面向生物特征的信息隱藏算法

李唐薇，葉學(xué)義，夏經(jīng)文，宦天樞，顧亞風(fēng)

面向生物特征的信息隱藏算法

李唐薇，葉學(xué)義，夏經(jīng)文，宦天樞，顧亞風(fēng)

(杭州電子科技大學(xué)模式識別與信息安全實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310018)

針對生物特征識別的自身安全性問題，引入信息隱藏方法，以虹膜特征作為秘密信息，指紋為宿主信息，根據(jù)秘密信息和宿主信息的特點(diǎn)，采用基于二值的圖像信息隱藏方法，對距離差矩陣和分塊矩陣進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)生物特征到生物特征的隱藏，增強(qiáng)生物特征數(shù)據(jù)的安全性.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該算法對剪裁和旋轉(zhuǎn)攻擊具有魯棒性，同時具有較好的隱蔽性和欺騙性，能夠適用于目前主要的生物特征識別技術(shù).

生物特征識別；信息隱藏；指紋；嵌入比

0 引 言

利用人體所固有的生理特征或行為特征來進(jìn)行個人身份鑒別的技術(shù)——生物特征識別技術(shù)是近些年來熱門的研究課題之一[1-3].但隨著研究的深入和技術(shù)的推廣應(yīng)用，生物特征識別自身的安全性成為生物特征識別面臨的重要挑戰(zhàn)，同時也成為信息安全領(lǐng)域的重要研究課題.由于生物特征具有與人體直接相關(guān)的獨(dú)一無二的內(nèi)在特性，基于生物特征的信息隱藏算法的研究引起了越來越多的研究者的關(guān)注.

目前很多針對圖像的信息隱藏算法(如最低有效位算法[4]、B空間算法[5]等)是基于彩色或灰度圖像，因?yàn)榭梢岳眠@兩類圖像豐富的顏色信息以及人類的視覺特性來實(shí)現(xiàn)較好的信息隱藏效果.但這兩類圖像都會占用較多的存儲空間，在傳輸時需要更好的帶寬條件，尤其是對于信息隱藏算法的實(shí)現(xiàn)在硬件方面需要有更高的成本要求.這些對生物特征識別技術(shù)的推廣以及生物特征識別的自身安全性可能產(chǎn)生不利的影響.

現(xiàn)有的生物特征識別技術(shù)，因?yàn)楦鞣N原因，絕大部分都摒棄了圖像的顏色信息，或者只是作為輔助識別的手段.例如，指紋和虹膜是現(xiàn)有的生物特征識別中研究較為深入和極具應(yīng)用前景的生物特征介質(zhì)，從識別的角度來說，都是以紋理識別為主，其中指紋在增強(qiáng)和細(xì)化處理之后，完全是以二值圖像的形式存在；而當(dāng)前幾種最主要的虹膜識別算法也都是基于二值的虹膜特征碼.

現(xiàn)有二值圖像的信息隱藏算法包括分塊嵌入法、游程修改嵌入法、文字特征修改法、邊界修改法等[6-7].游程修改法的圖像視覺效果受游程長短的影響，在短游程較多時圖像視覺質(zhì)量較差；文字特征修改法只適用于文字筆畫豐富的圖像，嵌入的信息量較?。幌啾戎?，分塊嵌入法由于其算法簡單、嵌入的信息量大，是當(dāng)前二值圖像的信息隱藏算法的主流.

程永麗等[8]首先計(jì)算出原始圖像中每個像素的“可修改度”，通過置亂來均衡可修改像素在圖像中的分布，再將置亂后的圖像分塊，提取圖像特征值，組成二值的特征矩陣，對特征矩陣再進(jìn)行分塊，根據(jù)特征矩陣塊完成信息嵌入.若要嵌入的信息與特征矩陣塊中的某一特征值不相匹配時，則通過翻轉(zhuǎn)與該特征值對應(yīng)的圖像塊中最適合修改的一個像素來實(shí)現(xiàn)對此特征值的間接修改.該算法的視覺透明度較好，系統(tǒng)安全性較高，但信息嵌入量相對較小.

廖琪男[11]提出將二值圖像劃分為互不相交的2×2圖像子塊，隨機(jī)選擇黑白相間的邊緣子塊作為可嵌子塊，應(yīng)用(1,n,k)矩陣編碼實(shí)現(xiàn)最多只改變n塊可嵌子塊中一塊的1個像素即可嵌入k比特信息，以及修改像素的規(guī)則.選擇不同的矩陣編碼方案，可以得到不同的嵌入率和像素修改率.此算法具有信息嵌入量大，效率高等優(yōu)點(diǎn).

