簡單信息隱藏技術(shù)的實(shí)現(xiàn)與討論

1、圖像的信息隱藏技術(shù)的實(shí)現(xiàn)與討論1. 引言 數(shù)字圖像的信息隱藏技術(shù)是數(shù)字圖像處理領(lǐng)域中最具挑戰(zhàn)性、最為活躍的研究課題之一。本文概述了數(shù)字圖像的信息隱藏技術(shù)，并給出了一個新的基于彩色靜止數(shù)字圖像的信息隱藏算法。 數(shù)字圖像可分為靜止圖像和動態(tài)圖像兩種，后者一般稱為視頻圖像。視頻圖像的每一幀均可看作是一幅靜止圖像，但是這些靜止圖像之間并不是相互孤立的，而是存在時間軸上的相關(guān)性。靜止圖像是像素（Pixel）的集合，相鄰像素點(diǎn)所對應(yīng)的實(shí)際距離稱為圖像的空間分辨率。根據(jù)像素顏色信息的不同，數(shù)字圖像可分為二值圖像、灰度圖像以及彩色圖像。數(shù)字圖像的最終感受者是人的眼睛，人眼感受到的兩幅質(zhì)量非常相同的數(shù)字圖像的像

2、素值可能存在很大的差別。這樣，依賴于人的視覺系統(tǒng)（Human Visual System，HVS）的不完善性，就為數(shù)字圖像的失真壓縮和信息隱藏提供了非常巨大的施展空間。 信息隱藏與信息加密是不盡相同的，信息加密是隱藏信息的內(nèi)容，而信息隱藏是隱藏信息的存在性，信息隱藏比信息加密更為安全，因為它不容易引起攻擊者的注意。2. 信息隱藏技術(shù)綜述2.1信息隱藏簡介 信息隱藏（Information Hiding），也稱作數(shù)據(jù)隱藏（Data Hiding），或稱作數(shù)字水?。―igital Watermarking）。簡單來講，信息隱藏是指將某一信號（一般稱之為簽字信號，Signature Signal）嵌

3、入（embedding）另一信號（一般稱之為主信號，Host Signal，或稱之為掩護(hù)媒體，cover-media）的過程，掩護(hù)媒體經(jīng)嵌入信息后變成一個偽裝媒體（stegano-media）。這一嵌入過程需要滿足下列條件： 簽字信號的不可感知性（Imperceptibility）。換句話講，簽字信號嵌入后，主信號的感知特性沒有明顯的改變，簽字信號被主信號隱藏了起來。 簽字信號的魯棒性（Robustness）。簽字信號對主信號的各種失真變換，如失真信號壓縮、仿射變換、加噪、A/D或D/A轉(zhuǎn)換等，以及各種惡意性攻擊（Malicious Attack），都應(yīng)體現(xiàn)出一定的魯棒性。除非主信號的感知特性

4、被明顯的破壞，簽字信號將很難被去除。 一般來講，簽字信號的嵌入不增加主信號的存儲空間和傳輸帶寬。也就是說，簽字信號嵌入后，表面上很難覺察到信息的改變。 信息隱藏的發(fā)展歷史可以一直追溯到匿形術(shù)（Steganography）的使用。匿形術(shù)一詞來源于古希臘文中隱藏的和圖形兩個詞語的組合。雖然匿形術(shù)與密碼術(shù)（Cryptography）都是致力于信息的保密技術(shù)，但是，兩者的設(shè)計思想?yún)s完全不同。密碼術(shù)主要通過設(shè)計加密技術(shù)，使保密信息不可讀，但是對于非授權(quán)者來講，雖然他無法獲知保密信息的具體內(nèi)容，卻能意識到保密信息的存在。而匿形術(shù)則致力于通過設(shè)計精妙的方法，使得非授權(quán)者根本無從得知保密信息的存在與否。相對于

