基于LSB算法的圖像數(shù)字嵌入技術(shù)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

羅 娜

(重慶科創(chuàng)職業(yè)學(xué)院,重慶 402160)

0 引言

嵌入技術(shù)的形成,以更強(qiáng)信息安全為視角,為系統(tǒng)建設(shè)提出全新方向。嵌入技術(shù)是借助人們視覺能力,對冗余、數(shù)字各項(xiàng)文件資料進(jìn)行加密保護(hù),以信息變換為加密方式,在公開信息傳輸路徑進(jìn)行重要資料的傳輸。嵌入技術(shù)成功將重要資料寫入載體。載體類型有圖像、文本、音頻等?，F(xiàn)階段,嵌入技術(shù)在系統(tǒng)使用后,能夠有效進(jìn)行病毒追蹤、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)防篡改等保護(hù)工作,獲得廣泛應(yīng)用。

1 信息嵌入技術(shù)

1.1 技術(shù)模型

嵌入技術(shù)能夠有效隱藏重要圖像信息,將其存放在對圖像信息干擾作用不大的載體中[1]。在信息嵌入時(shí),信息傳輸人員使用密鑰,有效完成重要圖像信息的加載,由此獲得載密文件。加載重要資料后,在信息傳輸期間,可能會承受其他方信息竊取與攻擊問題,由此形成信息傳輸未完成的問題。在載密文件傳輸完成時(shí),進(jìn)行重要資料的有效提取,信息接收人員可使用密鑰,有效提取重要資料。

1.2 性能指標(biāo)

1.2.1 文件隱藏性

本設(shè)計(jì)結(jié)合載體圖像各項(xiàng)資料特征,比如信息相關(guān)性、資料統(tǒng)計(jì)性等,進(jìn)行圖像信息的嵌入加密。在載體文件中載入重要資料后,對于載體圖像自身質(zhì)量不發(fā)生干擾作用,兼具信息傳輸?shù)妮d體隱蔽性。與此同時(shí),保密資料的添加,對于載體文件自身質(zhì)量不具有改變能力,更不會更改載體文件的數(shù)據(jù)資料統(tǒng)計(jì)方式。在此技術(shù)條件下,圖像檢測技術(shù)無法確定載密文件中的重要資料。一般情況下,對于加密圖像進(jìn)行信息檢測時(shí),主要使用誤差M、信噪比的最大值P,檢測公式為:

在(1)與(2)兩個(gè)公式中,載密圖像的寬度為W、高度為H,載密圖像的外裝像素為Xj,k,載密圖像的保護(hù)資料像素為X′j,k。如果圖像清晰度不高,則信噪比的最大值P相對較小,M誤差結(jié)果偏大。如果圖像清晰度較高,則信噪比的最大值P相對較大,M誤差結(jié)果偏小。

1.2.2 數(shù)據(jù)資料容量大

在加密通信途徑中使用信息嵌入技術(shù),能夠提升資料交互能力,便于每組加密載體文件中容納更多重要資料。嵌入技術(shù)的資料容量兼容能力,是反映嵌入技術(shù)性能的關(guān)鍵指標(biāo),能夠在重要資料隱藏后,對文件進(jìn)行保密傳輸,確保載體圖像文件中能夠有效兼容重要資料,此時(shí)能夠獲得比特參數(shù)的最大值。

1.3 LSB嵌入算法

在嵌入技術(shù)范圍內(nèi),LSB算法應(yīng)用時(shí)間較長,圖像文件中載入重要數(shù)據(jù)時(shí),采取的一般加載方式是:在空域范圍內(nèi)進(jìn)行LSB參數(shù)的更迭與替換。在LSB嵌入算法使用時(shí),圖像文件類型以BMP為主。在此圖像中含有若干個(gè)像素成分,以灰度圖像為例,每組像素均擁有特定的灰度值。此參數(shù)范圍介于0與255之間,0對應(yīng)的是黑色,255表示白色,在灰度值逐級增加時(shí),證明圖像亮度逐漸增強(qiáng)。每個(gè)圖像文件的灰度屬性,采用二進(jìn)制法給予表示[2]。

2 圖像嵌入分析技術(shù)

2.1 嵌入分析

圖像嵌入分析技術(shù)是對應(yīng)圖像資料寫入的反向檢測方法,旨在確定載入保密資料的文件中的重要資料存在性,用于排查圖像資料中含有重要資料的可能性。圖像信息的寫入分析技術(shù),在實(shí)踐應(yīng)用時(shí),能夠驗(yàn)證嵌入技術(shù)的成熟性,借助檢測與評價(jià)方式,獲取嵌入技術(shù)重要資料傳輸?shù)陌踩浴?/p>

2.2 性能指標(biāo)

2.2.1 準(zhǔn)確性

圖像嵌入分析方法,分析結(jié)果的準(zhǔn)確性,是測定重要文件準(zhǔn)確性的關(guān)鍵依據(jù),是嵌入分析算法中的關(guān)鍵評價(jià)指標(biāo)。一般情況下,分析結(jié)果準(zhǔn)確性是使用虛警比值、錯(cuò)漏申報(bào)概率、檢測準(zhǔn)確率3個(gè)參數(shù)給予反饋。

