基于坐標軸的雙重置亂數(shù)字圖像隱藏算法與實現(xiàn)

楊玉平，陳 勇，尹麗花

（1.重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，重慶 401331；2.重慶師范大學(xué)，重慶 401331）

基于坐標軸的雙重置亂數(shù)字圖像隱藏算法與實現(xiàn)

楊玉平1，陳 勇2，尹麗花2

（1.重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，重慶 401331；2.重慶師范大學(xué)，重慶 401331）

近些年來，通信技術(shù)的發(fā)展，尤其是隨著由通信領(lǐng)域和計算機領(lǐng)域相結(jié)合而產(chǎn)生的計算機互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的普及及應(yīng)用，使信息的共享與傳播日益頻繁。信息共享在給人們帶來種種便利的同時，也帶來了一系列的信息安全問題，如信息竊取的問題、版權(quán)保護的問題、信息篡改等問題。數(shù)字圖像信息隱藏技術(shù)是一種圖像信息保護技術(shù)，綜合該領(lǐng)域的已有研究，提出了一種基于坐標軸的、通過雙重置亂的算法，將圖像隱藏得安全，抗攻擊性更強，且恢復(fù)質(zhì)量更好，恢復(fù)操作方便。

數(shù)字圖像信息隱藏；密碼學(xué)加密；雙重置亂；融合；數(shù)據(jù)安全

1 引言

當今，由于計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷進步，對信息安全的要求也越來越高，傳統(tǒng)的通信方法已經(jīng)不能滿足信息安全通信的需要。當前信息安全的領(lǐng)域，主要采用密碼學(xué)的數(shù)據(jù)加密技術(shù)，利用單鑰或者雙鑰密碼算法把被傳送的數(shù)據(jù)加密，從而將明文變換成密文，再以公開的方式發(fā)送給接收者。對于局外人來說，這些密文通過編碼，即使看到了，也無法獲得原文，起到信息的保護作用；還有數(shù)據(jù)的隱藏技術(shù)，主要包括隱寫術(shù)(steganography)、數(shù)字水印(digital watermark)技術(shù)和數(shù)據(jù)的偽裝技術(shù)，隱寫術(shù)源于古代歐洲，隱形的墨水成為傳送秘密消息的一種重要方式。信息隱藏的另外一個重要的應(yīng)用是數(shù)字水印技術(shù)，互連網(wǎng)的蓬勃發(fā)展改變了人們獲取信息的方式，數(shù)字產(chǎn)品（照片、繪畫、音樂、電影等）很容易在網(wǎng)上被非法復(fù)制與傳播。數(shù)字水印就是將所有權(quán)的標識嵌入到媒體中以達到版權(quán)保護的目的。

信息隱藏除了用于網(wǎng)絡(luò)方面秘密通信和數(shù)字水印（以保護產(chǎn)權(quán)）之外，還可用于盜版源的追蹤、贗品檢測等。圖像的標識和影片中的字幕或其他重要數(shù)據(jù)都可以直接嵌入到媒體之中，不需要另外儲存，從而減少了管理與儲存的負擔(dān)，而且更安全。信息隱藏技術(shù)多元化的應(yīng)用使得它得到了前所未有的關(guān)注。

在此，本文介紹的是一種圖像信息的隱藏技術(shù)，它主要是將一張圖片通過基于坐標軸的雙重置亂算法，將圖片信息進行置亂，達到雙重保護的作用。比傳統(tǒng)的置亂算法更安全，然后再通過融合算法將其隱藏于另一張較大的圖片當中(載體圖片)，從而達到圖片信息的隱藏與保護作用。

2 信息隱藏技術(shù)與信息加密的比較

眾所周知，密碼學(xué)著眼于保護通信的過程中傳輸?shù)南?nèi)容，而信息隱藏技術(shù)的目的是為了掩藏重要的消息內(nèi)容在通信中的存在。信息隱藏與密碼學(xué)都是為了保護重要信息的存儲及傳輸，使其不會遭受惡意竊取、破壞和攻擊，但兩者之間有明顯的區(qū)別。密碼學(xué)的加解密是利用單密鑰或者雙密鑰密碼算法把重要的明文信息變換成密文（或者無法識別的編碼），再通過網(wǎng)絡(luò)中的公開信道發(fā)送到接收端，這樣惡意者截獲數(shù)據(jù)后無法破譯，就可能會將數(shù)據(jù)丟棄，從而造成信息傳輸?shù)氖?。由此可見，密碼學(xué)的加密所掩蓋的是明文信息的內(nèi)容。而信息隱藏則不一樣，明文信息被嵌入到掩護信息中，從感觀上看起來是不引人注意的，惡意者無法直觀的判斷他所監(jiān)視的通信信息是被嵌入了秘密信息的，這樣就使得惡意者無法知道哪里存在明文信息。密碼的不可破譯度是依賴于不斷增加密鑰的長度和復(fù)雜度來提高的，而現(xiàn)在隨著計算機計算能力的不斷增強，密碼的安全度相對來說始終面臨著新的挑戰(zhàn)；因此信息隱藏技術(shù)為我們的信息安全從另外一個角度提供了一個新的方案，兩者的結(jié)合也是一個發(fā)展趨勢。

