高華玲（三亞學院，三亞　572022）

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基于圖像分割和隨機LSB的信息隱藏算法

高華玲
（三亞學院，三亞572022）

摘要：

關鍵詞：

信息隱藏；隨機LSB；圖像分割；灰度圖像分割

0　引言

數字圖像的信息隱藏利用載體圖像的冗余性，將秘密信息嵌入到普通的圖像中，在普通信息發(fā)布或傳輸的同時將秘密信息傳送出去。在這個過程中，需要盡量掩蓋秘密信息的存在，避免引起他人的注意。信息隱藏的常用技術有很多種，例如替換技術LSB（最低有效位）是一種空域的操作將秘密信息替換載體圖像中最不重要的部分，保證原始載體圖像的失真度保持在視覺允許的范圍。LSB方法是空域信息隱藏最為常見的算法，具有嵌入方式簡單，隱藏信息容量大和很好的不可感知性等優(yōu)點，同時這種方法不能抵抗圖像的壓縮、尺寸變化等攻擊，魯棒性較差。而基于數學變換的方法，如離散余弦變換（DCT）、離散傅里葉變換（DFT）、離散小波變換（DWT）等方法將秘密信息嵌入到某合適的頻段，有較好的魯棒性，可抵抗壓縮、噪音等的攻擊。另外擴展頻譜技術將秘密信息多次嵌入到載體圖像中，隱藏的信息不易被過濾掉，盡管傳輸速率較差但是在傳輸中受到噪聲攻擊，隱藏信息也不會丟失。

1　隨機LSB隱藏算法相關研究

LSB是一種在圖像的最低有效位進行信息隱藏的算法。隨機LSB方法式將隨機間隔選取的像素點的最低有效位替換成秘密信息，進而隱藏所有的秘密信息。武漢大學的張智佳對隨機LSB算法進行魯棒性檢測和安全性檢測（隱寫分析）表明[1］，隨機LSB的魯棒性較差，但是它有很好的不可感知性，隱藏容量也很大，比DCT可隱藏的信息量大很多。Bawaneh等[2］提出了一種隨機LSB算法，將秘密信息嵌入在RGB彩色圖像中。它使用偽隨機數生成器（LCG）確定原始圖像中的隨機像素的位置。密鑰由四部分組成（種子、乘法器、奇異因素和循環(huán)長度）。該方法在圖像的紅綠藍通道中進行信息隱藏，根據通道的修改率的多少來控制通道中隱藏數據量，使用最小的修改率嵌入秘密信息。實驗表明，隨機LSB比順序LSB的視覺不可感知性好，秘密信息的安全性較高。李桂蕓等[3］提出了一種基于圖像向量索引奇偶性的隱藏算法，該方法使用傳統(tǒng)的混沌圖像置亂方法對載體圖像置亂，然后根據信息位的值改變載體圖像的LSB位，改變之后的LSB位仍是隨機的。該算法保持了LSB算法良好的視覺隱蔽性和較大的信息隱藏容量，并提高了抗統(tǒng)計攻擊性。

2　提出的算法

本文將介紹一種基于隨機LSB和灰度圖像分割的信息隱藏方法。載體圖像可以是任意一種圖像類型，要隱藏的數據可以是文本、圖像或任意類型的文件。所用的載體圖像首先轉換成24位灰度圖像，作為宿主圖像。載體圖像的尺寸決定了隱藏信息所存儲的圖像塊的分割，根據所選的圖像塊包含的密鑰選擇隱藏區(qū)域。主密鑰必須在隱藏過程或者提取過程中插入到載體圖像中，以便生成其他操作（如分塊、生成和加密）的密鑰。用戶必須要保存秘密信息的長度、類型和所選的圖像塊等信息，才能進行秘密信息提取。

秘密信息隱藏的步驟描述如下：①輸入載體圖像、秘密信息和主密鑰。②通過圖像轉換單元將載體圖像轉換成灰度模式。③通過信息轉換單元將秘密信息轉換成字節(jié)流。④通過圖像分割單元將載體圖像分割為若干圖像塊。⑤通過圖像塊單元計算圖像塊的面積大小。⑥通過密鑰單元生成選擇密鑰、加密密鑰和像素分布密鑰等。⑦將秘密信息嵌入的載體圖像中，得到最終的含密圖像。

