基于藏傳佛教紋飾符號(hào)構(gòu)造紋理的信息隱藏方法

吳秀琪，張春玉，丁澤威，郭晨飛

（西藏民族大學(xué)信息工程學(xué)院，咸陽(yáng) 712082）

0 引言

信息隱藏技術(shù)的相關(guān)研究最早開始于上個(gè)世紀(jì)90年代中期，歷經(jīng)多年的發(fā)展成為通訊信息安全領(lǐng)域的重要研究方向。傳統(tǒng)的信息隱藏方式大多是將秘密信息隱匿于普通的媒體介質(zhì)中，信息竊取者發(fā)現(xiàn)秘密信息的難度增加，從而達(dá)到信息隱蔽傳輸?shù)哪康摹？v觀信息隱藏技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程，出現(xiàn)了許多像數(shù)字水印技術(shù)、隱寫術(shù)、可視密碼技術(shù)等十分優(yōu)秀的隱寫方法，為國(guó)家信息安全體系的完善以及信息安全水平的提升打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

鑒于當(dāng)前信息隱藏的技術(shù)大多采用對(duì)常見(jiàn)的數(shù)字載體（視音頻、數(shù)字圖像等）進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?，而后嵌入秘密信息的方式，攻擊者不斷?yōu)化隱寫分析算法，通過(guò)分析秘密信息與媒體介質(zhì)在統(tǒng)計(jì)特征上的差異，判別秘密信息在媒體介質(zhì)中的隱藏位置，預(yù)測(cè)秘密信息的數(shù)據(jù)量，使得秘密信息暴露的可能性大大增加。此類基于載體修改式的信息隱藏只要修改則一定會(huì)留下痕跡，從而為隱寫分析者留下可乘之機(jī)。為了從根本上消除修改載體帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，零隱藏概念、無(wú)載體信息隱藏技術(shù)被提出。

無(wú)載體信息隱藏發(fā)展至今，大致可以分為編碼/映射式和生成式。其中生成式無(wú)載體信息隱藏也稱為構(gòu)造式信息隱藏，是指在不預(yù)先指定原始載體的情況下，由秘密信息按照一定規(guī)則直接生成含密載體。該類方法又分為半構(gòu)造式和完全構(gòu)造式。半構(gòu)造式信息隱藏由事先給出的載體構(gòu)造預(yù)設(shè)條件，根據(jù)秘密信息并遵循一定的構(gòu)造規(guī)則生成含密載體，含密載體屬于特定類型。Otrori和Kuriyama教授最先提出不提前指定數(shù)字載體，在紋理合成的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)嵌入的基本思路。該方法在常規(guī)的紋理樣本圖像中選取多個(gè)彩色樣本點(diǎn)，然后將二值數(shù)據(jù)和彩色樣本點(diǎn)之間的關(guān)系用LBP碼進(jìn)行映射，最終根據(jù)秘密信息的內(nèi)容從紋理樣本圖像中選取恰當(dāng)?shù)募y理圖像，生成一副具有傳統(tǒng)美學(xué)工藝的含密紋理圖像。

上述基于紋理合成的半構(gòu)造式信息隱藏方法，生成的紋理圖像類似加密數(shù)據(jù)，反而容易引起攻擊者懷疑。本文以藏傳佛教特有的紋飾符號(hào)為基礎(chǔ)，利用模擬水影畫（又稱濕拓畫，marbling）的方法來(lái)隱藏秘密信息，該方法需要先在一張白紙上寫出需要傳遞的秘密信息，利用模擬marbling的方法對(duì)該圖案進(jìn)行形變，再用相似的背景圖案對(duì)其余的空白部分進(jìn)行填充，最后生成具有藏文化特色的含密紋理圖像。該方法不僅具有一定的隱寫能力，并且生成的藏文化特色紋理不容易引起攻擊者懷疑，視覺(jué)隱蔽性更強(qiáng)。

1 總體方案

本文提出的信息隱寫方法的總體方案如圖1所示。在信息隱藏階段，首先構(gòu)建紋飾符號(hào)庫(kù)，其中包含多種單元，包括圖形的顏色、紋理等特征，按照其特征，選擇或構(gòu)造特征值進(jìn)行編碼。其次，確定紋飾符號(hào)與二進(jìn)制數(shù)據(jù)之間的映射關(guān)系，從而形成秘密信息、二進(jìn)制數(shù)據(jù)與紋飾符號(hào)之間的映射表。再次，將秘密信息分成兩部分，一部分從紋飾符號(hào)庫(kù)中選擇相應(yīng)的單元，確定每個(gè)單元的圖形特征和背景顏色，同時(shí)根據(jù)另一部分秘密信息在畫布上選擇合適的坐標(biāo)值，然后將選定的紋飾符號(hào)擺放到畫布相應(yīng)的坐標(biāo)值處形成一幅源含密圖像。最后，在填充過(guò)程中利用marbling（水影畫）方法對(duì)生成的圖像進(jìn)行多次齒狀變換和正弦變換，隨機(jī)選擇干擾符號(hào)擺放到畫布上，剩余空白部分選擇與紋飾符號(hào)相近的顏色來(lái)填充，得到具有復(fù)雜紋理結(jié)構(gòu)的含密紋理圖像。

