藏算法在能獲得較高的隱藏容量的同時還可滿足隱蔽性和安全性需求，并且執(zhí)行效率高，可應(yīng)用于大數(shù)據(jù)環(huán)境下隱私保護(hù)等對載荷要求高的圖像隱藏領(lǐng)域[5]。與同類算法相比，在同等隱藏容量的情況下，算法能夠獲得更優(yōu)的隱藏質(zhì)量、嵌入效率，對通用隱藏分析攻擊更魯棒。

2　秘密圖像的嵌入和提取

2.1秘密圖像嵌入

選擇載體圖像A，得到A的大小，設(shè)為M(字節(jié))。根據(jù)圖像的結(jié)構(gòu)及存儲特點，選擇嵌入圖片B，得到B的大小，假設(shè)為N(字節(jié))。假設(shè)需嵌入位平面數(shù)為T(0≤T≤8)，根據(jù)數(shù)學(xué)公式可知需要嵌入保存的數(shù)據(jù)量L。使用嵌入算法將秘密圖像嵌入到載體圖像中。圖1即是嵌入過程的流程圖。

2.2秘密圖像提取

打開隱藏信息的圖片C，檢測是否含有秘密圖像，根據(jù)提取嵌入信息的大小L。設(shè)計出提取算法，根據(jù)算法，將秘密圖像從載體圖像中提取出來。圖2即提取過程的流程圖。

圖1　圖像嵌入流程圖

圖2　圖像提取流程圖

3　圖像信息隱藏算法評價

3.1視覺效果與隱藏容量評價

在對圖像隱藏算法進(jìn)行評價時，可根據(jù)峰值信噪比(PSNR)來衡量圖像的失真情況，其中的主要衡量指標(biāo)就是均方根誤差以及峰值信噪比[6]。令f(x,y)為原始載體圖像，f′(x,y)為含密圖像，f′(x,y)和f(x,y)2個函數(shù)比較接近，其誤差是：

(1)

若兩幅圖像的尺寸均為M×N，那么這兩幅圖像之間的誤差為：

(2)

可以得出f′(x,y)和f(x,y)之間的均方根誤差RMSE，如下所示：

(3)

由式(1)～(3)得，RMSE越小，原始載體圖像和含密圖像就越相似。設(shè)噪聲為e(x,y)，則可將f′(x,y)看作f(x,y)與e(x,y)的和，此時，含密圖像的均方根差信噪比SNRms為：

(4)

再將SNRms歸一化處理，并采用分貝(dB)來表示。令:

(5)

得到下式：

(6)

如果fmax=max{f(x,y),x=0,1,…，M-1，y=0,1,…,N-1}，可以得出峰值信噪比

(7)

根據(jù)上述運(yùn)算，PSNR為原始載體圖像與其嵌入秘密圖像后的2幅圖像相對應(yīng)像素點灰度差的積累。當(dāng)PSNR越大，2幅圖像的相似度就越高，秘密圖像的隱藏效果就越好[7]。

在秘密圖像隱藏的過程中，可分析含密圖像相對于載體圖像的變化。適時記錄隱藏量、峰值信噪比(PSNR)，并與其它算法進(jìn)行比較。PSNR大于38 dB，人類肉眼便不能感知圖像質(zhì)量的變化[8]。根據(jù)n取值和PSNR值驗證秘密圖像的嵌入量。PSNR值越大，含密圖像的視覺隱蔽性就越好。在PSNR值符合要求的情況下，秘密圖像的嵌入量越大，算法的圖像隱藏容量就越好[9]。

3.2魯棒性評價

在魯棒性評價方面，采用含密圖像的抗剪切能力來分析，將含密圖像去除一部分后再提取秘密圖像，并分析秘密圖像的隱藏效果。例如：在去除含密圖像的5%、10%、20%、40%的情況下，分析提取出秘密圖像的效果。

4　企業(yè)網(wǎng)環(huán)境分析與系統(tǒng)通信設(shè)計

圖像安全傳輸系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)可依托企業(yè)網(wǎng)，在企業(yè)網(wǎng)通信方面運(yùn)用TCP/IP的Socket協(xié)議，并對其設(shè)定一系列規(guī)則[10]。在通信編程方面采用TCP網(wǎng)絡(luò)編程，分為服務(wù)器端以及客戶端兩大部分，以這兩大部分為核心進(jìn)行程序設(shè)計。詳細(xì)通信流程見圖3。