圖1　本文隱藏算法的流程圖

（1）載體圖像的轉換成灰度圖像

首先將任何類型（bmp或jpeg等）的載體圖像轉換成24位顏色深度的圖像，然后根據圖像的紅綠藍顏色值，將它轉換成一個虛擬灰度圖像。結果將灰度圖像的均值設置成新的紅綠藍顏色值。

（2）將灰度圖像進行分割

根據載體灰度圖像的寬度和高度，將載體圖像轉成的二維數組進行隨機的分割，對每一個圖像塊信息進行索引，返回一個鏈接給用戶，最后由用戶決定在哪個塊中進行秘密信息嵌入。

（3）檢索每塊圖像的相關信息

提供給用戶的鏈接，包含圖像塊的索引值、最大最小寬度、最大最小高度、行索引值和列索引值、行密鑰（keyX）和列密鑰（keyY）。其中行密鑰和列密鑰用來計算下一個圖像塊的行列位置。獲取每個圖像塊的索引值，并保存。

（4）秘密信息預處理

秘密信息可以是任何類型的文件（文本、PDF文件、DOC文件等）轉換成二進制來表示。然后記錄秘密信息的文件大小和擴展名，以便在以后的提取過程中使用。

（5）計算嵌入區(qū)域

根據用戶所選的圖像塊索引，計算圖像塊的區(qū)域大小。然后根據秘密信息的大小判斷所需的圖像塊的數量。

（6）準備密鑰

將主密鑰進行多次不同的處理，生成數據密鑰和嵌入區(qū)域的行列種子x、y的密鑰，以及區(qū)域選擇密鑰等。

（7）區(qū)域生成器

嵌入到圖像塊的區(qū)域都需要有行（x）、列（y）和兩個參數，這兩個參數是隨機生成的，x是圖像塊中的列數，y是同一圖像塊的行數。偽隨機數生成器（LCG）使用“線性同余法”生成一組[0，M-1］范圍內的隨機數序列，最初始的隨機數列是一個種子，之后每組隨機數序列都根據下面的計算公式獲得：Xi+1=（Xi*A+C）mod M，其中A，C，M都是常數（一般會取質數）。

（8）愷撒密碼（Caesar Cipher）

凱撒密碼是一種最為古老的對稱加密體制，基本思想是通過把字母移動一定的位數來實現(xiàn)加密和解密。本文中所選的替換字節(jié)（作為移位的位數）由偽隨機生成器（LCG）通過種子序列（發(fā)送方或接收方的一個預定義序列）迭代生成。

（9）映射函數

嵌入區(qū)域的的坐標（XA，YA）映射函數是根據所選區(qū)域的寬度和高度（XR，YR）進行計算的，計算公式如下：

其中MaxAreaWidth和MinAreaWidth表示所選區(qū)域的最大最小寬度，MaxAreaHeight和MinAreaHeight表示所選區(qū)域的最大最小高度；

XRMax為最大列增量，YRMax為最大行增量，XRMin為最小列增量，YRMin為最小行增量

（10）秘密信息的嵌入過程很簡單，即使用LSB算法將一個字節(jié)的秘密信息重復嵌入3次到圖像的一個像素點。因為一個像素點最多只能嵌入3個字節(jié)，否則載體圖像失真比較明顯。這樣做的目的是為了提高圖像被修改的魯棒性。

圖2　一個字節(jié)的信息隱藏到載體圖像

3　實驗結果分析

實驗測試使用經典的測試圖像Lena作為載體圖像，四種不同大小的秘密信息。需要檢測含密圖像和載體圖像的視覺可感知性的差異、嵌入容量、抗修改、抗檢測的魯棒性和秘密信息的安全性。其中，可感知性的檢測主要是檢測圖像的噪聲和不規(guī)則點；載體圖像中所嵌入秘密信息的最大容量是由載體圖像本身的大小所決定的，一個像素點最多修改3字節(jié)，本例中的Lena圖像大小為512×512像素（768KB），計算得到嵌入信息的最大容量為3264B，即嵌入到Lena圖像中的秘密信息最大為3KB。嵌入圖像塊的選擇是否合理的檢驗標準是使圖像的修改率盡可能地小，修改率等于被修改的像素點數除以圖像的總像素點數。本算法在保證含密圖像視覺質量的同時，將隱藏容量最大化，含密圖像和載體圖像的視覺可感知性相似，載體圖像的修改率僅為0.04。因為我們在每一個隨機區(qū)域內使用了像素的三色值存儲相同的一個字節(jié)，此算法的視覺不可感知性很好。另外，在沒有完整密鑰的情況下，無法獲得隱藏區(qū)域所在位置。提取信息的過程中要用到多個密鑰（主密鑰、信息的長度、所選的圖像塊和隱藏信息的類型），因此算法具有較強的安全性。

