基于RSA與LSB算法的信息隱藏*

吳少華，宋致虎，胡 勇

(四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都610064)

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)已成為人們最重要的通信手段。特別是大數(shù)據(jù)時代，海量數(shù)據(jù)廣泛分布，隨之而來的個人信息安全也越來越引起人們的重視，如何加強(qiáng)個人信息安全和隱私保護(hù)是擺在我們面前的一個重要課題。信息加密和信息隱藏是保護(hù)私密信息安全的兩種基本方法。信息加密是指對私密信息內(nèi)容加密，由于加密后的信息無法直接讀取，因此易引起攻擊者的注意，截獲并破解，甚至破壞加密信息，信息的完整性很容易遭到破壞［1］。信息隱藏技術(shù)主要是指將特定的信息嵌入數(shù)字化宿主信息(如文本，數(shù)字化的聲音、圖像、視頻信號等)中，信息隱藏保證隱藏的信息不引起監(jiān)控者的注意和重視，從而減少被攻擊的可能性。如在此基礎(chǔ)上再使用密碼技術(shù)可以極大地加強(qiáng)隱藏信息的安全性。文獻(xiàn)［2］研究了信息隱藏的分類和技術(shù)特征，并根據(jù)信息隱藏的宿主信息形式進(jìn)行了分析。由于圖像文件本身占用空間較大，存在較大的可用空間，再加上人眼對圖像存在視覺冗余，因此，圖像數(shù)字圖像文件就成為了信息隱載體的最佳選擇?；贐MP圖像的LSB算法是最具代表性的信息隱藏算法。文獻(xiàn)［3］對LSB算法進(jìn)行了仿真和分析，驗證了LSB算法的特性，引入偽裝密鑰增強(qiáng)了算法的魯棒性和安全性。為了提高在非授權(quán)情況下提取信息的難度與信息隱藏的效率，文中實現(xiàn)了改進(jìn)的LSB算法:一是將控制信息也當(dāng)作信息嵌入到BMP文件的圖像數(shù)據(jù)區(qū)，而不是放到位圖文件的保留字節(jié);二是在信息隱藏前對私密信息進(jìn)行了信息分割、RSA加密預(yù)處理;三是實現(xiàn)了改進(jìn)的LSB算法。

1 BMP格式及LSB算法

BMP文件是Windows操作系統(tǒng)中標(biāo)準(zhǔn)的圖像文件格式，它將內(nèi)存或顯示器的圖像數(shù)據(jù)直接按位存存儲到磁盤文件中，擴(kuò)展名為BMP，稱為BMP位圖。BMP圖像文件包括4部分:位圖文件頭、位圖信息頭、顏色表和位圖數(shù)據(jù)［4］。

24位BMP圖像文件的結(jié)構(gòu)特點:

1)文件頭由54個字節(jié)的數(shù)據(jù)段組成，包含圖像文件頭和圖像信息頭兩部分，文件頭表明了該圖像文件的類型、大小、圖像及打印格式等信息。

2)圖像數(shù)據(jù)部分從第55個字節(jié)開始，以圖像的左下角為起點，每個像素點用連續(xù)的3個字節(jié)表示，分別代表藍(lán)、綠、紅三基色在該像素中的亮度。

此外，還需要注的是Windows系統(tǒng)規(guī)定每個掃描行所占的字節(jié)數(shù)必須位4的整數(shù)倍，不足4的倍數(shù)的則要對其進(jìn)行擴(kuò)充。比如有一個W×H大小的位圖，其中W為位圖的寬度、H為位圖的高，每像素占N個比特，則掃描行所占的真實字節(jié)數(shù)為:

DataSizePerLine=(W×N/8+3)/4×4

在不壓縮情況下位圖數(shù)據(jù)的大小為:

biSizeImage=DataSizePerLine ×H1.2 BMP 文件中LSB應(yīng)用

LSB(Least Significant Bit，最低比特位嵌入技術(shù))是將私密信息嵌入BMP圖像文件的像素值的最低的1～3 bit，當(dāng)嵌入的比特數(shù)不大于3時對載體圖像的品質(zhì)影響最小，圖像質(zhì)量不會明顯下降。在信息還原時只需知道嵌入比特數(shù)和具體比特位置便可將信息還原出來。對于BMP位圖文件，在不改變圖像的質(zhì)量的情況下，根據(jù)亮度公式I=0.299R+0.587G+0.114B，以及人眼視網(wǎng)膜細(xì)胞對綠色最敏感，對藍(lán)色最不敏感的理論。對于每個BMP位圖像素，如果改變一個字節(jié)的最低有效位，其誤差率≤1/255。根據(jù)亮度公式，分別改變R、G、B各分量的最低2位、1位、3位，人眼仍不能明顯感覺到圖像的變化。因此，對于一幅24位位圖，其每像素可隱藏6 bit的信息。

2 隱藏信息預(yù)處理

2.1 信息分割

信息分割的主要目的是為了增加信息隱藏技術(shù)的不可逆性，將私密信息隨機(jī)分割，記錄下分割順序后，將分割后的文件名通過MD5加密算法進(jìn)行加密，私密信息分割后用信息接收方的公鑰進(jìn)行RSA加密，信息只有接收方才能解密，因此大大增加了系統(tǒng)的安全性。信息分割流程如圖1所示。