5、現(xiàn)代密碼學(xué)來講，信息隱藏的最大優(yōu)勢在于它并不限制對主信號的存取和訪問，而是致力于簽字信號的安全保密性。2.2 信息隱藏的關(guān)鍵技術(shù) 信息隱藏技術(shù)的關(guān)鍵在于如何處理簽字信號的魯棒性、不可感知性、以及所嵌入的數(shù)據(jù)量這三者之間的關(guān)系。判斷信息隱藏算法優(yōu)劣的一般衡量準(zhǔn)則為： 1). 對于主信號發(fā)生的部分失真，簽字信號是否具備一定的魯棒性。 2). 對于有意或無意的竊取、干擾或去除操作，簽字信號是否具備一定的抵抗能力，從而保證隱藏信息的安全可靠和完整性。 3). 簽字信號的嵌入是否嚴(yán)重降低了主信號的感知效果。 4). 數(shù)據(jù)嵌入量的大小。 對于某一特定的信息隱藏算法來講，它不可能在上述的衡量準(zhǔn)則下同時達(dá)到最

6、優(yōu)。顯然，數(shù)據(jù)的嵌入量越大，簽字信號對原始主信號感知效果的影響也會越大；而簽字信號的魯棒性越好，其不可感知性也會就隨之降低，反之亦然。由于信息隱藏的應(yīng)用領(lǐng)域十分寬廣，不同的應(yīng)用背景對其技術(shù)要求也不盡相同。因此，有必要從不同的應(yīng)用背景出發(fā)對信息隱藏技術(shù)進(jìn)行分類，進(jìn)而分別研究它們的技術(shù)需求。根據(jù)應(yīng)用背景的不同，信息隱藏技術(shù)大致可分為三類: （1） 版權(quán)保護(hù)（Copyright Protection） 到目前為止，信息隱藏技術(shù)的絕大部分研究成果都是在這一應(yīng)用領(lǐng)域中取得的。信息隱藏技術(shù)在應(yīng)用于版權(quán)保護(hù)時，所嵌入的簽字信號通常被稱作數(shù)字水印（Digital Watermark）。版權(quán)保護(hù)所需嵌入的數(shù)據(jù)量

7、最小，但對簽字信號的安全性和魯棒性要求也最高，甚至是十分苛刻的。為明確起見，應(yīng)用于版權(quán)保護(hù)的信息隱藏技術(shù)一般稱作魯棒型水印技術(shù)，而所嵌入的簽字信號則相應(yīng)的稱作魯棒型水?。≧obust Watermark），從而與下文將要提到的脆弱型水印區(qū)別開來。而一般所提到的數(shù)字水印則多指魯棒型水印。 由于魯棒型數(shù)字水印用于確認(rèn)主信號的原作者或版權(quán)的合法擁有者，它必須保證對原始版權(quán)的準(zhǔn)確無誤的標(biāo)識。因為數(shù)字水印時刻面臨著用戶或侵權(quán)者有意或惡意的破壞，因此，魯棒型水印技術(shù)必須保證在主信號可能發(fā)生的各種失真變換下，以及各種惡意攻擊下都具備很高的抵抗能力。與此同時，由于要求保證原始信號的感知效果盡可能不被破壞，因此

8、對魯棒型水印的不可見性也有很高的要求。如何設(shè)計一套完美的數(shù)字水印算法，并伴隨以制訂相應(yīng)的安全體系結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)真正實(shí)用的版權(quán)保護(hù)方案，是信息隱藏技術(shù)最具挑戰(zhàn)性也最具吸引力的一個課題。 （2） 數(shù)據(jù)完整性鑒定（Integrity Authentication） 數(shù)據(jù)完整性鑒定，又稱作數(shù)據(jù)篡改驗證（Tamper Proof），是指對某一信號的真?zhèn)位蛲暾缘呐袆e，并進(jìn)一步需要指出該信號與原始真實(shí)信號的差別，即提供有關(guān)證據(jù)指明真實(shí)信號可能經(jīng)歷的篡改操作7。更形式化的講，假定接收到一多媒體信號g（圖像、音頻或視頻信號），初步判斷它很可能是某一原始真實(shí)信號f的修改版本。數(shù)據(jù)篡改驗證的任務(wù)就是在對原始

