基于信道編碼的載體二次分組信息隱藏算法

顧朋鵬，陳立全，顧彥杰

〔1.東南大學(xué)網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院,江蘇南京 211189；2.網(wǎng)絡(luò)空間國(guó)際治理研究基地(東南大學(xué)),江蘇南京211189〕

1 引言

現(xiàn)代信息隱藏技術(shù)是信息安全領(lǐng)域的新興技術(shù)之一，其原理是將秘密信息嵌入到數(shù)字化宿主信息中，然后通過公開信息的傳輸實(shí)現(xiàn)秘密信息的傳送與安全保護(hù)[1～3]。傳統(tǒng)的信息隱藏載體一般包括文本、圖像和音視頻等數(shù)字媒體，秘密信息的嵌入通常會(huì)改變這些載體的統(tǒng)計(jì)特征，這容易引起竊密者的懷疑。由于信道噪聲的存在以及信道編碼的冗余性，可以將預(yù)處理之后的秘密信息作為噪聲的一部分嵌入到信道編碼后的載體數(shù)據(jù)碼流中，偽裝載體在信道中正常傳輸。只要秘密信息嵌入量適當(dāng)，即秘密信息造成的誤碼和信道干擾的誤碼效應(yīng)小于信道編碼的糾錯(cuò)能力，就可以在接收端準(zhǔn)確的提取出秘密信息，同時(shí)能夠保證載體信息正常通信，達(dá)到理想的可逆信息隱藏效果。

經(jīng)過多年發(fā)展，基于信道編碼的信息隱藏技術(shù)有了一系列研究成果。文獻(xiàn)[4]提出一種基于信道編碼的信息隱藏算法，通過密鑰確定所有秘密信息的嵌入位置，經(jīng)過多次嵌入操作將全部秘密信息嵌入，但是算法時(shí)間復(fù)雜度高。文獻(xiàn)[5]分析對(duì)比了分別采用BCH碼、RS碼和卷積碼三種信道編碼下信息隱藏效果，發(fā)現(xiàn)采用BCH碼的信息隱藏效果最好。文獻(xiàn)[6]研究現(xiàn)有的基于信道編碼的信息隱藏算法基本以碼組為單位嵌入秘密信息，但是算法信息隱藏容量低。文獻(xiàn)[7]提出一種基于二級(jí)定位的嵌入算法，提高了秘密信息嵌入的隨機(jī)性。文獻(xiàn)[8]提出一種提高載體信息為彩色圖像的基于信道編碼的信息隱藏算法容量方法。文獻(xiàn)[9]對(duì)基于信道編碼的信息隱寫分析方法進(jìn)行了研究，并給出了未來隱寫分析方向。

通過分析現(xiàn)有典型的基于信道編碼的信息隱藏算法缺陷，本文提出了一種基于信道編碼的載體二次分組的信息隱藏算法，可以有效地避免秘密信息相互覆蓋以及載體信息出現(xiàn)連續(xù)性錯(cuò)誤的問題。

2 基于信道編碼的載體二次分組信息隱藏算法

基于信道編碼的信息隱藏算法利用信道編碼的冗余性以及信道噪聲的存在，將秘密信息作為噪聲的一部分嵌入到載體中進(jìn)行傳輸。針對(duì)現(xiàn)有典型算法存在的問題，本節(jié)提出了一種改進(jìn)的算法，即基于信道編碼的載體二次分組信息隱藏算法。

2.1 算法實(shí)現(xiàn)過程

相關(guān)參數(shù)為：

算法以信道編碼后的載體數(shù)據(jù)碼流長(zhǎng)度與經(jīng)預(yù)處理后的秘密信息長(zhǎng)度比值為依據(jù)，將編碼載體重新分組，根據(jù)密鑰產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列將秘密信息一次性按比特位分別嵌入到不同分組中。這樣既不會(huì)造成秘密信息之間相互覆蓋又不會(huì)使得載體信息產(chǎn)生連續(xù)性錯(cuò)誤，同時(shí)算法具有較低的復(fù)雜度。

對(duì)于發(fā)送端，秘密信息的嵌入過程如圖1所示。

（1）使用二進(jìn)制偽隨機(jī)序列，對(duì)秘密信息進(jìn)行按位異或處理，得到偽隨機(jī)加擾后的秘密信息。

（4）根據(jù)信道編碼后的信源載體長(zhǎng)度C與預(yù)處理之后的秘密信息長(zhǎng)度M的比值，得到步長(zhǎng)step，由通信雙方事先約定好的密鑰產(chǎn)生一組偽隨機(jī)序列，其中范圍為1～step。即替換編碼后信源載體的第位，替換結(jié)束后將含秘密信息的載體數(shù)據(jù)送入信道中進(jìn)行傳輸。