圖1 文件分割流程Fig.1 Document segmentation procedure

2.2 RSA 加密

2.2.1 RAS 加密算法流程

1)選兩個保密的大素數(shù) p和 q［5］。

2)計算 n=pq，m=(p－1)(q－1)，其中 m 是 n的歐拉函數(shù)值。

3)選一整數(shù) e，滿足1＜e＜m，且 gcd(m，e)=1。

4)計算 d，滿足 de≡1modm。

5)以{e，n}為公鑰，{d，n}為私鑰。

6)將明文P，加密為密文C，計算方法為:c≡P^emodn。

7)將密文C解密為明文P，計算方法為:P≡C^dmodn。

2.2.2 私密信息RSA加密算法描述

3 LSB算法的改進(jìn)

通常LSB算法是采用直接轉(zhuǎn)換載體圖像的最低位方法來隱藏私密信息。比如利用LSB算法置最低k位實現(xiàn)在一個M×N大小的載體圖像中隱藏私密信息，則私密信息的提取公式為:

其中，m為提取的私密信息值，x'為按照LSB算法置換后的該像素點的值。根據(jù)模的性質(zhì)，假設(shè)A mod B=C，且 A≥B，則(A－B)mod B=C?；谶@一性質(zhì)，文獻(xiàn)［1］對傳統(tǒng)的LSB算法進(jìn)行了改進(jìn)。

設(shè)x表示置換前該點的像素值，d為置換前后像素值的變化量，則:

d的范圍可分為如下三個區(qū)間:

對于第一種條件下，當(dāng)x'＜256－2k時，令x'=x'+2k，其余情況 x'不變。

對于第二種條件，x'保持不變。

對于第三種條件，當(dāng)x'≥2k時，令 x'=x'－2k，其余情況x'不變。

流程圖如圖2所示。

圖2 LSB算法流程Fig.2 Procedure of LSB algorithm

比如當(dāng)x=247時，其二進(jìn)制代碼為11110111，待隱藏的私密信息的二進(jìn)制代碼為001，采用LSB算法置換低三位，那么 x'=241，二進(jìn)制代碼為11110001。此時d=6，k=3，屬于第一種條件，將x'的值重新置為249，二進(jìn)制代碼為11111001，由此可見，采用改進(jìn)的LSB算法相對于原像素的值僅改變了2個單位，而提取私密信息的結(jié)果并不會改變。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)流程

如圖3所示，系統(tǒng)設(shè)計流程如下:

加密過程如下:

1)首先讀取隱藏信息獲取隱藏信息的大小，將隱藏信息進(jìn)行分割處理，分割數(shù)量根據(jù)秘密文件的大小以及載體文件的最大隱藏值決定，不論隱藏信息大小如何，其分割數(shù)量不得小于5個，另外分割后的文件需要按進(jìn)行序號標(biāo)注，序號采用MD5進(jìn)行加密。

2)將分割后的秘密文件分別運(yùn)用RSA加密算法進(jìn)行加密。

3)根據(jù)分割文件數(shù)量載入掩護(hù)BMP圖像文件，將每個隱藏信息塊分別隱藏到相應(yīng)的掩護(hù)BMP圖像文件中。

4)將所有已加密隱藏后的圖像文件生成一個統(tǒng)一的壓縮包，壓縮包內(nèi)是所有的隱藏圖像文件。

解密過程正好與之相反。

圖3 系統(tǒng)流程Fig.3 System procedure

4.2 程序界面

程序運(yùn)行界面如圖4所示，首先點擊“瀏覽”按鈕選擇待加密的私密文件，然后再選擇所使用密鑰，最后點擊加密按鈕，程序即按照文中所闡述的原理對私密文件進(jìn)行加密和隱藏。

圖4 程序運(yùn)行界面Fig.4 Program interface

5 結(jié)語

相對于傳統(tǒng)的LSB算法，實現(xiàn)了一種改進(jìn)的算法，使得文中的信息隱藏具有更好的隱藏效果，具體體現(xiàn)在以下幾點:

改進(jìn)LSB算法復(fù)雜度低，僅對信息進(jìn)行加或減運(yùn)算，提高了信息隱藏效率;

對于24位BMP圖像文件，每個像素用3個字節(jié)來表示，其中的6個比特可以用作隱藏信息，而文中改進(jìn)后LSB算法可以利用其中的8個比特隱藏信息，擴(kuò)充了可隱藏信息的容量，提高了隱藏效率，而載體圖像質(zhì)量并沒有明顯改變。

通過信息分割、RSA加密預(yù)處理，大大提高了在非授權(quán)情況下提取信息的難度。

［1］馮雪峰.改進(jìn) LSB算法及其在 BMP圖像中的應(yīng)用［J］.信息技術(shù)，2006(01):30 －32.FENG Xue－feng.An Improved LSB Algorithm for BMP Files［J］.Information Technology，2006(01):30 － 32.

［2］王衍波，張凱澤，端木慶峰，等.廣義信息隱藏技術(shù)分類研究［J］.軍事通信技術(shù)，2007，28(04):45－50.WANG Yan－bo，ZHANG Kai－ze，DUANMU Qingfen，WANG Jing－yu.Classification of Generalized Information Hiding Technology［J］.Journal of Military Communications Technology，2007，28(04):45 －50.

［3］趙曼，張衛(wèi)黨.基于圖像的信息隱藏技術(shù)的實現(xiàn)［J］.通信技術(shù)，2008，41(05):128－129.ZHAO Man，ZHANG Wei－ dang.Realization Based on Images Information Hiding Technology［J］.Communications Technology.2008，41(05):128 －129.

［4］張維谷.圖像文件格式(上)windows編程［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1996:40－82.ZANG Wei－gu.Image File Format Windows Programming［M］.BeiJing，Tsinghua University Press，1996:40 －82.

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