圖1 總體方案流程圖

秘密信息的提取是信息隱藏的逆過(guò)程，信息提取者和信息隱寫者需要事先約定共享相同的紋飾符號(hào)庫(kù)，然后信息提取者對(duì)含密圖像去除背景顏色和干擾符號(hào)，并進(jìn)行逆變換操作，進(jìn)而根據(jù)特征解碼得到秘密信息。

2 隱寫方案

2.1 構(gòu)建紋飾符號(hào)庫(kù)

根據(jù)秘密信息繪制源圖像前，選擇具有不同特征的紋飾符號(hào)來(lái)代表不同的二進(jìn)制數(shù)據(jù),本文將前期搜集的藏傳佛教紋飾符號(hào)進(jìn)行整理分類，并將其特征種類記為=｛，，｝，其中E可表示為紋飾符號(hào)、顏色及坐標(biāo)等。每種E可有多種取值，=｛，，…，S｝，其中，，…，S表示不同紋飾符號(hào)，=｛，，，｝，其中，，，分別表示紅、綠、藍(lán)、黃四種顏色。將二進(jìn)制數(shù)據(jù)與E的取值空間相互對(duì)應(yīng)，則E的每個(gè)取值可與多個(gè)比特相對(duì)應(yīng)。

表1給出一個(gè)簡(jiǎn)單的示例，此紋飾符號(hào)庫(kù)中包含兩個(gè)特征種類：紋飾符號(hào)和顏色。本實(shí)例所選的四個(gè)紋飾符號(hào)均為前期搜集整理的紋飾符號(hào)庫(kù)中隨機(jī)選取，每種紋飾符號(hào)對(duì)應(yīng)2比特的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，顏色包含四種，分別是紅色、藍(lán)色、黃色和綠色，每種顏色也對(duì)應(yīng)2比特的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。此處需要說(shuō)明的是，由于信息隱藏者和信息提取者均需要利用該紋飾符號(hào)庫(kù)對(duì)秘密數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，因此信息提取者和信息隱藏者需要事先約定共享相同的紋飾符號(hào)庫(kù)。

表1 紋飾符號(hào)庫(kù)及編碼示例

此外，該紋飾符號(hào)庫(kù)中應(yīng)該還包括已定義完成的背景顏色，如本示例中的值，此值采用RGB顏色值。應(yīng)注意的是，選擇的背景顏色應(yīng)包含在紋飾符號(hào)庫(kù)的特征種類顏色中，同時(shí)應(yīng)與選擇的紋飾符號(hào)的顏色相近，以便于紋飾符號(hào)的隱寫。

2.2 嵌入秘密信息

信息隱藏者根據(jù)紋飾符號(hào)庫(kù)中定義的各特征的取值空間決定每個(gè)紋飾符號(hào)攜帶秘密信息的數(shù)量，而在信息隱藏過(guò)程中，每個(gè)紋飾符號(hào)包括多種特征，因此僅需選擇部分特征來(lái)表示秘密數(shù)據(jù)。本文將秘密信息分為三部分，第一部分秘密信息為對(duì)應(yīng)的藏傳佛教紋飾符號(hào)，本文選取典型的統(tǒng)計(jì)特征（如像素和等）作為紋飾符號(hào)的特征值；第二部分秘密信息為對(duì)應(yīng)的不同顏色，可以采取2比特的二進(jìn)制數(shù)據(jù)表示紋飾符號(hào)顏色；第三部分為對(duì)應(yīng)符號(hào)在畫布上的坐標(biāo)。在畫布上作一個(gè)×直角坐標(biāo)系，隨機(jī)選取個(gè)點(diǎn)，并將這些點(diǎn)作為每個(gè)紋飾符號(hào)的形心坐標(biāo)。