9、信號f的具體內(nèi)容不可知的情況下，以最大的可能判斷是否g=f。一般的數(shù)據(jù)篡改驗證過程如圖3所示。圖3 數(shù)據(jù)篡改驗證一般過程 實(shí)用的數(shù)據(jù)篡改驗證方法應(yīng)致力于滿足以下要求： 以最大的可能指出是否有某種形式的篡改操作發(fā)生； 提供對篡改后信號失真程度的度量方法； 在無從得知原始真實(shí)信號的內(nèi)容或其他與真實(shí)信號內(nèi)容相關(guān)的信息的條件下，判斷可能發(fā)生的篡改操作的具體類別，如判別是濾波、壓縮，還是替代操作等；與此同時，應(yīng)根據(jù)具體的應(yīng)用背景，對經(jīng)篡改后的信號給出相應(yīng)的可信度； 無需維護(hù)和同步操作任何與原始信號相分離的其它附加數(shù)據(jù)，即可恢復(fù)重建原始真實(shí)信號。 脆弱型水印（Fragile Watermark）技術(shù)為數(shù)據(jù)

10、篡改驗證提供了一種新的解決途徑。該水印技術(shù)在原始真實(shí)信號中嵌入某種標(biāo)記信息，通過鑒別這些標(biāo)記信息的改動，達(dá)到對原始數(shù)據(jù)完整性檢驗的目的。因此，與魯棒型水印不同的是，脆弱型水印應(yīng)隨著主信號的變動而做出相應(yīng)的改變，即體現(xiàn)出脆弱性。但是，脆弱型水印的脆弱性并不是絕對的。對主信號的某些必要性操作，如修剪或壓縮，脆弱型水印也應(yīng)體現(xiàn)出一定的魯棒性，從而將這些不影響主信號最終可信度的操作與那些蓄意破壞操作區(qū)分開來。另一方面，對脆弱型水印的不可見性和所嵌入數(shù)據(jù)量的要求與魯棒型水印是近似的。 （3） 擴(kuò)充數(shù)據(jù)的嵌入（Augmentation Data Embedding） 擴(kuò)充數(shù)據(jù)包括對主信號的描述或參考信息、

11、控制信息以及其它媒體信號等等。描述信息可以是特征定位信息、標(biāo)題或內(nèi)容注釋信息等，而控制信息的嵌入則可實(shí)現(xiàn)對主信號的存取控制和監(jiān)測。例如，一方面針對不同所有權(quán)級別的用戶，可以分別授予不同的存取權(quán)限。另一方面，也可通過嵌入一類通常被稱作時間印章（Time Stamp）的信息，以跟蹤某一特定內(nèi)容對象的創(chuàng)建、行為以及被修改的歷史。這樣，利用信息隱藏技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對這一對象歷史使用操作信息的記錄，而無需在原信號上附加頭文件或歷史文件，因為使用附加文件，一來容易被改動或丟失，二來需要更多的傳輸帶寬和存儲空間。與此同時，在給定的主信號中還可嵌入其它完整而有意義的媒體信號，例如在給定視頻序列中嵌入另一視頻序列。因

12、此，信息隱藏技術(shù)提供了這樣一種非常有意義而且極具魅力的應(yīng)用前景，它允許用戶將多媒體信息剪裁成他們所需要的形式和內(nèi)容8。例如，在某一頻道內(nèi)收看電視，可以通過信息隱藏方法在所播放的同一個電視節(jié)目中嵌入更多的鏡頭以及多種語言跟蹤，使用戶能夠按照個人的喜好和指定的語言方式播放。這在一定意義上實(shí)現(xiàn)了視頻點(diǎn)播（Video on Demand，VOD）的功能，而其最大的優(yōu)點(diǎn)在于它減少了一般VOD服務(wù)所需的傳輸帶寬和存儲空間。 顯然，相對于數(shù)字水印來講，擴(kuò)充數(shù)據(jù)的嵌入所需隱藏的數(shù)據(jù)量較大，大量數(shù)據(jù)的嵌入對簽字信號的不可見性提出了挑戰(zhàn)。另一方面，由于擴(kuò)充數(shù)據(jù)本身的可利用價值，簽字信號一般不會受到蓄意攻擊的困擾。