圖3　系統(tǒng)通信流程圖

5　圖像隱蔽傳輸系統(tǒng)設(shè)計

在研究秘密圖像隱蔽傳輸實際需求的基礎(chǔ)上能夠得出系統(tǒng)的工作流程。以傳輸1幅秘密圖像為例，系

圖4　系統(tǒng)工作流程

統(tǒng)用戶先將秘密圖像隱藏到原始載體圖像可得與載體圖像視覺效果相當(dāng)?shù)暮軋D像，再把含密圖像通過企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)發(fā)送至服務(wù)器；服務(wù)器處理并轉(zhuǎn)發(fā)含密圖像；接收方接收服務(wù)器發(fā)來的含密圖像后提取出原始秘密圖像。該過程實現(xiàn)了秘密圖像的隱蔽傳輸。系統(tǒng)工作流程如圖4所示。

在系統(tǒng)中，大部分圖像處理是在收發(fā)雙方。因需要適時對圖像進(jìn)行處理，在發(fā)送方和接收方都要安裝數(shù)據(jù)庫來存放圖像。含密圖像的轉(zhuǎn)發(fā)由服務(wù)器來完成，服務(wù)器中需安裝數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)的用戶管理等工作均由服務(wù)器承擔(dān)。系統(tǒng)的總體框架見圖5。

圖5　圖像隱蔽傳輸系統(tǒng)框架

6　實驗分析

在企業(yè)網(wǎng)環(huán)境下組建一臺圖像傳輸服務(wù)器，并安裝SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫以及服務(wù)器子系統(tǒng)；企業(yè)網(wǎng)中的其他計算機(jī)均可作為圖像傳輸?shù)陌l(fā)送方和接收方，需要安裝SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫和發(fā)送(接收)子系統(tǒng)。

對于載體圖像的選擇，這里習(xí)慣性地選用灰度Lena圖(256×256)，為了對比改進(jìn)算法的圖像隱藏效果，可分別選取256×256、128×128的2個二值圖像作為秘密圖像,測試圖像如圖6所示。分別嵌入2個二值圖像得到的2個含密圖像如圖7所示，由含密圖像提取出的秘密圖像如圖8所示。并根據(jù)操作結(jié)果數(shù)據(jù)應(yīng)用第三節(jié)所述的評價方法來對系統(tǒng)的圖像隱蔽傳輸性能進(jìn)行評價，見表1。由含密圖像以及提取出的秘密圖像視覺效果以及表1數(shù)據(jù)可知算法的圖像嵌入量大，隱藏效果好。

(a)lena圖(256×256)　　　　(b)秘密圖像1(synthetic,256×256)　　　(c)秘密圖像2(tire,128×128)

載體Lena圖(256×256)秘密圖像Lena含密圖像提取出的秘密圖像PSNR(dB)圖6(a)圖6(b)圖7(a)圖8(a)48.1367圖6(a)圖6(c)圖7(b)圖8(b)54.5162

(a)嵌入synthetic的含密圖像1　　(b)嵌入tire的含密圖像2

圖7生成的含密圖像

(a)提取出的synthetic圖　　(b)提取出的tire圖

圖8提取出的秘密圖像

再對圖7所示的2個含密圖像分別進(jìn)行剪切攻擊，在分別剪切5%、10%、20%、40%的情況下，提取出秘密圖像，如圖9所示?？梢姡軋D像在剪切面積小于20%的情況下提取出的秘密圖像在視覺效果上沒有異樣，說明算法的抗剪切能力很強(qiáng)。

(a)含密圖像剪切5%、10%、20%、40%提取出的秘密圖像synthetic

(b)含密圖像剪切5%、10%、20%、40%提取出的秘密圖像tire

由以上實驗分析可知，系統(tǒng)算法的圖像隱藏性能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，在獲得了大容量圖像隱藏效果的同時，有較強(qiáng)的魯棒性，系統(tǒng)能保證圖像傳輸?shù)陌踩阅堋?/p>

7　結(jié)　論

探討了基于空間域大容量圖像隱藏算法的同時，給出了圖像隱藏效果的具體評價方案，并根據(jù)算法設(shè)計了圖像隱蔽傳輸系統(tǒng)。系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu)，依托企業(yè)網(wǎng)，選擇基于TCP/IP協(xié)議的Socket進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。系統(tǒng)在圖像隱蔽傳輸方面具有一定的應(yīng)用價值，適用于政企部門數(shù)據(jù)圖像安全傳輸?shù)?，可?chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]趙昆,林家駿.基于JPEG及擴(kuò)展DCT塊變換的新型大容量隱藏算法[J].華東理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2012,38(04):495-499.