信息隱藏者需要將每個(gè)單元（紋飾符號(hào)和顏色確定后的圖形）擺放到畫布上，由于目前常見(jiàn)的信息隱藏單位通常是1個(gè)字節(jié)，因此可以選擇2比特的秘密數(shù)據(jù)來(lái)表示每個(gè)單元在畫布上的形心坐標(biāo)位置。此外，由于每個(gè)單元的形狀、顏色及其擺放位置等特征均由秘密數(shù)據(jù)決定，為方便后續(xù)秘密信息的提取，一般將每個(gè)單元在畫布上的位置擺放得較為稀疏，同時(shí)在畫布上也會(huì)擺放多個(gè)干擾符號(hào)，使得信息竊取者難以確定秘密信息隱藏的位置，繼而提高信息隱藏的安全性。

2.3 生成含密圖像

在確定個(gè)單元紋飾符號(hào)的坐標(biāo)及其特征值后，將確定的紋飾符號(hào)嵌入到畫布上，以畫布的最左上方為坐標(biāo)原點(diǎn)，軸從左向右遞增，軸從上向下遞增。在嵌入紋飾符號(hào)前，需要預(yù)設(shè)好一定面積內(nèi)可擺放的紋飾符號(hào)的最大數(shù)目。信息隱藏者一般通過(guò)對(duì)源含密圖像進(jìn)行形變操作來(lái)達(dá)到具有水影畫效果的紋理圖，對(duì)圖像進(jìn)行形變操作需要用到形變函數(shù)，常見(jiàn)的形變函數(shù)有齒狀變換、斜變換、正弦變換、正切變換、冪函數(shù)變換等。進(jìn)行信息隱藏的過(guò)程中，為生成較為復(fù)雜的紋理圖，可選擇多種形變函數(shù)對(duì)源含密圖像進(jìn)行形變操作，本文僅選取齒狀變換和正弦變換來(lái)進(jìn)行形變操作。

正弦變換是進(jìn)行形變操作的常用函數(shù)之一，假設(shè)源含密圖像中某一紋飾符號(hào)的擺放位置為（，），經(jīng)過(guò)操作后得到（，），使用的操作為

以上各式中，為正弦變換的波長(zhǎng)，為振幅，為相位，為形變的偏移量。

另一種齒狀變換在方向和方向分別進(jìn)行形變操作，假設(shè)源含密圖像中某一紋飾符號(hào)的擺放位置為（，），經(jīng)過(guò)齒狀變換后的映射點(diǎn)為（，），則變換過(guò)程為

以上各式中，表示最大位移量，控制齒形間距的大小，fmod（·）為求余函數(shù)。

對(duì)源含密圖像進(jìn)行形變操作后，信息隱藏者在源含密圖像的背景空白處添加一些與已有符號(hào)的特征相似的背景圖形，即干擾符號(hào)，而干擾符號(hào)由紋飾符號(hào)庫(kù)中紋飾符號(hào)不規(guī)則變換產(chǎn)生，同時(shí)填充與選定的紋飾符號(hào)顏色相近的背景顏色，以增加隱秘性，達(dá)到視覺(jué)上較為協(xié)調(diào)的效果，如圖2所示。

圖2 初次繪制圖像

在添加干擾符號(hào)后，信息隱藏者對(duì)初步繪制完成的源含密圖像仍然可以進(jìn)行多次形變操作，從而獲得更為復(fù)雜的紋理圖像。為了提高秘密信息的安全性，隱寫者通過(guò)對(duì)形變的順序和參數(shù)進(jìn)行加密，生成讀取秘密信息所必須的密鑰，通過(guò)信任的安全通道將密鑰發(fā)送給提取者。

2.4 提取秘密信息

提取秘密信息時(shí)，提取者與隱寫者共享紋飾符號(hào)庫(kù)，根據(jù)紋飾符號(hào)庫(kù)中事先定義好的背景色除去圖像中填充的背景圖案，得到僅包含隱寫單元的圖像。在接收到發(fā)送者發(fā)送的密鑰后，根據(jù)密鑰對(duì)源含密圖像進(jìn)行形變的反操作。然后，利用卷積濾波確定每個(gè)符號(hào)所處位置，讀取其形心坐標(biāo)，進(jìn)而提取其中部分的秘密信息。最后，根據(jù)紋飾符號(hào)庫(kù)不同特征對(duì)應(yīng)的秘密數(shù)據(jù)，提取得到相應(yīng)的秘密信息。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證此隱寫算法，在實(shí)驗(yàn)中首先建立一個(gè)紋飾符號(hào)庫(kù)，庫(kù)中包含的特征有藏傳佛教紋飾符號(hào)和顏色，?代表“00”，?代表“01”，?代表“10”，?代表“11”；顏色特征包括四種：紅色、綠色、藍(lán)色和黃色，分別表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)“01”“10”“11”“00”，即每個(gè)單元可表示4比特的秘密信息；同時(shí)秘密信息在畫布上的擺放位置也代表2比特的秘密信息，也即每個(gè)單元可表示6比特的秘密數(shù)據(jù)。此外，紋飾符號(hào)庫(kù)中還定義了四種背景顏色，分別是［255，99，71］、［173，255，47］、［135，206，235］、［255，215，0］。