曹玉琳等[12]首先將原始圖像分塊，然后生成與圖像塊大小相同的二值隨機(jī)密鑰矩陣和權(quán)矩陣，最后經(jīng)過異或、求和等運(yùn)算實(shí)現(xiàn)信息隱藏.該方法隱藏的信息量較大，修改的信息量較小，但同樣嵌入后宿主圖像的視覺效果較差，此外還存在一定的信息提取(解碼)錯誤率.

在上述方法的基礎(chǔ)上，針對生物特征數(shù)據(jù)的特性，結(jié)合文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[12]，本文提出了一種面向生物特征的信息隱藏算法，將指紋作為宿主信息，虹膜特征作為秘密信息，對嵌入比和解碼錯誤率兩方面進(jìn)行了改進(jìn)；同時利用信息隱藏實(shí)現(xiàn)隱蔽性，以生物特征嵌入生物特征實(shí)現(xiàn)欺騙性.

1 基于指紋的信息隱藏

文獻(xiàn)[12]雖然實(shí)現(xiàn)了較高的嵌入比，但是因?yàn)闆]有考慮利用距離差矩陣[9]來選擇嵌入位置，所以隱藏了信息之后的宿主圖像視覺效果并不理想.而文獻(xiàn)[9-10]雖然考慮了利用距離差矩陣來選擇最佳嵌入位置，但隱藏方法本身可能會產(chǎn)生一定的解碼錯誤率.因?yàn)閷τ谒拗鞯拿總€二值信息分塊，嵌入待隱藏的秘密信息后，該分塊可能變成全0或全1，但在提取信息時，對于每個全0或全1的二值信息分塊，則認(rèn)為該塊中沒有嵌入待隱藏的秘密信息；而對于任意不同的宿主二值矩陣，無論分塊的大小怎樣變化，分塊中的元素出現(xiàn)全0或全1的可能總是難以避免的，因此信息提取時總是存在丟失的可能.鑒于此，本文提出的方法對嵌入比和隱藏信息后宿主的視覺效果這對矛盾進(jìn)行了折衷，以犧牲一定的嵌入比來換取更佳的視覺效果，以增強(qiáng)信息隱藏的隱蔽性；同時在信息嵌入時，伴隨產(chǎn)生標(biāo)志矩陣，以此來標(biāo)記信息塊中是否嵌入了信息，從算法本身避免了解碼的錯誤率；并且因?yàn)樾畔⑻崛r不再需要判定信息分塊是否全0或全1，從而提高的計(jì)算效率.

1.1 信息預(yù)處理

在信息隱藏的研究中，信息預(yù)處理是指在實(shí)際的隱藏處理之前，對宿主信息和待隱藏的秘密信息進(jìn)行處理以滿足信息隱藏計(jì)算的要求，或者產(chǎn)生信息隱藏計(jì)算的先決和前提條件.

(1)

1.2 信息嵌入

(2)

式中“⊕”為矩陣中對應(yīng)元素值求異或，“?”為矩陣中對應(yīng)元素值求積，SUM表示對矩陣中所有元素求和；

權(quán)差di的定義如下：

di≡(b1b2…br)-si(mod 2r)

(3)

式中，mod表示求模，計(jì)算b1b2…br表示的十進(jìn)制數(shù)與對si求取以2r為模的余值之間的差值.

如果di≠0，任意選擇(亦可順序依次選擇)一個整數(shù)h(h∈{0,1,…,2r-1})，計(jì)算集合Ow={Ow1,Ow2}，(w={w1,w2})，記w1=hdi，w2=-(h-1)di，根據(jù)不同的w1和w2值按下述情形分類處理：首先，若w1或w2為0，或mod 2r為0，則對應(yīng)的記集合Ow1或Ow2為空；其次，若w1或w2為正數(shù)，則集合Ow為

(4)

再次，若w1或w2為負(fù)數(shù)，則集合Ow為

(5)

圖1 信息嵌入位置的不同選擇

(6)

(7)

式(7)中，顯然矩陣中所有元素的值為1所在的位置是優(yōu)先被改變的位置.

