韓杰思，沈建京，彭韶峰

(1. 解放軍信息工程大學理學院 鄭州 450001; 2. 西南電子電信技術研究所 成都 610041)

信息隱藏技術以多媒體為載體，將重要信息隱藏其中，以實現(xiàn)隱秘通信，是信息安全領域的重要研究方向。20世紀90年代以來，信息隱藏經歷了10余年的發(fā)展，已有很多隱藏算法問世。而其中最為經典、應用范圍最廣的當屬LSB隱藏，其原理是將秘密信息的比特流隱藏到載體圖像的最低有效位(least significant bits)，隱蔽性好、隱藏量大、且計算簡單。目前，已有多個公開的隱藏軟件使用該種隱藏方法，如Invisible Secrets4、S-Tools、Steganos等。

很多專家學者嘗試對LSB隱藏進行攻擊，提出了多種檢測算法。文獻[1]的PoVs方法被最早提出來，它假設秘密信息是服從均勻分布的，通過比較秘密信息的理論頻率分布和隱秘載體樣本分布進行檢測。該方法對連續(xù)LSB嵌入有較好的檢測能力，并可估計出嵌入信息的長度，但對擴散、隨機嵌入等非連續(xù)嵌入的檢測效果卻不理想。文獻[2]提出的RQP方法是針對彩色圖像LSB隱藏的檢測方法，它基于LSB隱藏會引起圖像具有更多相近顏色對，當圖像中有大量相近顏色對出現(xiàn)則認為存在秘密信息。但該方法不適用于獨立顏色數(shù)較多的彩色圖像和灰度圖像。此后，文獻[3]提出了既可對連續(xù)的LSB隱藏進行檢測，又適用于分散LSB嵌入和隨機LSB嵌入的檢測方法，檢測載體包含灰度和彩色圖像。該方法將圖像像素分為規(guī)則組、奇異組和不可用組3類，通過統(tǒng)計規(guī)則組和奇異組數(shù)量的變化估計嵌入長度，這就是經典的RS方法。文獻[4]將RS的思想運用于音頻文件的隱藏檢測，提出了一種基于樣本對分析的音頻檢測方法。文獻[5]提出的SPA方法根據(jù)概率理論對LSB嵌入機理進行了深入的探討。該方法通過合理的構造準素集，即滿足一定條件的像素值對的集合，使得集合的勢隨著LSB的嵌入改變。該方法理論上包容了RS檢測方法，在LSB上嵌入比率大于3%時，能較準確估計嵌入信息長度。

上述檢測方法中，RS和SPA的檢測效果最為理想，也成為業(yè)內的經典方法。之后對LSB隱藏的改進都是為了能抵抗該兩種檢測。文獻[6]提出了3種方法：(1) 像素值隨機的加1或者減1；(2) 像素值加1；(3) 像素值減1。這些方法產生的隱秘圖像的直方圖是對原始載體圖像直方圖的平滑，保持了圖像的直方圖統(tǒng)計特性，使得PoVs方法不再有效。同時，這些方法保證了規(guī)則組和奇異組的數(shù)量不再隨信息嵌入而變化，所以同樣可以抵抗RS攻擊。文獻[7-8]提出了一種基于動態(tài)補償?shù)腖SB隱藏方法。該方法在隨機間隔LSB嵌入后，在隱秘圖像選擇某個區(qū)域進行補償，即對選中區(qū)域內所有的像素進行加1(或者減1)，而區(qū)域的選擇是動態(tài)的，目的是通過尋找最佳的補償使得SPA分析得到一個較小的隱藏信息比率估計。文獻[9]提出了一種按計算的比例混合使用兩種替換方法的嵌入算法，使得SPA算法的檢測值趨于最小。

1 SPA攻擊方法

SPA攻擊方法的基本原理基于有限狀態(tài)機理論，有限狀態(tài)機的狀態(tài)是選擇的樣本對的多重集。對自然圖像而言，相鄰像素對所構成的多重集之間有某種固定的關系。隨機LSB嵌入后會引起這些多重集的改變，從而破壞固定的統(tǒng)計關系。

