基于空間域的數(shù)字圖像隱藏技術(shù)應(yīng)用

蔡正保

(安徽國防科技職業(yè)學(xué)院 信息工程系， 安徽 六安　237011)

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基于空間域的數(shù)字圖像隱藏技術(shù)應(yīng)用

蔡正保

(安徽國防科技職業(yè)學(xué)院 信息工程系， 安徽 六安237011)

摘要：在探討空間域算法基本原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種新的數(shù)字圖像隱藏算法.新的算法對空間域技術(shù)的典型算法最不顯著位算法進行了改進.將新技術(shù)應(yīng)用到圖像隱藏中,并對實踐應(yīng)用結(jié)果數(shù)據(jù)作了分析.結(jié)果表明，采用新的算法能達到較好的數(shù)字圖像隱藏效果.

關(guān)鍵詞：空間域；算法；數(shù)字圖像；隱藏；改進

0引言

隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，很多數(shù)字圖像需要通過計算機網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，一些數(shù)字圖像涉及到保密信息，而怎樣對網(wǎng)絡(luò)傳輸中的數(shù)字圖像提供有效的安全保護就顯得重要[1]，例如，如何確保企業(yè)的秘密圖標、票據(jù)交易等圖像信息在網(wǎng)絡(luò)上的安全傳輸[2].目前，保護數(shù)字圖像安全的技術(shù)方案較多，其中主要是對數(shù)字圖像采用隱藏技術(shù)[2-6].本研究采用一種基于空間域的圖像隱藏算法，能較好地實現(xiàn)對數(shù)字圖像的隱藏.

1空間域算法

1.1空間域算法原理

空間域算法運用數(shù)字圖像像素信息的二維陣列來儲存隱藏的信息.其原理是，利用人類視覺系統(tǒng)對圖像的微小變化反應(yīng)不敏感實現(xiàn)，將需隱藏圖像的信息比特替換到載體圖像信息流的低位，操作簡單，載體圖像變化小[3].空間域為圖像隱藏中較為簡單的域，其實質(zhì)是采用改變像素值來達到嵌入信息的目的，并且像素值的更改對原圖像的統(tǒng)計特性不產(chǎn)生影響.

1.2最不顯著位算法

圖像信息隱藏領(lǐng)域中，對于最不顯著位算法的應(yīng)用已有較長的時間，主要是因其算法簡單.假設(shè)二進制信息流10100101為圖像信息中的1字節(jié)，其最右邊1位稱為最不顯著位，因為改變這1位對整個數(shù)據(jù)的影響很小.在進行常規(guī)圖像隱藏處理中，圖像信息每1字節(jié)的最不顯著位均可被替換，這對整個圖像的視覺效果影響較小.依據(jù)該原理，可把待隱藏的秘密圖像進行二進制拆分處理，再將其替換到載體圖像的最不顯著位中，便可實現(xiàn)對秘密圖像的隱藏.基于空間域算法原理的最不顯著位替換方法雖簡單，圖像隱藏安全性能等指標卻不能達到要求[4].

2改進的最不顯著位算法

圖像隱藏算法的優(yōu)劣，很大程度上取決于含密圖像的視覺效果、圖像隱藏容量及秘密圖像的安全性等方面[5-6].對此，本研究提出了一種改進的最不顯著位算法.

2.1圖像嵌入算法

本研究以最不顯著位算法原理為基礎(chǔ)，設(shè)計了一個新的圖像隱藏算法：將載體圖像的低4位作為最不顯著位，秘密圖像按照一定的規(guī)則嵌入到載體圖像的低4位.詳細實現(xiàn)過程如下：

1)選擇合適的載體圖像，設(shè)A為載體圖像的1字節(jié)二進制信息，8位二進制信息序列為A8A7A6A5A4A3A2A1，拿出A的低4位A4A3A2A1，取出A4A3A2A1中的隨機2位，記為AmAn；