對(duì)于接收端，秘密信息的提取過程如圖2所示。

圖1 秘密信息嵌入過程

圖2 秘密信息提取過程

（3）利用二進(jìn)制偽隨機(jī)序列，與糾錯(cuò)解碼后的秘密信息進(jìn)行按位異或得到秘密信息。

2.2 不可檢測(cè)性分析

在信息隱藏算法中，嵌入秘密信息前后的峰值信噪比PSNR[12]用來評(píng)價(jià)秘密信息的嵌入對(duì)載體造成的影響，峰值信噪比越高，則秘密信息對(duì)載體的影響越小，不可檢測(cè)性越高。通常峰值信噪比30dB為基準(zhǔn)，高于30dB則秘密信息基本不可檢測(cè)，PSNR的定義為：

其中，MAX為圖像最大像素值，MSE定義為：

2.3 算法性能仿真分析

本節(jié)對(duì)基于信道編碼的載體二次分組信息隱藏算法性能進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)分析，分析在相同碼率條件下，不同信道編碼條件下載體信息與秘密信息的誤比特率。

載體信息是尺寸為256×256的灰度圖像SEU.bmp，大小為66KB，秘密信息是采用密鑰產(chǎn)生的二進(jìn)制偽隨機(jī)序列，長(zhǎng)度為1×104。信道編碼分別采用(127,64,10)BCH碼，(15,7,4)RS碼，(2,1,3)卷積碼，(7,4,1)漢明碼，采用維比特譯碼，具體仿真環(huán)境如表1所示。

圖3顯示了在不同信噪比條件下，在接收端恢復(fù)載體信息的情況，隨著信道信噪比的提升，圖像中的干擾點(diǎn)越來越少。當(dāng)信噪比大于8dB時(shí)，載體圖像中幾乎不存在干擾點(diǎn)，即不會(huì)引起攻擊者的懷疑，保證了信息隱藏的不可檢測(cè)性。

表1 仿真環(huán)境

圖3 不同信噪比條件下接收端恢復(fù)的載體圖像

為了客觀地評(píng)價(jià)本文信息隱藏算法的不可檢測(cè)性，在RS信道編碼條件下，計(jì)算了在接收端恢復(fù)的載波圖像與原始圖像的峰值信噪比。所得結(jié)果如圖4所示，從中可以看出在信道條件不是非常惡劣的情況下，峰值信噪比可以保證大于30db，即保證信息隱藏的不可檢測(cè)性，當(dāng)信道信噪比達(dá)到8db以上時(shí)，峰值信噪比趨于無窮大，即恢復(fù)圖像與原始圖像一致。

圖4 不同信道條件下圖像峰值信噪比

為了計(jì)算算法對(duì)于信源載體的影響，通過實(shí)驗(yàn)仿真在不同信道編碼條件下，信源載體誤比特率性能隨著信噪比變化曲線。由圖5分析可知，其他條件相同時(shí)，采用卷積碼和漢明碼時(shí)，信源載體誤比特率相對(duì)較高，可能會(huì)影響正常的載體通信。采用BCH編碼和RS碼時(shí)，信源載體誤比特率低，當(dāng)信噪比達(dá)到8dB以上時(shí)，信源載體誤碼率為0，即經(jīng)過信道譯碼后，信源數(shù)據(jù)可以完全恢復(fù)，秘密信息的嵌入不會(huì)對(duì)載體正常通信造成影響。

在不同信道編碼條件下，接收端提取出的秘密信息誤比特率性能隨著信噪比變化曲線如圖6所示。

圖6 不同信道編碼下秘密信息誤比特率

分析圖6可知，在信道條件一般的情況下，各種編碼方式條件下的秘密信息誤比特率接近，當(dāng)信道信噪比在7dB以上時(shí)，采用BCH信道編碼時(shí)秘密信息的誤比特率為0，可以完全恢復(fù)。當(dāng)信道信噪比達(dá)到9dB以上時(shí)，四種編碼條件下的秘密信息的誤比特率均能達(dá)到0，即可以在接收端完全正確提取恢復(fù)秘密信息。

綜合以上性能分析結(jié)果，基于信道編碼的載體二次分組信息隱藏算法只要不是在信道條件特別惡劣的條件下，既能保證載體信息正常通信，又可以實(shí)現(xiàn)秘密信息的安全傳輸與準(zhǔn)確提取恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)理想的通信系統(tǒng)可逆信息隱藏效果。

3 本文算法與現(xiàn)有典型算法比較

本節(jié)從存儲(chǔ)開銷、信源載體與秘密信息誤比特率以及算法時(shí)間復(fù)雜度三個(gè)方面比較本文算法與文獻(xiàn)[4]、文獻(xiàn)[7]中的算法。

3.1 存儲(chǔ)開銷

根據(jù)信息隱藏容量分析理論，假設(shè)需要嵌入的秘密信息不超過系統(tǒng)的隱藏容量上限。設(shè)預(yù)處理后的秘密信息長(zhǎng)度與采用的信道編碼分組數(shù)的比值為R（當(dāng)預(yù)處理后的秘密信息長(zhǎng)度小于信道編碼分組數(shù)時(shí)，R取1）。算法在密鑰和偽隨機(jī)序列上的開銷如表2所示。

