LSB匹配與隨機(jī)調(diào)制隱寫算法性能分析與比較

袁琛+周沙

摘要：本文主要對LSB匹配與隨機(jī)調(diào)制隱寫技術(shù)進(jìn)行了一定的研究，在此基礎(chǔ)上對其進(jìn)行了性能分析和比較，并借助MATLAB軟件對算法的研究與比較進(jìn)行了實(shí)驗。

關(guān)鍵詞：隱寫術(shù)，LSB匹配，LSB隨機(jī)調(diào)制

1.數(shù)字隱寫基礎(chǔ)知識

1.1 基于數(shù)字圖像的信息隱藏系統(tǒng)模型

我們都知道，大部分的信息隱藏系統(tǒng)模型都包含兩個模塊，即信息嵌入模塊和提取模塊。具體模型如圖所示：

這里，需要強(qiáng)調(diào)的是，加密密鑰跟密碼學(xué)中的密鑰不是一回事。隱寫密鑰主要負(fù)責(zé)將秘密嵌入到圖像的不同位置，而密碼學(xué)中的密鑰則是對秘密信息進(jìn)行加密以保證信息的安全。

2. 信息隱藏的分類

1、按載體類型分類2、按密鑰分類3、按嵌入域分類4、按提取的要求分類5、按保護(hù)對象分類

2.1 數(shù)字隱寫定義和模型

數(shù)字隱寫是信息隱藏學(xué)的一個重要分支，在國防、經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，所謂數(shù)字隱寫就是在一些數(shù)字載體中將所要隱秘傳輸?shù)膬?nèi)容隱藏進(jìn)去，而使得載體的各種屬性無改變，能夠擺脫第三方對隱秘信息的注意。數(shù)字隱寫是由不可視通信的思想發(fā)展而來的，Simmons提出的“囚犯問題”是不可視通信的經(jīng)典模型，其主要思想是假設(shè)兩個囚犯準(zhǔn)備越獄，但是被關(guān)在不同的牢房，他們想通過一種隱蔽通信的方式來商量如何實(shí)施越獄，但是，他們之間交換的信息必須經(jīng)過看守的檢查，因此，他們就想在看似正常的信息中藏入秘密信息，這種通信就是不可視通信，或者稱為隱蔽通信，而隱寫是實(shí)現(xiàn)不可視通信的重要方式。

3 LSB匹配與隨機(jī)調(diào)制算法性能分析與比較

3.1 隱寫算法的評價指標(biāo)及其計算方法

目前，衡量隱寫算法優(yōu)劣的指標(biāo)主要以隱蔽性、魯棒性和嵌入容量三個方面為主。魯棒性是指載密圖像經(jīng)過各種諸如濾波、壓縮和幾何攻擊等信號處理后仍能保持秘密信息不丟失，仍能提取的能力。嵌入容量是指在保持秘密消息隱蔽性的前提下，可以隱藏的秘密消息的最大值。隱蔽性是指秘密消息嵌入后不會使得載體圖像的感知質(zhì)量發(fā)生明顯的變化。

Fridrich曾經(jīng)詳細(xì)闡述過三個指標(biāo)的三角關(guān)系。在具體隱寫算法的設(shè)計過程中，不可能同時完全考慮到三個因素，必須有側(cè)重的方面。實(shí)際上一般會根據(jù)具體應(yīng)用來選擇：安全密寫技術(shù)一般以隱蔽性為主；設(shè)計數(shù)字水印技術(shù)時則以魯棒性為主；當(dāng)考慮隱蔽通信為目的的應(yīng)用時則一般首先考慮嵌入容量。

本文的討論主要涉及隱寫算法的安全性，所以將以隱蔽性指標(biāo)為主。主要通過三組實(shí)驗來對兩種算法進(jìn)行比較。

3.2 性能分析與比較

3.2.1利用峰值信噪比分析比較

以反映視覺特性的客觀評價指標(biāo)PSNR進(jìn)行比較，選用五幅圖像，在加密信息相同并且保證滿嵌的情況下，分別用LSB匹配和隨機(jī)調(diào)制算法對這五幅圖像進(jìn)行加密，從而得到五組圖像，每組包含三幅圖，然后分別對每組圖像進(jìn)行PSNR求值，實(shí)驗結(jié)果如表3-1：

從上述結(jié)果來看，運(yùn)用匹配算法和隨機(jī)調(diào)制算法得到的PSNR值相差不大，幾乎沒有什么區(qū)別。同時我們都知道，當(dāng)PSNR值大于35時就對圖像的視覺特性造成不了什么影響，所以LSB匹配和隨機(jī)調(diào)制算法的特性都是比較優(yōu)良的，單從視覺特性這一點(diǎn)上來說，這兩種算法都可以用于圖像隱寫，并且能保證較高的安全性。

3.2.2利用直方圖分析比較

由于隨機(jī)調(diào)制算法是將嵌入的秘密信息模擬成具有高斯分布特征的噪聲信號，從而使得含秘密信息的圖像不易被發(fā)現(xiàn)，保證了信息傳遞的安全。基于上述原理，我選擇實(shí)驗1中的三組圖像，對于每組圖像，我采取以下操作：分別用兩種算法加密后得到的圖像與原圖像作差，然后將得到的兩個差值用直方圖表示出來。最終定論：隨機(jī)調(diào)制算法將嵌入的秘密信息模擬成具有高斯分布的噪聲信號，從而使秘密信息不會那么容易被檢測出來，可能會騙過攻擊者，但是lsb匹配算法則做不到，所以從被檢測的難易程度上來說，隨機(jī)調(diào)制算法相對來說更優(yōu)良一點(diǎn)。

3.2.3 抗RS檢測攻擊比較

本次實(shí)驗內(nèi)容主要是對比LSB替換和LSB匹配、隨機(jī)調(diào)制算法的抗RS檢測攻擊能力，隨機(jī)的抽取五幅圖像，預(yù)先設(shè)定嵌入率為0.9，分別用三種方法進(jìn)行加密，然后用RS算法分別估計秘密消息嵌入比率，實(shí)驗結(jié)果如表3-2：

根據(jù)上述實(shí)驗結(jié)果，我們可以發(fā)現(xiàn)，RS檢測攻擊對LSB替換算法的攻擊的效果非常好，但是對LSB匹配和隨機(jī)調(diào)制算法基本失效，由此可以表明，LSB匹配和隨機(jī)調(diào)制算法都具有良好的抗RS檢測攻擊能力，都是算法特性比較優(yōu)良的隱寫算法。

參考文獻(xiàn)：

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