簡單信息隱藏技術的實現(xiàn)與討論

1、圖像的信息隱藏技術的實現(xiàn)與討論1. 引言數(shù)字圖像的信息隱藏技術是數(shù)字圖像處理領域中最具挑戰(zhàn)性、最為活躍的研究課題z-0本 文概述了數(shù)字圖像的信息隱藏技術，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z間并不是相互孤立的，而是存在時間軸上的相關性。 靜止圖像是像索(pixel)的集合，和鄰像素點所對應的實際距離稱為圖像的空間分辨率。根據(jù) 像索顏色信息的不同，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量非常相同的數(shù)字圖

2、像的像索值可能存在很人的差別。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9信息加密是不盡相同的，信息加密是隱藏信息的內容，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)字水卬(digital watermarking)o簡單來講，信息隱藏是指將某一信號(一般稱z為簽字信號，signature si

3、gnal ) 嵌入(embedding)另一信號(一般稱z為主信號，host signal,或稱z為掩護媒體，cover-media) 的過程，掩護媒體經嵌入信息后變成一個偽裝媒體(stegano-media)o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轉換等,以及各種惡意性攻擊(malicious attack),都應體現(xiàn)出 一定的魯棒性

4、。除非主信號的感知特性被明顯的破壞，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,表而上很難覺察到信息的改變。信息隱藏的發(fā)展歷史可以一宜追溯到匿形術(steganography) 的使用。匿形術一詞來 源于古希臘文屮邙急藏的和圖形兩個詞語的組合。雖然匿形術"與"密碼術(cryptography) ” 都是致力于信息的保密技術，但是，兩者的設計思想?yún)s完全不同。密碼術主要通過設計加密技 術，使保密信息不可讀，但是對于非授權者來講，雖然他無法獲知保密信息的具體內容，卻能意 識到保密信息的存在。而匿形術則致力于通過設計粘

5、妙的方法，使得非授權者根本無從得知保 密信息的存在與否。相對于現(xiàn)代密碼學來講，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信息隱藏的關鍵技術信息隱藏技術的關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 三者之間的關系。判斷信息隱藏算法優(yōu)劣的一般衡量準則為：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

6、信息隱藏算法來講，它不可能在上述的衡量準則下同時達到最優(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z降低，反z亦然。由于信息隱藏的應用領域十分寬廣，不同的應用背景 対莫技術要求也不盡相同。因此，有必耍從不同的應川背景出發(fā)對信息隱藏技術進行分類，進而 分別研究它們的技術需求。根據(jù)應用背景的不同，信息隱藏技術大致可分為三類：(1) 版權保護(copyright protection)到口前為止，信息隱藏技術的絕大部分研究成果都是在這一應用領域中取得的。信息隱藏技 術在應用于版權保護時，所嵌入的簽字信號通常被稱作數(shù)字水印(d

7、igital watermark) 版 權保護所需恢入的數(shù)據(jù)量最小，但対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，應用于版權保護的信息隱藏技術-般稱作魯棒型水卬技術，而所嵌入的簽字信號 則相應的稱作魯棒型水印(robust watennark) ”,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)字水印用于確認主信號的原作者或版權的合法擁冇者，它必須保證對原始版權 的準確無謀的標識。因為數(shù)字水印時刻面臨著用戶或侵權者右意或惡意的破壞，因此，魯棒型水 印技術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

8、高的抵抗能 力。與此同時，由于耍求保證原始信號的感知效果盡可能不被破壞，因此對魯棒型水印的不可見 性也有很髙的要求。如何設計一套完美的數(shù)字水印算法，并伴隨以制訂相應的安全體系結構和標 準，從而實現(xiàn)真正實用的版權保護方案，是信息隱藏技術最具挑戰(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?的判別，并進一步需要指出該信號與原始真實信號的差別，即提供冇關證據(jù)指明真實信號町能經 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