表2 三種算法存儲(chǔ)開銷比較

由表2可知，對(duì)于文獻(xiàn)[4]中的算法，存儲(chǔ)開銷隨著R增大而增大，當(dāng)且僅當(dāng)R=1時(shí)，即待隱藏的秘密信息預(yù)處理之后長(zhǎng)度小于信道編碼分組時(shí)，其與本文的改進(jìn)的算法存儲(chǔ)開銷相當(dāng)，優(yōu)于文獻(xiàn)[7]中的算法。當(dāng)預(yù)處理之后的秘密信息長(zhǎng)度大于信道編碼分組時(shí)，R>1，本文改進(jìn)算法存儲(chǔ)開銷優(yōu)于文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[7]中的信息隱藏算法。綜合來看，本文算法存儲(chǔ)開銷最小。

3.2 信源載體與秘密信息誤比特率

在其他條件相同時(shí)，仿真分析三種算法下信源載體與秘密信息誤比特率性能。具體仿真參數(shù)設(shè)置如表3所示。

表3 算法比較的仿真參數(shù)

由表3可知，秘密信息嵌入率為0.0572，沒有超過秘密信息隱藏容量上限，但是預(yù)處理后的秘密信息長(zhǎng)度為30,000×2=60,000，顯然大于載體信道編碼的分組數(shù)8192。

圖7為使用文獻(xiàn)[4]與文獻(xiàn)[7]中算法以及本文改進(jìn)的信息隱藏算法下載體信息的誤比特率。由圖7可知，在信道條件不是很差的情況下，采用本文算法下載體信息誤比特率明顯低于文獻(xiàn)[4]與文獻(xiàn)[7]中算法情況，并且隨著信噪比升高誤比特率性能不斷提高。而文獻(xiàn)[4]與文獻(xiàn)[7]中載體信息誤比特率隨著信噪比升高最終趨于穩(wěn)定在一個(gè)值，這是由于載體信息出現(xiàn)了連續(xù)性錯(cuò)誤，在接收端無法正確譯碼。

圖7 不同信息隱藏算法下信源載體誤比特率

圖8 為使用文獻(xiàn)[4]中的算法，文獻(xiàn)[7]中算法以及本文改進(jìn)的信息隱藏算法下秘密信息的誤比特率。

圖8 不同信息隱藏算法下秘密信息誤比特率

由圖8可知，在信道條件相同的情況下，文獻(xiàn)[7]中的算法和本文改進(jìn)的算法明顯優(yōu)于文獻(xiàn)[4]中的算法。隨著信道信噪比的增加，文獻(xiàn)[4]中的算法情況下秘密信息誤比特率最終穩(wěn)定在0.0021左右，這是由于此算法的缺陷性，即在秘密信息長(zhǎng)度大于載體信道編碼分組時(shí)，產(chǎn)生了秘密信息之間的相互覆蓋，從而使得最終秘密信息不能完全恢復(fù)，在較好的信道條件下，維持在一個(gè)值附近。本文算法下秘密信息誤比特率在信道條件較好情況立刻降為0，即可以使得秘密信息能夠隱藏傳輸并在接收端準(zhǔn)確提取恢復(fù)。

3.3 算法時(shí)間復(fù)雜度

為了直觀地衡量三種算法的時(shí)間復(fù)雜度，本文在信噪比5dB的情況下，(127,64,10)BCH信道編碼，測(cè)量在不同嵌入率情況下，將所有秘密信息嵌入所需要的時(shí)間，結(jié)果如圖9所示。

圖9 算法時(shí)間復(fù)雜度

圖9 可知，本文算法嵌入所有秘密信息所需時(shí)間最短。這是因?yàn)槲墨I(xiàn)[4]與文獻(xiàn)[7]中的算法需要將秘密信息按照載體信道編碼分組數(shù)量進(jìn)行分組，需要進(jìn)行多次嵌入，才能將秘密信息完全嵌入，在算法實(shí)現(xiàn)中出現(xiàn)了循環(huán)嵌套情況，耗時(shí)較長(zhǎng)。本文的改進(jìn)算法只需要進(jìn)行單循環(huán)即可將秘密信息一次性嵌入，所需時(shí)間較短，算法時(shí)間復(fù)雜度低。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的基于信道編碼的載體二次分組信息隱藏算法能夠有效避免現(xiàn)有典型算法秘密信息出現(xiàn)相互覆蓋以及載體信息出現(xiàn)連續(xù)性錯(cuò)誤的問題。改進(jìn)算法在信道環(huán)境不是特別惡劣情況下，既能夠保證載體正常通信以及秘密信息安全傳輸與準(zhǔn)確提取，同時(shí)具有較低存儲(chǔ)開銷以及算法時(shí)間復(fù)雜度。