隱寫術在信息安全中的應用研究

黃恒一 付三麗

（三亞學院，海南 三亞 572022）

1 引言

信息隱藏的常用手段是利用密碼學，將明文信息加密成密文，非法用戶如想得到明文信息，只有破解加密算法才能得到目的信息。隨著高性能計算機的出現(xiàn)，理論上采用加密技術進行信息隱藏的密文都很容易被非法用戶破解。論文在此背景下，對古今密碼學在信息隱藏中的應用進行了分析研究，結合數字水印技術，提出了一種結合圖像嵌入、DES加密算法、計算機MATLAB 程序和數學中隨機數特征值的信息隱藏方法[1]。

2 信息隱藏技術

在計算機出現(xiàn)之前信息隱藏的主要技術手段是密碼術、偽裝術。但隨著數字時代的來臨，通過計算機技術手段，信息隱藏的載體形式可為任何一種數字媒體，它不同于密碼學、偽裝術，密碼僅僅隱藏信息的內容，偽裝術主要是將秘密信息隱藏到另一個看似普通的信息中，從而隱藏真實信息的存在，以達到安全通信的目的，利用計算機技術實現(xiàn)的數字化信息隱藏技術手段，從信息內容及信息載體兩個方面實現(xiàn)對信息的有效隱藏[2]。

3 古代密碼學

古代密碼學基于字母信息的編碼操作，通信的雙方按照約定的規(guī)則進行信息的移位編碼置換操作。古代密碼學中典型的案例，凱撒密碼正是基于字母的移位進行信息的隱藏。凱撒密碼破解的起源于語言學家，基于英文字母在通信過程中留下的指紋特點進行破解。但是傳統(tǒng)加密技術手段實現(xiàn)信息隱藏的隱寫術很難經受攻擊者蠻力破解的攻擊方法，伴隨著技術的一次次更新，出現(xiàn)了一次一密的加密方式[3]。經過實踐的數次測試，理論上而言，通信信息中信息字段一次一密的信息加密方式在應用中具有完全的保密性。

4 現(xiàn)代密碼學

現(xiàn)代密碼學將信息的安全性建立于堅實的數學基礎上。對稱密鑰算法和非對稱密鑰算法是常見的兩種現(xiàn)代密碼學加密算法類型。對稱密鑰算法是通信的雙方共用同一個加密解密密鑰，非對稱密鑰算法是通信雙方加密密鑰和解密密鑰不相同，雙方通信中用到的加密密鑰可以公開，簡稱公鑰，解密密鑰必須保密，又稱私人密鑰，簡稱私鑰[4]。典型的對稱密鑰算法有DES加密算法，非對稱密鑰算法有RSA加密算法，這兩種是當下最常用的兩種現(xiàn)代密碼學加密算法。

5 數字水印技術

數字水印技術屬于信息隱藏理論的一個分支，將特定的信息隱藏在數字化載體中，載體可以是圖片、音頻等資源，隱藏的信息只有通過專用的檢測器或閱讀器才能提取。數字水印技術主要用于數字化產品的防止竊取、版權保護等方面。

6 圖像的隱藏原理

二值圖像是指將圖像上的每一個像素只有兩種可能的取值或灰度等級狀態(tài)，人們經常用黑白、B&W、單色圖像表示二值圖像。二值圖像是指在圖像中，灰度等級只有兩種，也就是說，圖像中的任何像素點的灰度值均為0或者255，分別代表黑色和白色。二值圖像中所有的像素只能從0和1中取值。本文應用案例中，將二值圖像不為0的那個像素矩陣坐標值使用MATLAB 程序通過嵌入算法嵌入到載體圖片中，實現(xiàn)載體圖片與嵌入水印的載體在視覺上無法分辨。提取水印信息的時候通過原載體圖片和嵌入水印的載體圖片每一像素進行比對，從而得到水印二值圖與之對應像素坐標值的像素，從而還原得到水印的二值圖[5]。

7 隱藏圖像步驟

首先將明文數字文本信息通過DES加密形成密文，此外將密文信息圖片轉化為二值圖，通過MATLAB 程序將二值圖嵌入到載體圖片中，實驗結果保存嵌入二值圖水印的載體圖片[6]。合法用戶要想得到隱藏的數字文本信息只有通過嵌入算法將二值圖水印通過MATLAB程序在載體圖片中提取出來。

