信息隐写技术的研究与应用

摘 要：本文介绍了信息隐藏技术中隐写术的工作原理和典型算法。阐述了信息隐藏技术与传统加密技术区别以及隐写技术与数字水印的区别。对信息隐藏算法的特征和评价指标进行了分析。本文描述了图像分块隐写技术算法，并对该算法进行了比较和评价。

关键词：信息隐藏；信息隐写；隐藏质量；隐藏容量

中图分类号：TP391.4

1 信息隐藏技术与传统加密技术

信息隐藏是把秘密信息隐藏到载体信息中，而在感官上不改变载体本身，实质上因为隐藏了秘密信息，虽然载体信息本身也做了修改，但人类感觉器官的具有不敏感性，而且数字多媒体信号本身具有冗余性，这使得加载了秘密信息后的信息与原有的载体信息在感官上没有明显区别，载密后的信息的使用价值也不改变。

信息隐藏技术与传统加密技术的目的都是为了保护秘密信息，但二者还是有一定区别。最主要的区别是信息隐藏技术对载体信号的改变在人的感官层面不容易被发现，可以将秘密信息隐藏于人人可见的载体中，而传统加密技术对秘密信息加密后产生的多数是没有意义的信息，容易被发现，从而有针对性的破解。换言之，通过信息隐藏技术载密后，信息在感官上没有明显变化，除了秘密发送和接收方可以访问载密信息。与加密技术结合使用称为有密钥信息隐藏，即在嵌入秘密信息前，先将秘密信息进行加密处理，同时生成一个密钥。在提取秘密信息时，拥有权限者先得到的是加密的秘密信息，要用发送方提供的正确的密钥，还原加密的秘密信息为明文。

信息隐藏技术主要有隐写术、数字水印技术、可视密码技术、潜信道、隐匿协议等方法；在具体应用中按载体信号的不同分为基于文本、基于数字图像、基于音频、基于视频等。

2 信息隐写与数字水印

隐写术是指把隐秘信息嵌入到宿主信息中来进行传输，并保证隐秘信息不被未授权的第三方发现。因此，隐写术要求大容量嵌入与较高的隐蔽性。

数字水印是基于版权保护的应用而产生的，指嵌入在数字产品中的信息。数字水印与隐写术的区别在于其应用的目的不同，隐写术的目的在于隐藏信息，而数字水印的目的在于版权保护，因此水印的鲁棒性要求较高，但嵌入容量要求较小。

3 信息隐写算法的评价

在评价信息隐藏算法时，根据信息隐藏的不同应用场合，有如下技术性能的要求：（1）不可检测性，指的是载密信号与原始信号具有相同的特点，不容易被检测出来。（2）不可感知性，指载密后的信息外观形态不因为嵌入的秘密信息而发生明显的感官变化，不易被发现是载有秘密的信息。（3）安全性，是指隐藏算法要有抗攻击能力，非授权用户即使知道该信息为载密信息而对其进行攻击，也不能破坏原有信息和提取出秘密信息。（4）鲁棒性，是对载密信号在传输过程中受到一些正常操作，载体中的隐藏信息的具有承受能力，不易损。（5）对称性，是指信息隐藏中秘密信息的嵌入和提取过程是互逆的，也就是嵌入秘密信息和提取秘密信息可以使用同一算法。（6）自恢复性，在信息传递过程中，某些操作或者变换会对载密信息造成较大的破坏。这时为了保证信息的可用，可根据破坏后留下的数据片段，恢复出秘密信息，即自恢复性。

在信息隐藏算法开发和研究过程中，人们希望可以满足以上所有的要求，但是在实际情况下，因为有些特性是互斥的，很难同时满足所有特性，可以根据实际应用场合及媒体特点侧重某些方面。通常来说，嵌入秘密信息的信息容量与算法的不可感知性和鲁棒性成反比，也就是说隐藏的信息量越大，载密后信息的越容易被发现和被损坏。