13、但是，對于主信號的尺度變換、剪切或?qū)Ρ榷仍鰪?qiáng)等操作，特別是失真編碼，擴(kuò)充數(shù)據(jù)嵌入技術(shù)也要具備一定的魯棒性。 2.3彩色圖像的BMP文件格式 BMP圖像文件格式，是微軟公司為其WINDOWS環(huán)境設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)圖像格式，并且內(nèi)含了一套圖像處理的API函數(shù)。隨著WINDOWS在世界范圍內(nèi)的普及， BMP文件格式越來越多地被各種應(yīng)用軟件所支持。BMP圖像文件是位圖文件，位圖表示的是將一幅圖像分割成柵格，柵格的每一點(diǎn)稱為像素，每一個像素具有自己的RGB值，即一幅圖像是由一系列像素點(diǎn)構(gòu)成的點(diǎn)陣。位圖文件格式支持4位RLE（行程長度編碼）以及8位和24位編碼。 在本文中我們只處理 24 位格式。24位BMP圖像

14、文件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為： 每個文件只能非壓縮地存放一幅彩色圖像； 文件頭由54個字節(jié)的數(shù)據(jù)段組成，其中包含有該位圖文件的類型、大小、圖像尺寸及打印格式等； 從第55個字節(jié)開始，是該文件的圖像數(shù)據(jù)部分，數(shù)據(jù)的排列順序以圖像的左下角為起點(diǎn)，從左到右、從下到上，每連續(xù)3個字節(jié)便描述圖像一個像素點(diǎn)的顏色信息，這三個字節(jié)分別代表藍(lán)、綠、紅三基色在此像素中的亮度，若某連續(xù)三個字節(jié)為：00H，00H，F(xiàn)FH，則表示該像素的顏色為純紅色。 以下我們詳細(xì)討論位圖文件的具體結(jié)構(gòu)。BR 2.4.1位圖文件的標(biāo)頭 標(biāo)頭包含位圖文件的類型大小信息和版面信息。結(jié)構(gòu)如下2：typedef struct tagBITMAPFILE

15、HEADER UINT bfType; DWORD bfSize; UINT bfReserved1; UINT bfReserved2; DWORD bfOffBits;BITMAPFILEHEADER; 下面是對這個清單中的代碼元素的說明： bfType：指定文件類型，其值始終為BM。 bfSize：指定整個文件的大?。ㄒ宰止?jié)為單位）。 bfReserved1：保留 - 一般為0。 bfReserved2：保留 - 一般為0。 bfOffBits：指定從 BitmapFileHeader 到圖像首部的字節(jié)偏移量。 現(xiàn)在我們已經(jīng)知道位圖標(biāo)頭的用途就是標(biāo)識位圖文件。讀取位圖文件的每個程序都使用

16、位圖標(biāo)頭來進(jìn)行文件驗證。2.4.2位圖信息標(biāo)頭 隨后的標(biāo)頭稱為信息標(biāo)頭，其中包含圖像本身的屬性。下面說明如何指定 Windows 3.0（或更高版本）設(shè)備獨(dú)立位圖 (DIB) 的大小和顏色格式：typedef struct tagBITMAPINFOHEADER DWORD biSize; /BITMAPINFOHEADER 結(jié)構(gòu)所需的字節(jié)數(shù)LONG biWidth; /位圖的寬度（以象素為單位）LONG biHeight; /位圖的高度（以象素為單位）WORD biPlanes; /目標(biāo)設(shè)備的位面數(shù)。這個成員變量的值必須為1WORD biBitCount; /每個象素的位數(shù)。其值必須為1、4