7.1 獲取數字信息的DES密文

首先通過DES在線單向加密的方式，將待加密的信息加密形成密文，明文信息為：明日正午12時刻發(fā)起攻擊。為了提高數據的安全性及穩(wěn)定性，明文信息的后面添加隨機特征值“123456”，DES加密密鑰為“111111”，DES加密密文如圖1所示。

圖1 數字信息的DES在線加解密

圖2 數字信息的DES密文嵌入圖片

如圖1所示，DES加密算法為對稱加密體制，通信收發(fā)雙方使用同樣一把加密、解密的密鑰，文中此處對應的收發(fā)雙方密鑰為“111111”，圖1 中DES 在線加密網站中的上面方框中為明文待加密的信息，當輸入加密密鑰后，點擊圖中的黃色加密按鍵，即可在圖中下方的方框中顯示出DES加密后的密文。解密的過程則是對加密過程的逆變換即可實現(xiàn)。此處可以得知明文信息后的添加的隨機特征值及收發(fā)雙方約定的密鑰，提高了明文信息被非法用戶破解的難度[7]。

7.2 數字水印實驗步驟

文中通過Photoshop軟件獲得數字信息的二值圖。Photoshop軟件打開文字信息圖片，在Photoshop菜單欄單擊【圖像】，選中圖像中的“模式”選項，即可得到數字信息圖片的二值圖。實際傳遞的文字信息存儲的格式為bmp，二值圖命名為flag，生成的二值圖像flag.bmp 的像素是200*200，數字信息DES密文的二值圖的顯示效果如圖3。

圖3 DES密文信息二值圖

水印信息二值圖圖片在制作的過程中，通過Photoshop軟件進行圖像“閾值”的調整，形成的水印信息二值圖信息也會形成不同清晰度的一個視覺效果。一個不包含文字信息的200*200 像素的載體圖像中，圖像命名為lena.jpg，如圖4所示。

圖4 水印載體圖像

7.3 數字水印嵌入與提取算法

本文實現(xiàn)數字水印嵌入與提取算法是通過MATLAB軟件中將二值圖像不為0的那個像素矩陣坐標值通過嵌入算法嵌入到載體圖片中，實現(xiàn)載體圖片與嵌入水印的載體在視覺上無法分辨[7]。提取水印信息的時候通過MATLAB 軟件從原載體圖片和嵌入水印的載體圖片每一像素進行比對，從而得到水印二值圖與之對應像素坐標值的像素，從而得到水印的二值圖[8]。

圖5 水印嵌入載體圖

圖6 水印提取圖

8 圖像隱藏效果

水印信息在MATLAB 下從載體圖片嵌入與提取，但在嵌入算法中，當改變水印嵌入到載體數據中的嵌入系數數值時，嵌入的水印信息效果會發(fā)生變化。經過實驗結果測試表明：嵌入系數越大，嵌入水印后的效果越差，嵌入系數越小，水印信息嵌入載體后的效果越好，越有利于隱藏信息。

通過圖7、圖8 可知通信中信息的安全性取決于水印嵌入系數及Photoshop軟件進行圖像“閾值”的調整度。

圖7 嵌入系數0.2較小后的水印效果圖

圖8 嵌入系數0.9變大后的水印效果圖

9 創(chuàng)新點

論文提出的信息隱藏方法，經過數次測試表明，為了取得較好的水印信息測試效果，水印信息DES密文二值圖在制作過程中可以通過Photoshop 軟件進行圖像“閾值”的調整，從而更好地取得信息隱藏的唯一性。文中的混合信息隱藏的方法可以進一步結合當下偽隨機數等加密工具進行技術方面的拓展，可進一步提高隱藏信息數據的安全性。

1 0 結語

論文設計了一種通過MATLAB 軟件仿真并結合數字水印技術實現(xiàn)的數字信息隱藏方法。文中實驗用到的水印信息在嵌入到載體圖像中，在感官上人眼是無法區(qū)別的，從而起到更好的隱藏信息的效果[9]。隨著數字化產品應用的廣泛，未來數字水印技術必將是隱藏信息采用的主要技術趨勢[10]。