互動式《俄羅斯方塊》游戲安全隱寫

溫　濤，陳夠喜，李瑞林

（中北大學(xué) 軟件學(xué)院，山西 太原030501）

互動式《俄羅斯方塊》游戲安全隱寫

溫濤，陳夠喜，李瑞林

（中北大學(xué) 軟件學(xué)院，山西 太原030501）

隱寫技術(shù)的安全性是信息隱藏的最大約束，基于圖像或音頻等載體的隱寫方案的安全性還需要很大的提升?；趶V義信息隱藏的核心原理提出一種在《俄羅斯方塊》游戲中的安全隱寫方法。首先詳細(xì)說明了如何通過該方法隱藏信息，其次提供了一個在《俄羅斯方塊》游戲中實現(xiàn)隱秘通信的完整方案，最后通過理論分析證明其是S1安全的。實驗部分不僅驗證其安全性，還指出在嵌入容量方面的提升。

隱蔽通信；信息隱藏；俄羅斯方塊；安全性

0　引言

信息隱藏是指通信雙方在有第三方的監(jiān)視下，將秘密信息以一種不可見的方式傳輸，常被應(yīng)用于軍事領(lǐng)域等一些重要場合。信息隱藏技術(shù)一直是信息安全領(lǐng)域的重要組成部分，在過去的20年內(nèi)，信息隱藏技術(shù)得到極大的發(fā)展。首先是隱藏域的擴大，從剛開始的空域、頻域，到近些年新提出的加密域［1］等，它們都是將載體做信號變換處理，然后將秘密信息嵌入到變換后的載體中，第三方無法輕易判斷出載體是否攜帶秘密信息；其次是隱藏算法的增加，最開始提出的是圖像空域LSB算法［2］，該算法嵌入容量大且易實現(xiàn)，使用極為廣泛，但是容易被卡方檢驗等統(tǒng)計分析方法判斷出是否攜帶有秘密信息；DE算法［3］是最常見的可逆隱藏算法，但是由于嵌入容量較小，魯棒性較差，受到壓縮、變形等攻擊后不能無損的恢復(fù)，實際情況中依舊不被廣泛使用；最后是隱藏載體的增多，從被研究最早同時也是最徹底的圖像載體［4］和音頻載體，到 PowerPoint文件［5］和 TCP幀［6］等載體中都可以實現(xiàn)信息隱藏。

在游戲中隱藏信息以實現(xiàn)隱秘通信引起一些國內(nèi)外學(xué)者的注意，他們利用游戲的各種特點，在不改變游戲規(guī)則的前提下，同樣實現(xiàn)信息隱藏。吳軍等［7］提出一種基于《七巧板》游戲的圖像信息偽裝算法，將機密數(shù)字圖像和載體圖像分成適當(dāng)?shù)男K，按一定的條件尋找匹配關(guān)系,然后將描述匹配關(guān)系的參數(shù)經(jīng)編碼后隱藏在載體圖像之中,到接收方提取出描述匹配關(guān)系的參數(shù),然后利用這些匹配關(guān)系恢復(fù)出機密圖像。Hernandez-Castro等［8］提出在游戲中實現(xiàn)信息隱藏的框架，并將其應(yīng)用于《圍棋》游戲中；Lee等［9］提出在《迷宮》游戲中的隱藏方法，將信息隱藏在解密該迷宮的路徑中，只有知道這種方法的人才可以獲取到秘密信息。但是，它們的嵌入容量都受到游戲自身大小的限制；Zhan-He［10］等在《俄羅斯方塊》游戲中實現(xiàn)信息隱藏，將游戲中7種不同的板塊抽象為數(shù)字0～6，采用了基于七進制而非廣泛應(yīng)用的二進制編碼秘密信息。