隨機(jī)產(chǎn)生一定比特的二進(jìn)制數(shù)據(jù)作為秘密信息，將這些秘密信息劃分成每6比特作為一個(gè)秘密信息數(shù)據(jù)單元，根據(jù)每個(gè)秘密信息數(shù)據(jù)單元從紋飾符號(hào)庫(kù)中選取對(duì)應(yīng)的紋飾符號(hào)，確定在畫布上的擺放位置。圖3是生成含密紋理圖像的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中圖3（a）是從紋飾符號(hào)庫(kù)中選取對(duì)應(yīng)的紋飾符號(hào)擺放到畫布上，畫布大小為512×512；圖3（b）是在圖3（a）的基礎(chǔ)上進(jìn)行正弦變換和齒狀變換，添加干擾符號(hào)，初步生成的含密紋理圖像；圖3（c）是在圖3（b）的基礎(chǔ)上添加背景顏色得到含密紋理圖像。其中使用的參數(shù)為：正弦變換中=50、=12、=π/3、=π/2，齒狀變換中=40、=84、=20。由圖3（c）可觀察到，此方法生成的含密紋理圖像具有良好的視覺(jué)美學(xué)效果。

信息提取者根據(jù)接收的具有傳統(tǒng)視覺(jué)美學(xué)效果的含密紋理圖像圖3（d），首先對(duì)其去除背景顏色和干擾符號(hào)，可以得到圖3（e）；再進(jìn)行正弦逆變換和齒狀逆變換，根據(jù)特征解碼獲取含密數(shù)據(jù)單元和位置坐標(biāo)，如圖3（f），從紋飾符號(hào)庫(kù)中查找對(duì)應(yīng)的紋飾符號(hào)的特征信息，最終得到秘密信息。

圖3 含密紋理圖像的生成與秘密信息的提取

通過(guò)添加不同的干擾符號(hào)和背景顏色或采取不同的形變操作，可以得到具有不同視覺(jué)效果的含密紋理圖像。圖4是添加不同的干擾符號(hào)的一組實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中圖4（a）是在2048×2048畫布上擺放紋飾符號(hào)后的圖像；在圖4（a）的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)一次正弦變換，然后再進(jìn)行兩次不同方向上的齒狀變換后可以得到圖4（b）；在圖4（b）上添加與上一組實(shí)驗(yàn)不同的干擾符號(hào)后可獲得圖4（c）；添加上背景顏色后可獲得含密紋理圖像，如圖4（d）所示。

圖4 含密紋理圖像的生成

大量實(shí)驗(yàn)表明，采用添加藏文化特征的干擾符號(hào)、背景色等方法，能成功地利于藏傳佛教紋飾符號(hào)進(jìn)行形變的模擬marbling操作，進(jìn)而生成具有藏文化特色的紋理圖。該含密紋理圖區(qū)別于其他同類方法生成的類似加密數(shù)據(jù)的紋理圖像，因?yàn)榫哂忻黠@的藏文化特色而接近自然圖像，不容易引起攻擊者的懷疑，因此具有更強(qiáng)的隱蔽性。

4 結(jié)語(yǔ)

西藏在信息化建設(shè)方面取得了巨大成功，信息安全也成為當(dāng)前研究重點(diǎn)。為了進(jìn)行西藏特色的信息安全研究，本文通過(guò)模擬水影畫的方法實(shí)現(xiàn)基于藏傳佛教紋飾符號(hào)的半構(gòu)造式信息隱藏。在隱藏過(guò)程中充分考慮藏文化特色的圖像語(yǔ)義特征，使含密紋理圖像的生成與秘密數(shù)據(jù)的隱藏同步進(jìn)行。用藏傳佛教紋飾符號(hào)不同的紋理特征表征二進(jìn)制數(shù)據(jù)，建立紋飾符號(hào)與二進(jìn)制數(shù)據(jù)之間的映射關(guān)系，在初次繪制的原圖像上添加干擾符號(hào)和背景顏色，并進(jìn)行一系列的可逆形變操作，最終生成一副具有藏文化特色的含密紋理圖像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法較同類方法生成的含密紋理圖像不僅具有更好的視覺(jué)美學(xué)效果，而且隱蔽性更強(qiáng)。