9、)，初步 判斷它很可能是某一原始真實信號f的修改版本。數(shù)據(jù)篡改驗證的任務就是在對原始信號f的具 體內容不可知的情況下，以最大的可能判斷是否薩心一般的數(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用的數(shù)據(jù)篡改驗證方法應致力于滿足以下要求：以最大的可能指岀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信號的內容或其他與真實信號內容相關的信息的條件卜，判斷可能 發(fā)牛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，應根據(jù)具體的 應用背景，對經篡改后的信號給出和應的可信度；無需維護和同步操作任何與原始信號相分離的其它附加數(shù)據(jù)，即可恢復重建

10、原始真實信 號。脆弱型水印(fragile watermark) 技術為數(shù)據(jù)篡改驗證提供了一種新的解決途徑。該水 印技術在原始真實信號中嵌入某種標記信息，通過鑒別這些標記信息的改動，達到對原始數(shù)據(jù)完 整性檢驗的h的。因此，與魯棒型水卬不同的是，脆弱型水卬應隨著主信號的變動而做出相應的 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，脆弱型水印也應體現(xiàn)出一能的魯棒性，從而將這些不影響主信號最終可侍度的操 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) 擴充數(shù)據(jù)的嵌入(augme

11、ntation data embedding)擴充數(shù)據(jù)包拾對主信號的描述或參考信息、控制信息以及其它媒體信號等等。描述信息町以 是特征定位信息、標題或內容注釋信息籌，而控制信息的嵌入則可實現(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級別的用戶，可以分別授予不同的存取權限。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，利用信息隱藏技術可實現(xiàn)對這一對彖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

12、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。因此，信息隱藏技術提供了這樣一種非常有意 義而極具魅力的應用前景，它允許用八將多媒體信息剪裁成他們所需耍的形式和內容8。例 如，在某一頻道內收看電視，町以通過信息隱藏方法在所播放的同一個電視節(jié)h中嵌入更多的鏡 頭以及多種語言跟蹤，使用八能夠按照個人的喜好和指定的語言方式播放。這在一楚意義上實現(xiàn) 了視頻點播(video on demand, v0d)的功能，而英最人的優(yōu)點在于它減少了一般v0d服務所需 的傳輸帶寬利存儲空間。顯然，相對丁數(shù)字水卬來講，擴充數(shù)據(jù)的嵌入所需隱藏的數(shù)據(jù)量較人，人量數(shù)據(jù)的嵌入

13、對簽 字信號的不可見性提出了挑戰(zhàn)。另一方面，由于擴充數(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。但是，對于主信號的尺度變換、剪切或對比度增強等操作，特別是失真編 碼,擴充數(shù)據(jù)嵌入技術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wtxdows環(huán)境設置的標準圖像格式，并且內含了-套圖 像處理的api函數(shù)。隨著windows在世界范囤內的普及，bmp文件格式越來越多地被各種應用 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構成的點陣。

14、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。在本文屮我們只處理24位格式。24位bmp圖像文件的結構特點為： 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，莫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，從左到右、從下到上，每連續(xù)3個字節(jié)便描述圖像一個像索點的顏 色信息，這三個字節(jié)分別代表藍、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, ooh, ffh,則表示該像素的顏色為純紅色。以下我們詳細討論位圖文件的具體結構。br> 2. 4

15、.1位圖文件的標頭標頭包倉位圖文件的類型大小信息和版面信息。結構如下2：typedef struct tagbitmapfileheader uint bftype;dword bfsize;uint bfreserved1;uint bfreserved2;dword bfoffbits;bitmapfileheader;下面是對這個清單屮的代碼元素的說明：bftype：指定文件類型，其值始終為bm。bfsize：指定整個文件的人?。ㄒ宰止?jié)為單位）。bfreservedl：保留般為 0。bfreserved2：保留- 一，般為 0。bfoffbits：指定從bitmapfilelleader