3 信息隱藏的原理及要求

數(shù)據(jù)信息隱藏是將重要的明文信息隱藏于另外的媒體（如圖片、視頻等）之中，這種媒體一般被稱為掩護媒體，隱藏于其中的明文信息被稱為秘密信息，隱藏的操作被稱為嵌入，掩護媒體被嵌入明文信息后被稱為偽裝媒體。信息隱藏的本質(zhì)就是將數(shù)據(jù)明文信息本身的存在性隱藏起來，利用人的五官，尤其是人眼（或耳）的不靈敏性，讓人感覺不到有明文信息在掩護媒體中的存在。信息隱藏技術(shù)與密碼學(xué)是不同的，明文信息經(jīng)過密碼算法加密后，就會成為一對密文，雖然惡意者不知道密文信息的意思，但是仍然可以感覺到密文信息的存在。因此信息隱藏技術(shù)則是從這一個問題出發(fā)，將明文信息隱藏起來且讓人感覺不到。現(xiàn)在信息安全方面，常將它們之間的優(yōu)點互補起來，先將數(shù)據(jù)信息加密，然后再進行隱藏，如此既起到了保護明文信息，又增加了信息的不可察覺性。

信息隱藏算法設(shè)計要求具有：(1)不可察覺性。即偽裝媒體與掩護媒體在人類感觀系統(tǒng)下是不可分辨的，即信息嵌入后掩護媒體的品質(zhì)并未降低；即使用統(tǒng)計的方法也無法分辨?zhèn)窝b媒體與掩護媒體。這是信息隱藏算法的一個基本的要求。(2)魯棒性。即指信息嵌入媒體后，能夠有效的提取出之前被隱藏的信息。(3)安全性。與密碼學(xué)中提到的安全性相似，且是信息隱藏算法設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)，安全性是建立在密鑰管理基礎(chǔ)之上的，只有擁有密鑰才能提取信息。(4)容量。一般情況下，被嵌入的信息量越大，信息隱藏算法的不可察覺性和魯棒性就會越差。

4 數(shù)字圖像信息隱藏的算法

本文提出的數(shù)字圖像信息隱藏算法是將一張秘密圖像先通過基于坐標的雙重置亂，然后再通過融合的方式將這張被置亂的秘密圖像隱藏于另外一張公開圖像中，但要求秘密圖像小于或等于載體圖像的大小。這種方法與許多人研究的圖像隱藏算法的思路一致，但在實施中具有更好的安全性，恢復(fù)操作更方便。

大量的研究表明，人眼對兩幅非常相似的數(shù)字圖像的像素值的感知存在的差別不是很大，這就給被置亂的圖像隱藏于載體圖像中提供了依據(jù)。因此，通過適當?shù)乃惴▽⒚孛軋D像的信息嵌入載體圖像后，可以讓載體數(shù)字圖像的表觀特征沒有什么改變，人通過眼睛無法識別出來。這里由于要用到坐標軸思想，為了方便計算，要求欲置亂圖像的長度和寬度相等，且是奇數(shù)。在實際應(yīng)用中，如果圖片的長度、寬度沒有達到這樣的要求，可以直接通過補足的方式，達到上面的要求。本算法利用MATLAB，達到了很好的效果。這里以255*255的恢度圖像為例，算法如下。

秘密圖像基于坐標的雙重置亂及隱藏的過程如下：

（1）先將欲被隱藏的秘密圖片用imread（）函數(shù)將255*255的恢度圖像讀取出來，放入A變量中，這時A就是一個記錄這個恢度圖片恢度值的數(shù)組；再用double()函數(shù)將A數(shù)組從uint8轉(zhuǎn)成double數(shù)據(jù)格式，并且將double格式的數(shù)據(jù)放入數(shù)組B中。