[2]Mielikainen J.LSB Matching Revisited[J].IEEE Signal Proc Lett,2012,13(05):285-287.

[3]卜毅,曹漢強(qiáng).一種空間域BPCS信息隱藏的改進(jìn)算法[J].中國圖像圖形學(xué)報,2013,13(03):406-410.

[4]Shi P P,Li Z H.An improved BPCS steganography based on dynamic threshold[A].2010.International Conference on Multimedia Information Networking and Security[C].Nanjing,China,2013:388-391.

[5]Hong W,Chen T S,Luo C W.Data embedding using pixel value differencing and diamond encoding with multiple-base notational system[J].J Syst Softw,2012,85(05):1166-1175.

[6]張新鵬,王朔中.對空間域BPCS密寫的統(tǒng)計分析[J].計算機(jī)輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報,2014,17(07):1625-1629.

[7]彭可亮.基于LSB的空域圖像隱寫與檢測技術(shù)研究[D].昆明：云南大學(xué),2014.

[8]Wang C M,Wu N I,Tsai C S.A high quality steganographic method with pixel-value differencing and modulus function[J].J Syst Softw,2011,81(01):150-158.

[9]Munuera C.Steganography and error-correcting codes[J].Signal Proc,2014,87(06):1528-1533.

[10]鄧藝,趙險峰,馮登國.基于非均勻DCT的量化索引調(diào)制隱藏[J].電子與信息學(xué)報,2013,2(30):323-328.

[責(zé)任編輯：劉守義英文編輯：劉彥哲]

Design of Large Capacity Image Covert Transmission System Based on Spatial Domain in Enterprise Network Environment

CAI Zheng-bao

(Department of Information and Engineering,Anhui Vocational College of Defense Technology,Liuan,Anhui 237011,China)

ObjectiveCurrently,some of the digital image which should be kept secret may not be transmitted safely in network,because it is easy to identify and be illegally applied by the third party.A new algorithm to hide digital image was designed and based on this algorithm an image hidden transmission system applicable to the enterprise network environment was designed.MethodsAfter analysis of deficiencies in hidden capacity of common digital image-hiding algorithm,based on the spatial domain algorithm,the image-hiding algorithm of large capacity in pixel matching was improved.According to the algorithm the embedding and extraction of the secret image were placed under control.The image-hiding evaluation methods were sum up to test the image-hiding effect of algorithm.Based on the image-hiding algorithm,the requirements and functions of image-hiding transmission system were made clear to build the overall framework of the system.The environment of enterprise network was analyzed.In combination with the characteristics of the system,the socket in TCP/IP protocol in network communication was selected.ResultsThe improved image-hiding algorithm based on spatial domain had a large hiding capacity.Compared with other similar algorithms,the algorithm had a better hidden quality and embedding efficiency in the case of the same hidden capacity,and had strong robustness to general attack.This algorithm effectively solved the problem of insufficient quality in high capacity digital image hiding.The hidden image evaluation method reasonably evaluated the effect of image hiding.The image covert transmission system was simple and easy to operate in the enterprise network environment and better achieved the safe digital image transmission.ConclusionLarge capacity image covert transmission system based on spatial domain technology could meet the needs of concealment and security in image transmission with high execution efficiency.It could be applied to the privacy protection in large data environment,such as the hidden transmission of the image area with high load requirements.And the system could have certain application value in image covert transmission area.

spatial domain;large capacity;image;algorithm;TCP/IP;hiding;transmission system

安徽省自然科學(xué)研究重點項目(KJ2016A116)

蔡正保(1984-)，男，安徽六安人，講師，碩士，主要研究方向：信息安全技術(shù)。

TP 399

A

10.3969/j.issn.1673-1492.2016.09.005