本文同樣提出一種基于《俄羅斯方塊》游戲的信息隱藏方法，與文獻［10］不同的是，本文的方案適用于二進制編碼表示的信息，且在嵌入容量方面優(yōu)于文獻［10］。

1　關(guān)于《俄羅斯方塊》游戲

《俄羅斯方塊》是由俄羅斯人阿列克謝·帕基特諾夫發(fā)明的一款休閑游戲。該游戲由4個小方塊組成的不同形狀的板塊陸續(xù)從屏幕上方落下來，板塊可以旋轉(zhuǎn)和調(diào)整位置，使它們在屏幕底部拼出完整的一條或幾條，這些完整的橫條會隨即消失，給新落下來的板塊騰出空間，與此同時，玩家得到分?jǐn)?shù)獎勵。沒有被消除掉的方塊不斷堆積起來，一旦堆到屏幕頂端，玩家便告輸，游戲結(jié)束。

2　本文方案

本文的核心思想是：在不改變游戲規(guī)則的前提下，將秘密信息加載到游戲中板塊的下落過程中，從而實現(xiàn)信息隱藏。

2.1隱寫原理

《俄羅斯方塊》游戲中共有7種不同的板塊，分別用ti(i∈［0，6］∩Z)表示，如圖1所示。

圖1　板塊示意圖

其中每個板塊可以攜帶 3 bit信息 I=｛i0i1i2|i0，i1，i2∈｛0，1｝｝，ik(k=0，1，2)的取值分別如下：

(1)i0的取值：t0板塊的落下不攜帶任何信息，其余 6種板塊 ti(i=1，2，3，4，5，6)根據(jù)形態(tài)變化的數(shù)量分為兩個板塊組，其中，表示有兩種形態(tài)變化的組為 M0=｛t1，t2，t3｝，表示有 4種形態(tài)變化的組為 M1=｛t4，t5，t6｝。如果本次落下的板塊 ti屬于 M0，i0=0；否則，如果本次落下的板塊ti屬于 M1，則i0=1。

(2)i1的取值：不同的板塊組有不同的形態(tài)變化，如圖1所示，其中t0板塊沒有變化，M0中的板塊有兩種形態(tài)的變化，分別用 a、b表示；M1中的板塊有 4種形態(tài)的變化，分別用 a、b、c、d表示。每個板塊 ti的形態(tài)變化都是從a形態(tài)開始，順時針旋轉(zhuǎn)n×90°(n∈［0，3］∩Z)后得到。假設(shè)每個板塊初始落下的形態(tài)用v=0表示，每經(jīng)過一次旋轉(zhuǎn)v+1(mod2)，i1的值為該板塊最終落到屏幕底部時的 v值。例如，設(shè)某板塊落下的初始形態(tài)為 t4.b，最終形態(tài)為 t4.a，期間需要順時針旋轉(zhuǎn) 3×90°，其形態(tài)與 v值如表1所示。

(3)i2的取值：每個板塊都是從游戲區(qū)域的中間落下。d為板塊最終落到屏幕底部的位置相對于初始位置的距離，如果d%2(%為取余運算)=1，則 i2=1，否則如果 d%2= 0，i2=0。如圖2、圖3所示，板塊最終落到屏幕底部的位置相對于初始位置的距離d=1，d%2=0,則此時i2=0。

圖2　板塊的初始位置

圖3　板塊的最終位置

綜上所述，一個板塊的從游戲區(qū)域的頂部落到區(qū)域底部可以攜帶 3 bit秘密信息，規(guī)則如表2所示。

表2　ik(k=0，1，2)的取值

2.2隱秘通信方案

一個完整的隱秘通信系統(tǒng)必須包括表示信息傳輸?shù)拈_始及結(jié)束的標(biāo)識，這部分將介紹它們，并就基于2.1的算法提供一個完整的方案。

該方案可以用元組表示：Ω＝｛P，W，R，I，G｝。P表示游戲雙方，P=｛Sender，Receiver｝；W 是第三方攻擊者，Wendy，他有能力破解該通信系統(tǒng)；R表示規(guī)則的集合，包括傳輸信息的開始規(guī)則、板塊下落攜帶信息規(guī)則以及信息傳輸?shù)耐瓿梢?guī)則等；I是秘密信息，I的內(nèi)容不能被W獲取到；G表示該《俄羅斯方塊》游戲。