2 抵抗SPA攻擊的LSB隱藏算法

2.1 抵抗SPA攻擊的分析

2.2 抵抗SPA攻擊的快速LSB隱藏算法

DCLS方法可以成功地抵抗SPA攻擊，但在完成嵌入后需要通過對隱秘圖像進行復雜的動態(tài)補償尋求最佳補償，其過程繁瑣，計算量太大。

2.2.1 載體圖像的預處理

本文方法在嵌入時不再是替換像素的LSB，而是根據(jù)情況對像素值做部分加1和部分加2的處理。若選中的像素為254或255，則分別做加2和加1,嵌入后都將達到256，顯然不在像素值的范圍內。如果在嵌入時遇到值為254或255的像素做跳過處理，在提取時將無法判斷該像素是未經嵌入的，還是其他像素做加2或加1嵌入后變成的。

將UIF-IMM算法應用于機器人定位系統(tǒng)中.機器人移動速度為0.3 m/s,其運行軌跡如圖1所示,軌跡規(guī)劃目標如表1所示,采樣時間為0.1 s.

本文所采取的策略是不挑選含有值為254和255的像素的圖像作為載體，或者對載體圖像中所有值為255的像素做減2，所有值為254的像素做減1的預處理，保證圖像中所有像素的最大值為253。當然，在確定載體后(無論是選擇合適圖像還是對圖像進行預處理)，先對其進行一次SPA檢測，保證對載體檢測后得到的信息嵌入比率的估計值小于門限值。

本文的嵌入方法也可根據(jù)情況對像素值做部分減1和部分減2處理，所以選擇載體圖像時就要選擇不含有值為0和1的像素的圖像，或者對載體圖像中所有值為0的像素做加2的預處理，對所有值為1的像素做加1的預處理，保證圖像中所有像素的最小值為2。

2.2.2 信息的嵌入

(1) 嵌入時，若選中的像素是奇數(shù)且嵌入比特為1，則像素值加2；若選中像素是奇數(shù)且嵌入比特為0，則像素值加1。

(2) 若選中的像素是偶數(shù)且嵌入比特為1，則像素值加1；若選中的像素是偶數(shù)且嵌入比特為0，則像素值加2。

圖1 原始boat圖

圖2 嵌入率為40%的boat圖

圖3 嵌入率為90%的boat圖

使用改進的嵌入方法對boat.bmp進行40%的信息嵌入，得到的隱秘圖像如圖2所示。對該隱秘圖形進行SPA攻擊，得到的δ0,30為0.001 1、估計值為0.004 9，遠小于門限值。隨著秘密信息的繼續(xù)嵌入，δ0,30和估計值會增大。對boat.bmp進行90%的信息嵌入，得到的隱秘圖像如圖3所示。進行SPA攻擊，得到的δ0,30為0.002 8，略低于原始圖像，得到的估計值為0.011，仍然低于門限值。

2.2.3 信息的提取

信息提取的過程與嵌入相反。接收方只需得到和發(fā)送方同樣的偽隨機數(shù)發(fā)生器的種子，便可生成相應的偽隨機序列，進而得到秘密信息在圖像中的嵌入位置。若對應位置的像素值為奇數(shù)，則提取出信息1；反之，則提取出信息0。

不難看出，提取的過程實際上與替換隱藏的提取過程完全一樣，那是因為本文的嵌入方式對圖像像素LSB的修改情況和替換LSB隱藏是一樣的。

從預處理、信息嵌入和信息提取的整個過程來看，本文算法的實現(xiàn)非常簡單，即在信息嵌入時用一個巧妙的方法就達到了抵抗SPA攻擊的目的，嵌入和提取部分的計算復雜度較傳統(tǒng)LSB替換隱藏沒有任何增加。

3 實驗結果及分析

3.1 本文算法抗SPA攻擊的能力

為驗證本文對傳統(tǒng)LSB嵌入方式的改進可以實現(xiàn)對SPA攻擊的抵抗，實驗對從groundtruth圖像庫中隨機取出的593幅和文獻[5]中列出的24幅實驗圖像中的10幅進行本文第3部分提出的預處理，將所有處理后進行SPA攻擊得到的估計值小于門限值的600幅圖像作為實驗用圖像。然后分別對該600幅圖像進行不同比率的嵌入，嵌入比率依次為3%、5%、10%、20%、…、100%多種情況，嵌入的方式分別為傳統(tǒng)的替換LSB與本文方法，都使用本文第3部分提到的隨機間隔嵌入。為了提高嵌入信息的隨機性，首先對嵌入信息進行加密[11]，然后對所有隱藏后的圖像進行SPA攻擊。表1列出了兩種嵌入方式在不同嵌入率下的SPA估計值的平均值。