2)選取待隱藏的秘密圖像B，將其中的信息按字節(jié)依次提取出來，記作B8B7B6B5B4B3B2B1，按順序取出B中連續(xù)的2位二進制信息，記作BiBj；

3)將AmAn中m、n的取值對照表1列舉出來，把m、n按照從小到大的次序優(yōu)先進行選擇，再將BiBj、AmAn的數(shù)據(jù)位進行匹配.若成功匹配，則可把表1中與m、 n相對應(yīng)的tag值拿出來， 并將其放到TAG集合中.若BiBj、AmAn不能匹配，便把BiBj替換成A2A1，即用Bi替換A2，用Bj替換A1.不能匹配的時候在表1中無與m、n相對應(yīng)的tag值，可用0來進行標記，并把0放入TAG集合；

表1　m、n取值及相對應(yīng)的tag值

4)按步驟“1)”、“2)”、“3)”循環(huán)操作，直至完成秘密圖像信息嵌入；

5)評價改進的最不顯著位算法的圖像隱藏效果，計算并分析峰值信噪比(PSNR).

以下舉例說明圖像嵌入過程中的數(shù)據(jù)處理過程.載體圖像使用一個RGB格式的數(shù)字圖像，若圖像信息中的3個像素是151、95、113、162、131、34、77、43、216、194，每個像素含3個字節(jié)二進制信息.如果需要嵌入的秘密圖像二進制信息是35、76，其二進制數(shù)據(jù)為00100011、01001100.依據(jù)步驟“1)”、“2)”、“3)”來對秘密圖像信息進行嵌入，其數(shù)據(jù)處理過程如表2所示.

表2　圖像嵌入

根據(jù)上述算法步驟，秘密圖像信息35、76經(jīng)過處理后已嵌入到載體圖像中，載體圖像信息為8個字節(jié)，實現(xiàn)了2個字節(jié)秘密圖像信息的隱藏.因需嵌入的信息只有2字節(jié)，所以載體圖像的1字節(jié)信息未被替換.在完成信息的嵌入后，可得到含秘圖像的3個像素為148、94、112、163、129、34、87、40、194，TAG集合為{5,2,0,4,7,0,3,0}.

2.2TAG集合的隱藏

在秘密圖像的嵌入過程中，有新的TAG數(shù)據(jù)生成，TAG集合信息需要嵌入到載體圖像信息中.為提高圖像隱藏的安全性，避免非法人員提取秘密圖像，需對TAG集合中的信息進行一系列運算：將TAG中所有數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)換成二進制序列，再依據(jù)連續(xù)2位的法則提取每個數(shù)據(jù)的二進制信息，把這2位信息與擬嵌入載體圖像中某字節(jié)的低3、4位做異或運算，可得一組數(shù)值，用這組數(shù)值替換載體圖像中同字節(jié)的低1、2位，即可完成TAG集合的隱藏.

TAG集合數(shù)據(jù)的詳細嵌入實現(xiàn)過程如下：

1)先選定TAG信息準備在載體圖像信息中嵌入的初始位置X,從X位置往后的載體圖像數(shù)據(jù)段有足夠的空間去隱藏整個TAG集合數(shù)據(jù)；

2)取出TAG集合中數(shù)據(jù)的二進制信息的連續(xù)2位，記作TiTj，將TiTj按順序同載體圖像信息中的A3、A4位進行異或運算，再用運算結(jié)果替換A1、A2，即A2=Ti⊕A4，A1=Tj⊕A3；

3)按步驟2)循環(huán)操作，直到隱藏完所有TAG集合數(shù)據(jù).