4　結語

本文針對傳統(tǒng)的LSB嵌入容易被檢測的缺點，提出了一種新的基于灰度圖像分割的安全的信息隱藏算法。此算法將載體圖像轉換的灰度圖像進行分割，在分割所得的區(qū)域中隨機選取一個，在獲得的隨機像素的最低有效位進行秘密信息的嵌入。本算法是一種具有抗修改、抗攻擊的魯棒性、生成含密圖像高效性，較強的視覺不可感知性，并不易被檢測的算法。實驗結果表明，該方法滿足對安全性的要求（視覺不可感知性、信息的安全性和不易被檢測性）。選擇使用灰度圖像作為載體圖像進行秘密信息的隱藏，是為了提高隱藏數據的容量。在今后的研究中，希望可以找到一種更好的方法，可以將主密鑰存放到含密圖像中，允許接收方在沒有預知提取信息的情況下也能夠進行信息提取。

參考文獻：

[1］張智佳.一個隨機LSB信息隱藏算法的實現(xiàn)與分析[J］.才智，2008（7）.

[2］J.Bawaneh M.A Novel Approach for Image Steganography Using LCG[J］.International Journal of Computer Applications，2014，102 （10）：34-38.

[3］李桂蕓，鄧桂英，趙逢禹.一種基于LSB圖像信息隱藏的改進算法[J］.計算機系統(tǒng)應用，2012，21（4）：156-160.

Proposes a new information hiding algorithm，which by combining the gray image segmentation and random least significant bit（rand LSB）algorithm.The proposed algorithm deals with different types of images by converting them to a virtual gray scale 24 bitmaps，and then finds out the possible segments inside image and then computes the possible areas for each segment with boundaries，return a list related information.Any intruder trying to find the transformed image will not be able to understand it without the complete key about the transformation process.The complete key is represented by the key of image segmentation method，key of data distribution inside segment （area selection），key of mapping within each area segment，key agreement of cryptography method，key of secret message length and key of message extension.These keys generated by one master key.The existence of secret message is hard to be detected by the steganalysis.Experiment results show that the proposed technique has good perceptual and the cover image has changed little，and it has large hidden information capacity and robustness against extraction.

Keywords：

Information Hiding；Random LSB；Image Segmentation；Gray Scale Image Steganography

Information Hiding Algorithm Based on Image Segmentation and Random LSB

GAO Hua-ling
（Sanya College，Sanya 572022）

Abstract：

利用灰度圖像分割和隨機最低有效位（rand LSB）算法相結合提出一種新的信息隱藏算法。算法可將不同類型的載體圖像轉換為一個虛擬的24位灰度圖像，然后分割為若干圖像塊，再檢測每個圖像塊的區(qū)域大小，返回相關信息列表。如果攻擊者獲取不到完整的密鑰，則不能解析被轉換的圖像。完整的密鑰包括圖像分割方法的密鑰、圖像塊選擇密鑰、秘密信息數據分布密鑰、秘密信息類型密鑰、加密方式密鑰以及秘密信息的長度密鑰等。這些密鑰通過主密鑰生成，如果不能獲取全部的密鑰，隱寫分析很難檢測出圖像中存在的秘密信息。實驗結果表明，該方法有很好的不可感知性，載體圖像的修改程度小、信息隱藏的容量大并具有抗提取的魯棒性。

基金項目：

三亞學院校級一般項目（No.XYZZ1319）、三亞市院地合作項目（No.2013YD43）

文章編號：1007-1423（2016）15-0003-04

DOI：10.3969/j.issn.1007-1423.2016.15.001

作者簡介：

高華玲（1980-），女，河北唐山人，碩士，講師，研究方向為信息隱藏、語義搜索

收稿日期：2016-04-19修稿日期：2016-05-16