1.3 信息提取

(8)

2 仿真實(shí)驗(yàn)和分析

圖2 信息嵌入仿真示意圖

實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，選擇大小為300×400 pixel的二值指紋圖像為宿主信息，大小為512×48 bits的虹膜特征模板為待隱藏的秘密信息，分塊大小選擇8×8，即按照上述算法最多可隱藏300×50×rbits的信息，其中r應(yīng)該滿足(2r-1)≤8×8，實(shí)驗(yàn)中分別取r=3和r=6；密鑰矩陣K隨機(jī)產(chǎn)生，權(quán)矩陣W的選擇方式與算法仿真中相同，結(jié)果如圖3所示.從圖3顯示的結(jié)果來看，嵌入前后的二值指紋基本一致，而且算法本身保證了解碼后的虹膜特征模板與原始的秘密信息相同.但需要注意的是，本算法主要以隱藏性和欺騙性來躲避攻擊；同時可以利用冗余嵌入(例如當(dāng)r=6時)實(shí)現(xiàn)算法對剪裁攻擊具有一定的魯棒性，還利用指紋識別中的對準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)算法對旋轉(zhuǎn)攻擊具有魯棒性.但是算法對于其他攻擊手段，例如噪聲攻擊，縮放等幾何攻擊不具備魯棒性.

圖3 信息隱藏嵌入和信息解碼示意圖

3 結(jié)束語

本文針對生物特征識別的自身安全性問題，在二值圖像信息隱藏方法的基礎(chǔ)上，根據(jù)秘密信息和宿主信息的特點(diǎn)，提出了一種面向生物特征的信息隱藏算法.將虹膜特征作為秘密信息，二值指紋圖像為宿主信息，對距離差矩陣和分塊矩陣進(jìn)行優(yōu)化，并采用標(biāo)志矩陣來提高計(jì)算效率和解碼的正確率.本算法借助生物特征識別本身的優(yōu)勢來保證算法的抗攻擊性能，尤其對于剪裁攻擊、旋轉(zhuǎn)攻擊具有魯棒性；同時本算法對于其他攻擊手段，例如噪聲攻擊，縮放等幾何攻擊不具備魯棒性.由于本算法基于比特的特點(diǎn)，可以適用于其它生物特征和特征模板.

[1]張寧,臧亞麗,田捷.生物特征與密碼技術(shù)的融合[J].密碼學(xué)報,2015,2(2):159-176.

[2]游林.生物特征密碼技術(shù)綜述[J].杭州電子科技大學(xué)學(xué)報,2015,35(3):1-17.

[3]林文峰,楊帆,陳國民.基于指紋的數(shù)字信息加密算法[J].計(jì)算機(jī)工程,2010,36(8):132-134.

[4]JAINAK,ULUDAGU.HidingBiometricData[J].PatternAnalysis&MachineIntelligence,IEEETransactionson, 2012,25(25):1494-1498.

[5]MOHAMMADN,SUNX,YANGH.AnExcellentImageDataHidingAlgorithmBasedonBTC[J].InformationTechnologyJournal, 2011,10(7):1415-1420.

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[10]TSENGYC,PANHK.Datahidingin2-colorimages[J].Communications，IEEETransactionson， 2002，51(7):873-878.

[11] 廖琪男.嵌入率可調(diào)和低修改率的二值圖像密寫算法[J].小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，2012，33(11):2522-2525.

[12] 付磊.二值圖像信息隱藏算法的設(shè)計(jì)與評估[D].鄭州:解放軍信息工程大學(xué)，2011.

The Method of Information Hiding for Biometrics

LI Tangwei, YE Xueyi, XIA Jingwen, HUAN Tianshu, GU Yafeng

(TheLabofPatternRecognitionandInformationSecurity,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

In order to solve the problem of the self-security of biometrics, an improved method of information hiding is proposed, in which fingerprints and iris feature are regarded as host information and secret information respectively. Based on the characteristics of the secret information and the host information and the binary image information hiding method, the distance matrix and block matrix are optimized, which realize the hiding of biometrics to biological features and enhance the security of biometric data. Experimental results show that the performance of robustness behaves well when attacked by clipping and rotation, and the approach has good concealment and deceit ability, and be used into most present biometric techniques.

biometrics; information hiding; fingerprint; embedded ratio

10.13954/j.cnki.hdu.2017.02.009

2016-12-27

浙江省新苗人才計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015R407019)

李唐薇(1994-)，女，浙江杭州人，本科生，圖像處理.通信作者：葉學(xué)義副教授，E-mail：xueyiye@hdu.edu.cn.

TP391.4

A

1001-9146(2017)02-0039-06