該隱秘通信的方案如下：

(1)Sender和 Receiver之間共享一對公鑰和私鑰，Sender通過 RSA非對稱加密算法，將隨機種子 Rs加密，Rs的作用是生成偽隨機序列K(Ki∈｛0，1｝)，i∈0，1，2，…，M)，Sender利用該序列以按位異或的方式加密欲傳輸?shù)拿孛苄畔?I(Ii∈｛0，1｝)，i∈0，1，2，…，M)，得到 C，C是Sender在游戲中實際傳輸?shù)男畔?。C=ci=Ii⊕ki(i=0，1，2，…，M)。

(2)Sender將加密后的Rs（長度為L，且 Receiver已提前知悉）與 M bit信息按如下方式組合：Rs+C，并將其分為(M+L)/3組，分別用 T1，T1，…，Tk(k∈［1，(M+L)/3］)表示。對于每組 Tk，第一個比特的值決定該攜帶該組信息的板塊 ti∈M0還是 ti∈M1，Sender重新編程實現(xiàn)《俄羅斯方塊》游戲，特點如下：

①游戲G接收到Sender開始傳輸信息的信號之前，G中板塊落下規(guī)則與普通游戲相同。

②G接收到Sender開始傳輸信息的信號后，根據(jù)VTk選擇下落板塊 ti∈M0或 ti∈M1，并從它們中隨機選擇某個板塊ti落下。

③G接收到Sender完成信息傳輸?shù)男盘栔?，G將板塊下落規(guī)則恢復(fù)成正常游戲的規(guī)則。Sender將重新編程后的游戲上傳到在線游戲網(wǎng)站中。

(3)Sender邀請Receiver參與在線《俄羅斯方塊》游戲，模式為雙人競賽模式。

(4)當(dāng)Sender第一次消去完整的橫條時，表示下一次落下的板塊中攜帶有信息。

(5)Receiver收到 Sender開始傳輸信息的信號后，開始記錄Sender端每一個板塊的下落、旋轉(zhuǎn)和移動等相關(guān)信息。

(6)當(dāng)Sender將某個板塊快速地落到屏幕最底層，表示他已經(jīng)完成Rs+C的傳輸。Receiver收到此信號后，停止記錄板塊的信息，并根據(jù)2.1所述原理，得到與Sender相同的種子 Rs和加密后的信息 C，生成與 Sender相同的偽隨機序列K，解密后得到秘密信息I：ci⊕ki=Ii⊕ki⊕ki=Ii(i=0，1，2，…，M)。

(7)如果信息傳輸完成時，Sender或Receiver還未完成游戲，則繼續(xù)完成游戲即可，此后的游戲并不影響信息傳輸；若Sender的游戲已經(jīng)結(jié)束，但信息還未完成傳輸，Sender要重新開始下一局游戲，重復(fù)步驟(3)～(6)，直到所有的信息傳輸完成。

注意：為提高方案的安全性，在攜帶信息的板塊中，每7個至少有一個t0板塊。同時，要保證每局游戲的 Rs均不同。

3　安全性分析

信息隱藏技術(shù)最重要的指標(biāo)是其安全性。信息隱藏的安全性分為兩類［11］：

第一類：信息隱藏技術(shù)是S1安全的，是指攻擊者W沒有合理的理由證明經(jīng)過傳輸信息的通訊信息S中隱藏有秘密信息I。

第二類：信息隱藏技術(shù)是S2安全的，是指攻擊者W無法破壞經(jīng)過傳輸信道的通信信息S中隱藏的所有秘密信息I。

4　實驗

從《俄羅斯方塊》官方網(wǎng)站中選擇3種不同種類的游戲，每種游戲落下的板塊均總數(shù)超過 10 000，分別記錄7種板塊出現(xiàn)的次數(shù)，并計算其頻率。同時，選取不同大小的3組比特序列，分別用本文提到的算法和文獻［10］的算法傳輸，記錄3局游戲中每個板塊出現(xiàn)的頻率，如圖4所示。

圖4　板塊頻率圖

從圖中可以看出，普通《俄羅斯方塊》游戲的板塊頻率出現(xiàn)在［0.135,015］內(nèi)，接近 1/7（約為 0.143），而本文提到的算法中板塊的頻率同樣浮動在1/7上下，由此可證明該算法是S1安全的。