（2）通過已經(jīng)編好的基于坐標的第一次置亂函數(shù)mix13()，先計算得到秘密恢度圖像的中心坐標，通過驗證一般是在圖像的中心點，這樣就把圖像分成了四個象限，再將秘密恢度圖像的二四象限的恢度值進行中心對換，接著再把每個象限分成四個象限，重復(fù)上面的步驟，直到分成3*3的塊為止。

（3）對上面的已經(jīng)被置亂的秘密圖像再進行隨機置亂，利用設(shè)種子(seed)的方式，產(chǎn)生隨機數(shù)組，通過運用隨機數(shù)組計算數(shù)互換恢度值的隨機位置；然后交換兩個位置的恢度值，這就是第二次置亂，這步的關(guān)鍵就是設(shè)定的種子值，它將成為整個算法的密鑰之一。

（4）用imread（）函數(shù)將 255*255的載體恢度圖像讀取出來放入數(shù)組C中，把經(jīng)過了雙重置亂的秘密恢度圖像與載體圖像C進行融合,這里需要選定一個融合值(a)，可根據(jù)自己的實際情況選定，以使融合效果達到最好，最后生成偽裝圖像D。

（5）最后，seed、a 的值通過 LSB 算法，將它們嵌入到載體圖像中。

圖1 圖像置亂及隱藏過程

被隱藏的秘密恢度圖像提取的過程如下。

（1）通過LSB算法將seed、a的值從載體圖像中取出。

（2）通過第一個密鑰a，把秘密的被雙重置亂的恢度圖像提取出來。

（3）用第二個密鑰seed，將被雙重置亂的恢度圖像進行第一次置亂恢復(fù)。

（4）用基于坐標的思想，把被置亂的秘密圖你進行第二次置亂恢復(fù)。

圖2 圖像提取過程

5 結(jié)語

本文提出了基于坐標軸的雙重置亂數(shù)字圖像隱藏算法，并實現(xiàn)它將數(shù)學(xué)當中坐標的思想運用于圖標操作，但又不具有matlab中對圖像定義的坐標那樣一般性質(zhì)，使算法更具有隱蔽性。而且脫離了一般置亂算法的約束，采用了雙重置亂思想，使秘密圖像數(shù)據(jù)更具有安全性，采用了密鑰的方式，圖像的恢復(fù)操作顯得十分方便。最后使用了融合技術(shù)，秘密圖像隱藏于公開圖像中，惡意者無法察覺，更深一層保護了秘密圖像。同時本文提出的算法，抗攻擊性也是較強的。信息隱藏技術(shù)的研究是一個非常活躍的研究領(lǐng)域，但它仍處于發(fā)展的初級階段，現(xiàn)在很多專家及學(xué)者正致力于第二代信息隱藏技術(shù)的開發(fā)，未來會有更為先進的信息隱藏技術(shù)被開發(fā)出來。

[1]孫銳,孫洪.數(shù)字圖像信息隱藏技術(shù)[C].武漢：武漢大學(xué)出版社，2001.

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Based on the Dual Axis Digital Image Scrambling Algorithm and Implementation Hiding

YANG Yuping1,CHEN Yong2,YIN Lihua2
(1.Chongqing college of Electronic Engineering,Chongqing 401331,China;2.Chongqing Normal University,Chongqing 401331,China)

In recent years,the development and popularization of communications technology field,especially,with the popularization and its applications of computer network which generated by the combining of communication field and computer field,make data information sharing,communication are ever increasingly frequent.So it gives people a myriad of convenience,but also brings a series of derivatives data and information security such as data information stolen problem,the protection of the copyright problem,data information tampering problem.Digital image information hiding technology is a kind of image information protection technology.With comprehensive research of this field,this paper puts forward a method based on the coordinate,through the dual scrambling algorithm,making image hiding more security,making fighting offensive stronger,making recover quality better,and recovery operation is convenient

digital image information hiding； cryptography encryption； double scrambling； fusion technology； data information security

TP39

A

1674－5787（2011）03－0149－03

2011-03-31

楊玉平（1984—），男，重慶人，碩士研究生，重慶電子工程職業(yè)學(xué)院助理實驗師，研究方向：數(shù)字圖像處理與模式識別；陳勇，男，博士，重慶師范大學(xué)，副教授，研究方向：密碼學(xué)、數(shù)字圖像處理；尹麗花（1985—），女，湖南邵陽人,重慶師范大學(xué)2009級碩士研究生，研究方向：圖像拼接。

責(zé)任編輯 王榮輝