16、到圖像首部的字節(jié)偏移量。現(xiàn)在我們已經知道位圖標頭的川途就是標識位圖文件。讀取位圖文件的每個程序都使川位圖 標頭來進行文件驗證。2. 4. 2位圖信息標頭隨后的標頭稱為信息標頭，其中包含圖像木身的屬性。下面說明如何指定windows 3. 0 （或 更高版木）設備獨立位圖（dib）的大小和顏色格式：typedef struct tagbitmapinfoheader dword bisize; /bi top infoheader 結構所需的字節(jié)數(shù)long biwidth; 位圖的寬度（以象素為單位）long biheight; 位圖的高度（以彖素為單位）word biplanes; /目標設備

17、的位面數(shù)。這個成員變量的值必須為1word bibitcount; 每個彖素的位數(shù)。其值必須為1、4、8或24dword bicompression; /丿衣縮位圖的爪縮類型。在24位格式中，該變量被設置為0dword bisizeimage; /圖像字肖大小。如果位圖的格式是bi_rgb,則將此成員變量設置為 0是有效的long bixpelspermeter;/為位圖指定目標設備水平分辨率（以彖素/米為單位）。程序町用該值從最符合當前設備 特征的資源群組中選擇一個位圖long biypelspermeter; /為位圖指定h標設備的垂肓分辨率（以象素/米為單位）dword biclruse

18、d;/指定位圖實際所用的顏色表中的顏色索引數(shù)。如果bibitcount設為24,則biclrused指 定用來優(yōu)化windows調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，圖像中的每個彖素都山存儲為三字節(jié)的rgb序列表示。每個掃描行都被補 足到4位。圖像是自底而上存儲的，即笫一個掃描行是圖像中的最后一個掃描行。下圖顯示了位 圖文件的標頭（bitmapheader）和位圖信息標頭（bitmap

19、infoheader）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析了信息隱藏算法的基木框架和彩色圖像的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 （基丁彩色靜止數(shù)字圖像的信息隱藏恢入算法）1）將待隱藏信息（以下稱簽字信號）的字節(jié)長度寫入b1p文件標頭部分的保留字節(jié)屮；2）將簽字信號轉化為二進制數(shù)據(jù)碼流；3）將bhp文件圖像數(shù)據(jù)部分的每個字節(jié)的髙7位依次異或后再與上述二進制數(shù)碼流異或后 的結果寫入最低位；s7$6s5s4s3s2s1s0簽字信號流位圖數(shù)據(jù)流圖5基丁彩色靜止數(shù)字圖像的信息隱藏嵌入過程

20、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文件標頭部分的保留字節(jié)值，設為l,若為0則沒有隱藏信息，終止算法；若不 為0則其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，并保存其結果；3）重復第（2）步，使每8個bmp文件圖像數(shù)據(jù)部分字節(jié)經過運算后組成一個隱藏信息字節(jié);4）重復（2）、（3）直到隱藏信息字節(jié)長度為1“位圖墩據(jù)流簽字信號硫x7 x6 x5 x4 x3 x2 xi x0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，設對應的一個 位圖數(shù)據(jù)字節(jié)為x7x6x5x4x3x2

21、x1x0,隕入簽字信號后的位圖數(shù)據(jù)字節(jié)為x7x6x5x4x3x2x1x0',其 中：x0' = x7 © x6 © x5 © x4 © x3 ® x2 © xi © s設提取后的簽字信號為s',則,s' =x7 ® x6 ® x5 ® x4 ® x3 © x2 xi © x0j= (x7®x6®x5®x4 ®x3©x2®x1 x7) © (x6 © x5

22、© x4 © x3 ® x2 © xi ©s)=(x7 © x6 ® x5 © x4 © x3 © x2 ® x1 ® x7) © (x6 © x5 © x4 © x3 ® x2 © xi)=s證畢。3. 算法實現(xiàn)1、hideinfo. cpp:/*l. bmp 文件頭bmp文件頭數(shù)據(jù)結構含有bmp文件的類型、文件人小和位圖起始位置等信息。其結構定義如下：*/typedef struct tagbi tmapfi1