隐写术作为信息隐藏的一种应用，我们主要关注的性能参数是隐藏质量和隐藏容量。隐藏质量，是载密后对人类感官的影响程度。由于人类个体的差异，在判断同一个目标时，会有不同的评价，所以不能有效地评价含密载体与原始载体的差别大小。为了使评价更容易量化，不因为个体差异而无法准确形容和评价载密前后的差异，引入一个国际通用的评价标准峰值信噪比PSNR。PSNR是指最大可能功率和影响它的表示精度的破坏性噪声功率的比值。在隐写中用来评价载密前后信息的相似程度。秘密信息通过某个隐写算法嵌入到原始载体后，如果载密后图像与其原始载体之间的PNSR值越大，说明该算法的隐藏质量越好。但是PSNR的分数和人眼看到的视觉品质也不是完全一致，有可能PSNR较高者看起来的效果反而不如PSNR较低者。隐藏容量也叫做隐藏载荷ER，表示所嵌入的秘密信息位占整个载体图像像素点的百分比。多数算法都希望载体图像能够携带更多的信息，即有较大的隐藏容量，但隐藏容量和隐藏质量往往相互制约，当隐藏的信息容量变化时，质量也会随之变化。

4 隐写术工作原理及相关算法

在对信息隐写算法优化时主要通过两个方面的实现。一是通过人的感官特性，人眼对图像的视觉分成敏感的平滑区和迟钝的边缘区，对于平滑去减少隐藏容量，对于边缘区加大隐藏容量；二是图像也可以分区，称之为分块，对于不同特性的分块可以采用不同的嵌入算法。

主流的隐写算法是空域算法中的最低有效位LSB算法。该算法基本思想是将秘密信息嵌入到载体图像像素值的最不显著位也即最低有效位，从而达到隐藏秘密信息的目的，因为是最不显著位，所以改变这一位置对宿主图像的感官效果不产生影响。LSB的基本步骤是：把秘密信息转换为二进制数据，将秘密二进制数据与像素最低有效位对比，若相同，保留信息，否则将载体像素的最低有效位用最低秘密信息直接替换，就得到了载密二进制信息，最后将该二进制数据转换为十进制像素值，也就是含有秘密信息的图像。最小有效位算法容易实现，而且嵌入信息容量大，是当前各种衍生算法的根本核心。

本文在这里介绍一种基于JPEG图像的分块隐写算法。首先把秘密信息转化为二进制信息，将图像分成8*8的分块，根据量化后的离散余弦变换系数DCT，计算分块的不为零的交流系数个数。根据隐藏的容量的大小，确定阈值。根据阈值将图像块分成人眼敏感程度不同的三种类型，不同类型的分块采取不同的隐藏算法嵌入数据。人眼不敏感的子块，嵌入较大量信息，仍然可以保持较好的隐藏质量，反之人眼较敏感的分块，为了保证隐藏质量，嵌入较小量信息。在进行秘密信息提取时，分块提取也就是嵌入过程的逆过程，再把所有分块中提取的秘密信息合成原有秘密信息。通过实验数据表明，该算法有效地平衡了隐藏质量和隐藏容量之间的关系，同时避免了方块效应，从而在隐藏质量得到保证的前提下大幅提高了隐藏容量。

通过数字隐写完成秘密通信分为嵌入过程、传输过程和提取过程三个阶段。密秘信息通过特定嵌入算法隐藏到原始载体中（也可以将秘密信息用传统方法结合秘钥加密后嵌入），形成含密载体，通过传输信道将含密载体发送出去。接收方通过隐写检测区分是否为含密载体，若是，再结合密钥对含密载体使用提取算法，提取出秘密信息。

5 结束语

信息隐写技术现在已经成为了信息安全的一个热点，广泛应用于各国军事部门、安全部门的信息加密及情报传输等方面。目前数字图像信息隐藏技术已经比较完善和成熟，但音频和视频作为网络上新兴和主流的数字媒体，是信息隐藏技术更广阔的载体领域，而且人的视觉和听觉也有不敏感性，所以基于音频和视频的隐写算法研究也将是今后信息隐写技术的工作重点。

参考文献：

[1]江小帆，戴跃伟，茅耀斌.信息隐藏技术-方法与应用[M].北京：机械工业出版社，2001.

[2]Cheng-Hsing Yang.Inverted pattern approach to improve image quality of information hiding by LSBsubstitution.Pattern Recognition，Volume 41，Issue 8，August 2008，Pages 2674-2683.

[3]徐凯平，郑洪源，丁秋林.一种基于LSB和PVD的图像信息隐藏算法研究[J].计算机应用研究，2010，27（3）：1068-1070.

[4]王现会.基于JPEG图像信息隐藏算法研究[D].广西师范大学硕士学位论文，2012.

作者简介：李艳（1979.9-），女，辽宁丹东人，讲师，硕士研究生，研究方向：信息安全。

作者单位：辽宁省交通高等专科学校，沈阳 110122