圖像隱藏算法的MATLAB實現(xiàn)

宮海梅

摘要：根據(jù)HVS的特性，人類視覺系統(tǒng)對高位信號敏感，去掉圖像最低幾個位并不會造成畫面質(zhì)量的明顯下降，視覺系統(tǒng)就無法感覺到信號的存在，提出了四比特圖像信息替換算法實現(xiàn)圖像隱藏，運(yùn)用MATLAB軟件進(jìn)行算法實現(xiàn)，嵌入信息后的載體圖像與原始圖像視覺效果基本一致，有效解決了圖像信息隱藏問題。

關(guān)鍵字：信息隱藏；HVS；MATLAB

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

Abstract： According to the characteristics of HVS， The human visual system is sensitive to the high signal. To remove the image of the least number of bits does not cause a significant decline in the quality of picture， The visual system can not feel the existence of the signal. In this paper， four bit image information replacement algorithm is proposed to realize the image hiding， MATLAB software is used to realize the algorithm. The carrier image after embedding information is basically consistent with the original image， effectively solve the problem of image information hiding.

Key words： image hiding； HVS； MATLAB；

0 引言

隨著信息時代的到來，多媒體技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，需要加密、認(rèn)證和版權(quán)保護(hù)的圖像數(shù)據(jù)越來越多。對數(shù)據(jù)實施加密處理，密文容易引起攻擊者的注意，即使密碼設(shè)定強(qiáng)大到攻擊者無法破解明文，但攻擊者可以采用破壞手段，干擾通信進(jìn)行。因此，具有偽裝特點(diǎn)的新興的信息安全技術(shù)—信息隱藏應(yīng)運(yùn)而生。本文首先分析闡述了信息隱藏的定義、特征及分類，接著提出論述了四比特圖像信息替換算法原理，最后給出了MATLAB仿真實現(xiàn)算法。

1 信息隱藏定義、特征及分類

信息隱藏技術(shù)是20世紀(jì)90年代中期發(fā)端遇國外，具體是利用人類感覺器官的不敏感，以及多媒體數(shù)字信號本身存在的冗余，將秘密信息隱藏在一個宿主信號中，不被人的感知系統(tǒng)察覺或未獲注意與重視，而且不影響宿主信號的感覺效果[1]。

信息隱藏具有許多共同的特征。一是不可感知性，這是信息隱藏系統(tǒng)的必要條件。二是魯棒性，即使宿主信號受到一定的擾動，仍然能恢復(fù)隱藏的信息。三是嵌入容量和強(qiáng)度，在保證不可感知性的前提下，應(yīng)盡量在載體中傳送更多的信息。四是密鑰與安全性。在設(shè)計隱藏系統(tǒng)時要綜合考慮密鑰的產(chǎn)生、發(fā)放、管理等。

信息隱藏技術(shù)按照嵌入域分類主要分為時域信息隱藏技術(shù)和變換域信息隱藏技術(shù)。其中，LSB是時域數(shù)字水印信息隱藏技術(shù)中居于首位的常見算法，算法簡單，嵌入速度快，而這些優(yōu)點(diǎn)則是一些變換域水印隱藏算法無法比擬的[2]。相應(yīng)地，對頻域變換信息隱藏技術(shù)的特點(diǎn)是，安全性強(qiáng)，能夠抵抗各種壓縮處理，但隱藏容量不大。通常，變換域信息隱藏技術(shù)可以細(xì)分為DCT域、DFT域和小波域等。綜上，信息隱藏分類如圖1所示。

2 四比特圖像信息替換算法原理

以圖像為載體進(jìn)行信息隱藏時，可看為在強(qiáng)背景（原始圖像）下疊加一個弱信號（被隱藏的信息），只要疊加的信號低于對比度門限，視覺系統(tǒng)就無法感覺到信號的存在。根據(jù) HVS的對比度特性，該門限值受背景照度、背景紋理復(fù)雜性和信號頻率的影響。背景越亮，紋理越復(fù)雜（或者說邊緣豐富），門限就越高，這類現(xiàn)象稱為亮度掩蔽和紋理掩蔽[3]。

根據(jù)文獻(xiàn)[4]，設(shè)背景照度為I，在均勻背景下，人眼剛好可以識別的物體照度為I+△I。其中△I≈0.02×I。視覺領(lǐng)域的進(jìn)一步研究表明，△I與 I 的關(guān)系更接近指數(shù)關(guān)系[1]，提出了更準(zhǔn)確的對比度敏感度函數(shù)：

設(shè)y為低位隱藏信息的位數(shù)，根據(jù)以上結(jié)論，y的取值為4～5時就可以基本滿足視覺可見性要求。

結(jié)合如上理論所述，并根據(jù)HVS的特性可知，人類視覺系統(tǒng)對高位信號敏感，去掉圖像最低幾位并不會造成畫面質(zhì)量的明顯下降，也可認(rèn)為，高四位幾乎含有圖像的全部信息，由此提出了四比特圖像信息替換算法，實現(xiàn)圖像信息隱藏。彩色圖像可由RGB這3個顏色矩陣表示，在這3種顏色分量上，可以選一像素點(diǎn)的任意一層，在低四位嵌入隱秘圖像的高四位，實現(xiàn)信息隱藏目的。圖2為像素點(diǎn)B層信息嵌入，表示用秘密圖像的高四位替代載體圖像低四位。

同時，也可以通過試驗驗證以上算法思想，圖像是以512×512×24的Lena 圖像為載體進(jìn)行試驗。對圖像進(jìn)行分層，分成3層，分別為紅層圖像、綠層圖像、藍(lán)層圖像。取藍(lán)層圖像進(jìn)行處理，去掉零位載體圖像，去掉低2位載體圖像，去掉低3位載體圖像，去掉低4位載體圖像，去掉低5位載體圖像， 去掉低6位載體圖像。實驗過程及結(jié)果如圖3所示。

由上面的對比圖可以看出，高四位基本含有圖像全部信息，圖像矩陣的每個像素值去掉低4bit，改變后的圖像和原圖像在視覺上并沒有太大的變化，因此可以認(rèn)為低4bit是冗余空間，故可以直接用秘密圖像像素值的高4bit去替換載體圖像像素值的低4bit。

3 四比特圖像信息替換算法實現(xiàn)

算法實現(xiàn)采用MATLAB軟件，該軟件由Math Works公司研創(chuàng)開發(fā)。在試驗中載體圖像采用512×512×24的Lena 圖像，秘密圖像采用512×512×24的peppers圖像。隱藏算法過程包括2方面，一方面，在載體上嵌入秘密信息形成載密圖像，即嵌入過程。另一方面，需要從載密圖像中取出秘密信息，即提取過程，具體算法描述如下。

3.1 嵌入過程

試驗得出，當(dāng)載密圖像無噪聲時，即能完好提取出秘密圖像，當(dāng)對載密圖像進(jìn)行攻擊實驗時，如高斯噪聲、泊松噪聲攻擊時，提取出來的信息很模糊，魯棒性差，該算法仍需更為完善的拓展與改進(jìn)。

4 結(jié)束語

信息隱藏技術(shù)作為信息安全領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，發(fā)展?jié)摿薮螅疚母鶕?jù)HVS的特性，提出了四比特圖像信息替換算法實現(xiàn)圖像隱藏，運(yùn)用MATLAB軟件進(jìn)行算法實現(xiàn)，嵌入信息后的載體圖像與原始圖像視覺效果基本一致，有效解決了圖像信息隱藏問題。但有噪聲攻擊時，魯棒性略差，需做切實提升與改進(jìn)。

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