23、eheaderbyte 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 bfreservedl2; /位圖文件保留字，必須為0byte bfreserved22; /位圖文件保留字，必須為0bytebfoffbitsm; /位圖數(shù)據(jù)的起始位置，以和對于位圖文件頭的偏移量衣示，以字節(jié)為單 位 *bitmap; /該結構占據(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 二 num-1;i>0;i)re

24、sult+=ai;result = result<<8;result+=a0;return result;/*功能：將信息隱藏到圖片中*/void hidelnfoofile* fp;char datamax;char pathmax;bitoperate operate;string pathl ="請輸入圖片路徑(如:c:picsl. bmp) ”；cout « pathl « endl;char temp3100;cin. getline (temp3, 100, ' n');cin. getline(path, sizeof (

25、path), ' n');if(fp = fopen(path, "r+")=null)cout<打開文件的時候出現(xiàn)錯誤！ <return;bitmap map = /存放文件頭信息；(bitmap)malloc(sizeof(struct tagbitmapfileheader );fread(map, sizeof(struct t agb i t mapf i1el leader ),1,fp);printf (z，請輸入您要隱藏的信息：n");ciru getline(data, max, ' n');int d

26、atalength = strlen(data);int maplength = getvalue(map->bfsize, 4);int databegin = getvalue(map->bfoffbits, 4);if(datalength*8)>(maplength-databegin)printf r隱藏信息太長!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;fread(temp, sizeof(char)*32,

27、1, fp);int copy = data!ength;for(int i = 31;i>=0;i-)bool v = (bool)(copy%2);tempi = operatebitset(tempi, 1, v);copy = copy/2;fseek(fp, databegin, seek_set) ; /定位到數(shù)據(jù)塊的起點;fwrite(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+time

28、s*& seek_set) ;/立位到數(shù)據(jù)塊的起點；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, 8i);fseek(fp, databegin+32+times*& seek_set); 定位到數(shù)據(jù)塊的起點； fwrite(ch, sizeof (byte), 8, fp); 寫入8個字節(jié);times+;fclose(fp);cout « "隱藏成功，按任

29、意鍵退出" endl;/*將圖片中隱藏的信息提取出來*/void getlnfo ()file* fp;byte datamax;bitoperate operate;char pathmax;cout « "請輸入圖片路徑(如:c: picsl. bmp) " « endl;char temp3100;cin. getline(temp3, 100, ' n');cin. getline(path, sizeof (path), ' n');if(fp = fopen(path, "r+")

30、=null) cout<打開文件的時候出現(xiàn)錯誤！ <return;bitmap map = 存放文件頭信息;(bitmap)malloc(sizeof(struct tagbitmapfileheader );fread(map, sizeof(struct tagbitmapfi1eheader ),1,fp);int databegin = getvalue (map->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,

31、 seek_set); 定位到數(shù)據(jù)塊的起點; fread(temp, sizeof (char)*32, 1, fp);for(int i = 0;i<31;i+)datalength += (int)operate. bitat(tempi, 1);datalength = dataleng th«l;datalength += (int)operate. bitat(temp31, 1); /printf (z，nndatalength = %dn，?, datalength);int times = 0;byte ch8;while(times/加上隱藏的文件長度信息；f

32、seek(fp, databegin+32+times*8, seek_set);fread (ch, sizeof (byte)，& fp) ; /讀出8個字節(jié);/printf (z/nch = %sn", ch);datatimes = 0;for(int i = 0;i7;i+)datatimes+二(int)operate. bitat(chi, 1); datatimes = datatimes*2;datatimes+二(int)operate. bitat(ch7, 1);printf (z/%cz/, data times);times+;fclose(fp)

33、;2、bitoperate. cpp/*功能：把ch從右數(shù)的第position位設置為value； */byte bitoperate:bitset(byte ch, short position, bool value)byte temp = ch;if(position>8|position<l)cout<<z/0ut of bound! position must be a number between 18 "<return ch;bool bit = bitat(temp, position);if (bivalue)/如果不相同的話if(bit = 0)byte m = (byte)value;for(int i = 1;im = m<<l;ch+=m;return ch;elsebyte m = (byte)bit;for(int i = 1;im = m<&