2.3圖像提取

圖像提取是圖像嵌入的逆過程，先讀取TAG集合數(shù)據(jù)，再依據(jù)TAG集合數(shù)據(jù)來進行秘密圖像信息的讀取.圖像提取的實現(xiàn)步驟如下：

1)在含密圖像中尋得TAG信息嵌入位置，按順序讀取每字節(jié)數(shù)據(jù)低4位A4A3A2A1，使用下列運算：Ti=A2⊕A4，Tj=A1⊕A3，由運算結(jié)果可得TAG集合；

2)根據(jù)TAG集合中的數(shù)據(jù)對照表1可得m、n值；

3)從含密圖像中按次序提取數(shù)據(jù)，再參照m、n值可還原原先嵌入的秘密圖像數(shù)據(jù)；

4)按步驟“3)”循環(huán)操作，還原出所有嵌入的秘密圖像的原始信息，即可提取出整個秘密圖像；

5)評價圖像隱藏效果.

2.4改進算法的應(yīng)用

在算法的仿真實驗中，選取灰度圖像cameraman(256×256)作為載體圖像，兩個二值圖像cat(256×256)和tyre(128×128)為待隱藏的秘密圖像，采用改進的算法分別將cat和tyre圖像嵌入到cameraman圖像中，再運用提取算法提取出cat和tyre圖像，圖像處理結(jié)果如圖1、圖2所示.認真觀察圖1中的含密圖像(c)和載體圖像(a)以及提取出來的秘密圖像(d)和原始秘密圖像(b)，發(fā)現(xiàn)沒有區(qū)別；比較圖2中的(c)和(a)以及(d)和(b)，也發(fā)現(xiàn)沒有任何區(qū)別.

圖1cat隱藏效果圖

圖2tyre隱藏效果圖

同時，在實驗中對2個二值圖像cat和tyre進行隱藏并提取，依據(jù)應(yīng)用結(jié)果計算得到的峰值信噪比(PSNR)如表3所示.

常規(guī)情況下，在峰值信噪比的數(shù)值大于35 dB時，人類肉眼就很難觀察出圖像的細微變化.表3數(shù)據(jù)顯示，改進的最不顯著位算法圖像隱藏透明性好、

表3　圖像隱藏的峰值信噪比(PSNR)

信息隱藏量大，圖像隱藏效果較一般的空間域技術(shù)要更優(yōu).

3結(jié)語

基于空間域算法原理對圖像二進制數(shù)據(jù)采用設(shè)計好的規(guī)則修改可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的嵌入.通常將算法運用到圖像隱藏實踐中時，需要深入關(guān)注信息的嵌入強度、位置等因素.原始最不顯著位算法信息替換原理簡單，使用方便同時很容易實現(xiàn)，但數(shù)字圖像的隱藏效果以及安全性得不到保證.改進的最不顯著位算法雖然原理較為復(fù)雜，但經(jīng)過實踐應(yīng)用證明，算法同樣易于實現(xiàn)，并且算法的性能有了質(zhì)的提高.

參考文獻：

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[6]鄭偉，吳占橋，李敏，等.NSCT變換和小波包變換相結(jié)合的圖像隱藏方法[J].計算機工程與應(yīng)用,2012,48(24):161-164.

Application of Digital Image Hiding Technology Based on Spatial Domain

CAIZhengbao

(Department of Information Engineering, Anhui National Defense Vocational College, Liuan 237011, China)

Abstract：Based on the discussion of the basic principle of spatial domain algorithm,a new algorithm of digital image hiding is designed,and the new algorithm improves the least significant bit algorithm of the typical algorithm of spatial domain.The new technology is applied in image hiding,and the result data of the practical application is analyzed.The new algorithm used has achieved better results in digital image hiding.

Key words:spatial domain;algorithm;digital image;hiding;improvement

文章編號：1004-5422(2016)02-0156-03

收稿日期：2016-02-24.

基金項目：安徽省教育廳自然科學(xué)研究(KJ2016A116)重點資助項目.

作者簡介：蔡正保(1984 — )， 男， 碩士， 講師， 從事信息安全技術(shù)研究.

中圖分類號：TN918；TN911.73

文獻標志碼：A