17、、8或24DWORD biCompression; /壓縮位圖的壓縮類型。在24位格式中，該變量被設(shè)置為0DWORD biSizeImage; /圖像字節(jié)大小。如果位圖的格式是BI_RGB，則將此成員變量設(shè)置為0是有效的LONG biXPelsPerMeter; /為位圖指定目標(biāo)設(shè)備水平分辨率（以象素/米為單位）。程序可用該值從最符合當(dāng)前設(shè)備特征的資源群組中選擇一個位圖LONG biYPelsPerMeter; /為位圖指定目標(biāo)設(shè)備的垂直分辨率（以象素/米為單位）DWORD biClrUsed; /指定位圖實(shí)際所用的顏色表中的顏色索引數(shù)。如果biBitCount設(shè)為24，則biClrUsed指

18、定用來優(yōu)化Windows調(diào)色板性能的參考顏色表DWORD biClrImportant; /指定對位圖的顯示有重要影響的顏色索引數(shù)。如果此值為0，則所有顏色都很重要 BITMAPINFOHEADER; 現(xiàn)在已定義了創(chuàng)建圖像所需的全部信息。2.4.3圖像數(shù)據(jù) 在24位格式中，圖像中的每個象素都由存儲為三字節(jié)的RGB序列表示。每個掃描行都被補(bǔ)足到4位。圖像是自底而上存儲的，即第一個掃描行是圖像中的最后一個掃描行。下圖顯示了位圖文件的標(biāo)頭（BITMAPHEADER）和位圖信息標(biāo)頭（BITMAPINFOHEADER）以及部分圖像數(shù)據(jù)：圖4 位圖文件局部示例2.5基于彩色靜止數(shù)字圖像的信息隱藏算法 在分

19、析了信息隱藏算法的基本框架和彩色圖像的BMP文件格式后，本文提出一種基于彩色靜止數(shù)字圖像的信息隱藏算法，分別如圖5和圖6所示。 算法4.1（基于彩色靜止數(shù)字圖像的信息隱藏嵌入算法） 1) 將待隱藏信息（以下稱簽字信號）的字節(jié)長度寫入BMP文件標(biāo)頭部分的保留字節(jié)中； 2) 將簽字信號轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)據(jù)碼流； 3) 將BMP文件圖像數(shù)據(jù)部分的每個字節(jié)的高7位依次異或后再與上述二進(jìn)制數(shù)碼流異或后的結(jié)果寫入最低位；圖5 基于彩色靜止數(shù)字圖像的信息隱藏嵌入過程 算法4.2（基于彩色靜止數(shù)字圖像的信息隱藏提取算法） 1) 讀BMP文件標(biāo)頭部分的保留字節(jié)值，設(shè)為L，若為0則沒有隱藏信息，終止算法；若不為0則其

20、值為隱藏信息的字節(jié)長度； 2) 將BMP文件圖像數(shù)據(jù)部分的每個字節(jié)8位依次異或，并保存其結(jié)果； 3) 重復(fù)第（2）步，使每8個BMP文件圖像數(shù)據(jù)部分字節(jié)經(jīng)過運(yùn)算后組成一個隱藏信息字節(jié)； 4) 重復(fù)（2）、（3）直到隱藏信息字節(jié)長度為L。圖6 基于彩色靜止數(shù)字圖像的信息隱藏提取過程 可以證明，提取后的信息就是嵌入的簽字信號。以簽字信號的一個位S為例，設(shè)對應(yīng)的一個位圖數(shù)據(jù)字節(jié)為X7X6X5X4X3X2X1X0,嵌入簽字信號后的位圖數(shù)據(jù)字節(jié)為X7X6X5X4X3X2X1X0,其中：X0 = X7X6X5X4X3X2X1S 設(shè)提取后的簽字信號為S，則，S =X7X6X5X4X3X2X1X0=(X7X6

21、X5X4X3X2X1X7)(X6X5X4X3X2X1S)=(X7X6X5X4X3X2X1X7)(X6X5X4X3X2X1)S=S 證畢。3. 算法實(shí)現(xiàn)1、HideInfo.cpp:/*1. BMP文件頭 BMP文件頭數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)含有BMP文件的類型、文件大小和位圖起始位置等信息。其結(jié)構(gòu)定義如下: */ typedef struct tagBitMapFileHeaderbyte bfType2; / 位圖文件的類型，必須為BM byte bfSize4; / 位圖文件的大小，以字節(jié)為單位 byte bfReserved12; / 位圖文件保留字，必須為0 byte bfReserved22; /