2.2.2 實(shí)用性

在圖像嵌入分析層運(yùn)行時(shí),分析結(jié)果的實(shí)用性獲得了廣泛應(yīng)用,可借助允許現(xiàn)實(shí)、檢測結(jié)果平穩(wěn)性、程序運(yùn)行情況進(jìn)行評價(jià)。在此種情況中,檢測分析的動態(tài)情況,能夠獲取一次嵌入分析時(shí)間。分析時(shí)間較短時(shí),證明此種嵌入算法具有較高的實(shí)時(shí)反饋能力。

2.3 卡方檢測技術(shù)

LSB算法給出了嵌入分析的卡方檢測流程。通常情況下,LSB算法借助圖像文件中最小效位,確保重要資料載入效果。或者說,載密圖像的灰度屬性,在未發(fā)生變化時(shí),可能完成了2i向2i+1的轉(zhuǎn)變。

設(shè)定載密圖像文件的灰度屬性為j,像素參數(shù)為hj。在圖像文件中如果未添加保密資料,此時(shí)h2i與h2i+1的參數(shù)結(jié)果存在較大差異。換言之,如果圖像文件為載密狀態(tài),h2i與h2i+1兩個(gè)參數(shù)趨于接近。保密資料在載入前期,對其進(jìn)行了加密處理,加密方式:0與1兩個(gè)參數(shù)隨機(jī)排布形成比特流,有50%概率的加密結(jié)果為0,1。

公式(4)中q表示圖像加載的判斷參數(shù)。如果載密圖像對應(yīng)的灰度參數(shù)結(jié)果為2i,此時(shí)給予q的作用為1/2。如果圖像灰度參數(shù)為2i+1,此時(shí)給予q的作用為-1/2。在加密圖像文件中,灰度屬性為2i,2i+1的數(shù)量為2倍。如果各圖像文件中均擁有1比特加密資料,則在灰度值為2i、2i+1時(shí)的可能性僅有50%。當(dāng)2倍的結(jié)果較大時(shí),可使用極限定理進(jìn)行處理。在極限處理中能夠獲取N(0,1)的分布情況,如果分布為正態(tài),可使用公式(5)的卡方分布算法。

公式(5)中r表示圖像過載的判斷參數(shù),k表示2i與2i+1組合個(gè)數(shù),=0時(shí),不予考慮。如果r值較小,證明圖像過載的概率較高;如果r值較小,說明圖像載入重要資料的概率較小。則圖像過載概率的算法為公式(6)。

公式(6)中的A表示xk-12,在p趨近于1時(shí),證明圖像文件含有加密資料。

3 以LSB算法為技術(shù)視角,嵌入多色圖像信息的算法

3.1 嵌入方法

圖像資料加密處理含有寫入與提取兩個(gè)程序。資料傳送方使用LSB算法,將重要資料保存在圖像文件中。算法中實(shí)際使用的圖像規(guī)格長寬均為512,圖像為多彩類型。

3.2 提取方法

在重要資料提取時(shí),相當(dāng)于是資料寫入的反向過程。為確保資料提取的準(zhǔn)確性,提取順序類似于寫入過程。資料接收、信息傳送兩個(gè)主體,借助個(gè)人通信路徑,能夠有效確定密鑰類型,使用LSB算法確定寫入重要資料的具體像素。

假如,需要寫入的重要資料,其加載圖像參數(shù)分別為51,96,31,獲得參數(shù)的對應(yīng)比特流:51對應(yīng)1,1;96對應(yīng)1,1;31對應(yīng)1,0。使用極限定理獲取3組比特流的確定參數(shù),即1,1,0。如果加密資料分別為1,1,0,載密參數(shù)分別為51,96,31,則可獲得加密資料為:加密資料2=比特流參數(shù)2=(0,0,1)2。

3.3 系統(tǒng)運(yùn)行

在嵌入系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),使用長寬均為256的多彩圖像進(jìn)行資料寫入與提取,總共進(jìn)行4組圖像加密處理,分別從人像、風(fēng)景、植物等類型,進(jìn)行多彩圖像載體選擇。經(jīng)系統(tǒng)運(yùn)行發(fā)現(xiàn):LSB算法能夠確保加密圖像文件使用的有效性,減少數(shù)據(jù)丟失問題。

4 結(jié)語

綜上所述,以LSB算法為技術(shù)視角,形成的信息嵌入技術(shù)融合了多類學(xué)科專業(yè)內(nèi)容,借助載體時(shí)空特征,在各類載體中嵌入了重要資料,形成載密單元。在信息嵌入完成時(shí),資料竊取人員無法掌握重要信息的所在位置,達(dá)成信息保護(hù)、防竊取、防篡改的圖像資料保護(hù)目標(biāo)。為此,在未來可深入拓展LSB嵌入技術(shù)的適用范圍,在圖像信息加密保護(hù)的基礎(chǔ)上,對音頻、視頻等復(fù)雜類型文件加以保護(hù)。