表1 本文方法較傳統(tǒng)方法抵抗SPA攻擊的改進

由表1可知，SPA攻擊針對傳統(tǒng)的替換LSB嵌入有非常好的檢測效果，估計的嵌入比率相當準確。但針對本文提取的嵌入方法卻完全失效，對所有的圖像均給出了沒有隱藏的判決結果，匯總各種嵌入率的情況，SPA估計值的均值最大為0.009 4，低于門限值0.018。所以本文的方法可以成功抵抗SPA攻擊。本文的實驗程序用Visual C++6.0開發(fā)，在產生隨機間隔時使用的是VC封裝的隨機函數(shù)，不具備很強的偽隨機性。若對此進行改進，實驗的效果還會有所提高，同時還可以提高算法的安全性。

3.2 本文算法抗RS攻擊的能力

為驗證本文對傳統(tǒng)LSB嵌入方式的改進可以實現(xiàn)對RS攻擊的抵抗，相同的實驗用圖像采用與上一實驗和嵌入比率，實驗結果如表2所示。

表2 本文方法較傳統(tǒng)方法抵抗RS攻擊的改進

通過該實驗可以看出，本文方法對RS攻擊也有很好的抵抗效果。

[1] WESTFELD A, PFITZMANN A. Attacks on steganographic systems[C]//Proceedings of the 3rd International Workshop on Information Hiding. Lecture Notes in Computer Science 1768, Berlin, Germany: Springer-Verlag, 2000, 61-76.

[2] FRIDRICH J, DU Rui, MENG Long . Steganalysis of LSB encoding in color images[C]//ICME2000. Multimedia and Expo. New York: IEEE press, 2000, 1279-1282.

[3] FRIDRICH J, GOLJAN M, DU Rui. Reliable detection of LSB steganography in grayscale and color image[C]//Proceedings of the ACM Workshop on Multimedia and Security, Special Session on Multimedia Security and Watermarking. Ottawa: [s.n.], 2001, 27-30.

[4] ZENG Wei, AI Hao-jun, HU Rui-min, et al. Steganalysis of LSB embedding in audio signals based on sample pair analysis[C]//Wireless Communications, Networking and Mobile Computing. Shanghai: [s.n.], 2007.

[5] DUMITRESCU S, WU Ao-lin, WANG Zhe. Detection of LSB steganography via sample pair analysis[J]. IEEE Transactions on Signal Processing, 2003, 51(7): 1995-2007.

[6] 張 濤, 平西建. 空域LSB信息偽裝的隱寫分析及其對策[J]. 通信學報, 2003, 24(12): 156-163.ZHANG Tao, PING Xi-jian. Steganalysis of spatial LSB-based steganographic algorithms and countermeasures [J].Journal of China Institute of Communications, 2003, 24(12):156-163.

[7] 羅向陽, 陸佩忠, 劉粉林. 一類可抵御SPA分析的動態(tài)補償LSB信息隱藏方法[J]. 計算機學報, 2007, 30(3): 463 -473.LUO Xiang-yang, LU Pei-zhong, LIU Fen-lin. A dynamic compensation LSB steganography method defeating SPA[J].Chinese Journal of Computers, 2007, 30(3): 463-473.

[8] LUO Xiang-yang, HU Zong-yun, YANG Can, et al. A secure LSB steganography system defeating sample pair analysis based on chaos system and dynamic compensation[C]//Advanced Communication Technology on the 8th International Conference. Phoenix Park: [s.n.], 2006.

[9] 田 源, 程義民, 謝于明, 等. 一種抗SPA分析的圖像信息隱藏方法[J]. 中國科學技術大學學報, 2008, 38(12):1376-1380.TIAN Yuan, CHENG Yi-min, XIE Yu-ming, et al.Steganographic scheme for images against SPA steganalysis[J]. Journal of University of Science and Technology of China, 2008, 38(12): 1376-1380.

[10] 汪小帆, 戴躍偉, 茅耀斌. 信息隱藏技術-方法與應用[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2001: 124-125.WANG Xiao-fan, DAN Yue-wei, MAO Yao-bin[M].Information Hiding Technology-Methods and application.Beijing: China Machine Press, 2001: 124-125.

[11] WANG Hong, PENG Jian-hua, ZHOU Zheng-ou. Design of a new chaos circuit and its encryption to digital information[J]. Journal of Electronic Science and Technology of China, 2004, 2(4): 25-28.