22、位圖文件保留字，必須為0 byte bfOffBits4; / 位圖數(shù)據(jù)的起始位置，以相對于位圖文件頭的偏移量表示，以字節(jié)為單位 *BitMap; /該結(jié)構(gòu)占據(jù)14個字節(jié)。/*功能：返回圖像的長度*/int getValue(byte*A,int num)int result = 0;for(int i = num-1;i0;i-) result+=Ai; result = result8; result+=A0; return result;/*功能：將信息隱藏到圖片中*/void hideInFo() FILE* fp; char dataMAX; char pathMAX; BitOpe

23、rate operate; string path1 = 請輸入圖片路徑（如:c:pics1.bmp）; cout path1 endl; char temp3100; cin.getline(temp3, 100, n); cin.getline(path, sizeof(path), n); if(fp = fopen(path, r+)=NULL) cout打開文件的時候出現(xiàn)錯誤！bfSize,4); int databegin = getValue(map-bfOffBits,4); if(datalength*8)(maplength-databegin) printf(隱藏信息太長

24、!請選擇一個更大的圖片或者將信息分塊隱藏n); return; /首先將文件的長度隱藏起來； byte temp32; fseek(fp,databegin,SEEK_SET);/定位到數(shù)據(jù)塊的起點(diǎn)； fread(temp,sizeof(char)*32,1,fp); int copy = datalength; for(int i = 31;i=0;i-) bool v = (bool)(copy%2); tempi = operate.bitSet(tempi,1,v); copy = copy/2; fseek(fp,databegin,SEEK_SET); /定位到數(shù)據(jù)塊的起點(diǎn)； fw

25、rite(temp,sizeof(byte)*32,1,fp); /以下將數(shù)據(jù)信息隱藏到圖像中； int times = 0; byte ch8; while(times/加上隱藏的文件長度信息； fseek(fp,databegin+32+times*8,SEEK_SET);/定位到數(shù)據(jù)塊的起點(diǎn)； fread(ch,sizeof(byte),8,fp); /讀出8個字節(jié)； for(int i = 7;i=0;i-) chi = operate.bitSet(chi,1,operate.bitAt(datatimes,8-i); fseek(fp,databegin+32+times*8,SE

26、EK_SET);/定位到數(shù)據(jù)塊的起點(diǎn)； fwrite(ch,sizeof(byte),8,fp); /寫入8個字節(jié)； times+; fclose(fp); cout 隱藏成功，按任意鍵退出 endl;/*將圖片中隱藏的信息提取出來*/void getInFo() FILE* fp; byte dataMAX; BitOperate operate; char pathMAX; cout 請輸入圖片路徑（如:c:pics1.bmp） endl; char temp3100; cin.getline(temp3, 100, n); cin.getline(path, sizeof(path),

27、n); if(fp = fopen(path, r+)=NULL) cout打開文件的時候出現(xiàn)錯誤！bfOffBits,4); /得到數(shù)據(jù)塊開始的偏移地址； /獲取文件的長度； int datalength = 0; /首先將隱藏文件的長度讀出來； byte temp32; fseek(fp,databegin,SEEK_SET); /定位到數(shù)據(jù)塊的起點(diǎn)； fread(temp,sizeof(char)*32,1,fp); for(int i = 0;i31;i+) datalength += (int)operate.bitAt(tempi,1); datalength = dataleng

28、th1; datalength += (int)operate.bitAt(temp31,1); /printf(nnDatalength = %dn,datalength); int times = 0; byte ch8; while(times/加上隱藏的文件長度信息； fseek(fp,databegin+32+times*8,SEEK_SET); fread(ch,sizeof(byte),8,fp); /讀出8個字節(jié)； /printf(nch = %sn,ch); datatimes = 0; for(int i = 0;i8|position1) coutOut of Bound! Position must be a number between 1 - 8 return ch; bool bit = bitAt(temp,position); if(bitvalue)/如果不相同的話 if(bit = 0) byte m = (byte)value; for(int i = 1;i m = m1