在上述實驗的同時，同時記錄下文獻［10］的算法與本文提到的算法中的核心板塊的數(shù)量，如表3所示。

由表中數(shù)據(jù)可知，本算法在嵌入容量方面高于文獻［10］。

表3　板塊數(shù)量

5　結(jié)論

本文提出了一種新穎的安全隱寫方法，在《俄羅斯方塊》游戲中隱藏信息，首先依據(jù)板塊的變化數(shù)量，將板塊分類，然后通過板塊的移動、旋轉(zhuǎn)等方式，在板塊的落下過程中攜帶信息，每個板塊都可以攜帶3 bit的信息。本文從理論和實驗方面，分別證明了本算法可達到S1安全，同時分析證明了本方案在嵌入容量方面得到提升。由于本文的方案在嵌入容量方面依賴于游戲本身的大小，所以接下來的研究重點是改進該方案，增大嵌入容量以及在其他游戲載體中嵌入秘密信息，實現(xiàn)隱秘通信。

［1］ZHANG X.Reversible data hiding in encrypted image［J］.Signal Processing Letters，IEEE，2011，18(4)：255-258.

［2］劉粉林.數(shù)字圖像隱寫分析［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2010.

［3］TIAN J.Reversible data embedding using a difference expansion［J］.IEEE Trans.Circuits Syst.Video Techn.，2003，13(8)：890-896.

［4］陳夠喜，伍玉良，張鵬程，等.二值圖像中的安全隱寫［J］.小型微型計算機系統(tǒng)，2012，33(7)：1625-1628.

［5］YANG W C，CHEN L H.A steganographic method via various animations in PowerPoint files［J］.Multimedia Tools and Applications，2013，74(3)：1003-1019.

［6］WENDEZL S，ZANDER S，F(xiàn)ECHNER B，et al.Patternbased survey and categorization of network covert channel techniques［J］.ACM Computing Surveys(CSUR)，2015，47 (3)：50.

［7］吳軍，吳秋新.一種基于七巧板游戲的數(shù)字圖像信息偽裝方法［J］.計算機應(yīng)用，2004，24(6)：125-128.

［8］HERNANDEZ-CASTRO J C，BLASCO-LOPEZ I，ESTEVEZTAPIADOR J M，et al.Steganography in games：A general methodology and its application to the game of Go［J］.Computers&Security，2006，25(1)：64-71.

［9］LEE H L，LEE C F，CHEN L H.A perfect maze based steganographic method［J］.Journal of Systems and Software，2010，83(12)：2528-2535.

［10］OU Z H，CHEN L H.A steganographic method based on tetris games［J］.Information Sciences，2014，276：343-353.

［11］林代茂，胡嵐，郭云彪，等.廣義信息隱藏技術(shù)的安全問題［J］.中山大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2005，43(A02)：14-16.

Security steganography in interactive Tetris game

Wen Tao，Chen Gouxi，Li Ruilin
(North University of China，Software School，Taiyuan 030501，China)

The security of steganographic technology is the most importance limitation of information hiding,and there is a lot of promotion on the security of the scheme based on image or video carries.This paper proposes a security steganography method in Tetris game based on the core principle of extend information hiding.At first,it expound how the proposed method work in Tetris game.Then a complete scheme of covert communication is proposed which utilizes the method at the same time.Theoretical analysis proves that it reaches S1 safety.The experiment result shows its safe and its embedding capacity enhanced.

covert communication；information hiding；Tetris game；security

TP309

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.04.033

2016-01-26)

溫濤（1992-），通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：信息隱藏，E-mail：went0517@163.com。

陳夠喜（1966-），男，博士，副教授，主要研究方向：信息隱藏、圖像處理等。

李瑞林（1990-），女，碩士研究生，主要研究方向：信息隱藏、圖像處理。

中文引用格式：溫濤，陳夠喜，李瑞林.互動式《俄羅斯方塊》游戲安全隱寫［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(4)：120-123.

英文引用格式：Wen Tao，Chen Gouxi，Li Ruilin.Security steganography in interactive Tetris game［J］.Application of Electronic Technique，2016，42(4)：120-123.