基于信息隱藏技術(shù)的圖片無(wú)損水印研究

陳鵬文 高飛鵬 楊潔

DOI：10.16644/j.cnki.cn33-1094/tp.2021.11.014

摘? 要： 文章研究了基于LSB圖像信息隱藏技術(shù)的圖片無(wú)損水印。該方法所嵌的載體圖片，在水印寫(xiě)入時(shí)以隨機(jī)間隔法嵌入，其間隔距離以偽隨機(jī)數(shù)來(lái)控制，偽隨機(jī)數(shù)的種子作為密鑰;在需要還原載體圖片時(shí)，只需輸入嵌入時(shí)所設(shè)置的密鑰，就可以通過(guò)該方法還原成原來(lái)的載體圖片。經(jīng)過(guò)PSNR（Peak Signal to Noise Ratio，峰值信噪比）測(cè)試得出，該方法能很好地還原載體圖片，實(shí)現(xiàn)圖片的無(wú)損水印。

關(guān)鍵詞： 圖片; 無(wú)損水印; LSB圖像信息隱藏

中圖分類號(hào)：TP391? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號(hào)：1006-8228（2021）11-55-05

Research on picture lossless watermarking with information hiding technology

Chen Pengwen， Gao Feipeng， Yang Jie

（Jiyang College of Zhejiang A&F University， Zhuji， Zhejiang 311800， China）

Abstract： The image lossless watermarking studied in this paper is based on the LSB image information hiding technology. The carrier picture embedded in this method is embedded by random interval method when the watermark is written， the interval distance is controlled by pseudo-random number， and the seed of pseudo-random number is used as the key; When the carrier picture needs to be restored， just input the key set during embedding， and then the original carrier picture can be restored by this method. The PSNR （Peak Signal to Noise Ratio） test shows that this method can well restore the carrier picture and realize the lossless watermarking of the picture.

Key words： picture; lossless watermarking; LSB image information hiding technology

0 引言

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，信息的存儲(chǔ)、復(fù)制、處理和傳輸變得越來(lái)越便捷。在開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中發(fā)送的任何類型的信息都可以很容易地被竊聽(tīng)或攔截。其中圖片作為信息的載體，應(yīng)用甚廣，如圖片中嵌入其他的圖片來(lái)傳播廣告，商家信息等。如果我們將嵌入圖片所覆蓋的區(qū)域用信息隱藏技術(shù)寫(xiě)入到圖片中，就可以在我們所需時(shí)刻，做到隨時(shí)還原，做到圖片的無(wú)損水印的效果，同時(shí)還可以擁有版權(quán)，其中保證圖片的失真率低是關(guān)鍵。

在圖像信息隱藏技術(shù)方面，萬(wàn)諾飛[1]對(duì)JPEG圖像的可逆隱藏算法進(jìn)行了研究，在相同質(zhì)量因子和同等比特流嵌入載體圖像的情形下，能夠得到更好的JPEG圖像的視覺(jué)質(zhì)量，以及更少的圖像比特流擴(kuò)展。王紫琪[2]對(duì)多圖像信息隱藏與加密算法進(jìn)行了研究，有效提高傳統(tǒng)多幅圖像同步壓縮加密與重構(gòu)恢復(fù)的計(jì)算效率，并且具有較高的密鑰敏感性，較大的密鑰空間以及良好的抗噪性和魯棒性。

1 基于信息隱藏技術(shù)系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 信息隱藏模型

信息隱藏與傳統(tǒng)的密碼學(xué)技術(shù)有所不同，密碼學(xué)技術(shù)主要研究的是將機(jī)密信息進(jìn)行特殊的編碼，使其形成一種特殊的不易被識(shí)別的密碼進(jìn)行傳遞;而信息隱藏則主要研究怎樣將機(jī)密信息秘密隱藏于公開(kāi)的載體信息中，然后通過(guò)公共傳輸途徑進(jìn)行傳輸并傳遞機(jī)密信息[4]。對(duì)加密通信而言，非法間諜可以通過(guò)截取密文，并對(duì)密文進(jìn)行破解，或?qū)⒚芪钠茐碾S后再發(fā)送，從而影響機(jī)密信息的安全以及準(zhǔn)確性;而對(duì)信息隱藏而言，非法攔截者則難以從公開(kāi)信息中判斷機(jī)密信息是否存在，難以獲取機(jī)密信息，從而能保證機(jī)密信息的安全。

待隱藏的信息稱為秘密信息，它可以是秘密數(shù)據(jù)或是版權(quán)信息;而公開(kāi)信息則稱為載體信息，如視頻、音頻片段、圖像、文本。這種信息隱藏過(guò)程，一般由密鑰來(lái)控制，通過(guò)嵌入算法將秘密信息隱藏于公開(kāi)信息中，而隱蔽載體則通過(guò)公開(kāi)信道傳遞，然后檢測(cè)器利用密鑰從隱蔽載體檢測(cè)隱蔽信息并恢復(fù) 。

1.2 信息隱藏特點(diǎn)

信息隱藏與傳統(tǒng)的加密有所不同，因?yàn)樾畔㈦[藏的目的不在于限制正常的資料存取，而在于保證隱藏?cái)?shù)據(jù)不被發(fā)現(xiàn)。信息隱藏技術(shù)需要解決正常的信息操作對(duì)載體中所嵌入的隱藏信息造成的威脅，所以要使載體對(duì)正常的數(shù)據(jù)操作技術(shù)具有一定的抗性。這種抗性的關(guān)鍵是要使隱藏信息部分不易被正常的數(shù)據(jù)操作所破壞。根據(jù)信息隱藏的目的和技術(shù)要求，該技術(shù)存在以下特性。

⑴ 魯棒性：指不因圖像文件的某種改動(dòng)而導(dǎo)致隱藏信息丟失的能力[3]。這里所謂“改動(dòng)”包括傳輸過(guò)程中的信道噪音、濾波操作、重采樣、有損編碼壓縮等。

⑵ 不可檢測(cè)性：是指隱蔽載體與原始載體具有一致的特性。如具有一致的統(tǒng)計(jì)噪聲分布等，為了使非法間諜無(wú)法得知是否含有隱藏信息。

⑶ 透明性：利用人類視覺(jué)系統(tǒng)或人類聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)屬性，經(jīng)過(guò)一系列隱藏處理，使目標(biāo)數(shù)據(jù)沒(méi)有明顯的降質(zhì)現(xiàn)象，在正常情況下人無(wú)法看見(jiàn)或者聽(tīng)見(jiàn)隱藏的數(shù)據(jù)。

⑷ 安全性：指隱藏算法有較強(qiáng)的抗攻擊能力，即它必須能夠承受一些對(duì)文件的正常操作和一些人為的破壞 ，而使隱藏信息不會(huì)被破壞。

⑸ 自恢復(fù)性：由于經(jīng)過(guò)一些操作或變換后，可能會(huì)使原圖產(chǎn)生較大的破壞，如果只從留下的片段數(shù)據(jù)，仍能恢復(fù)隱藏信號(hào)，而且恢復(fù)過(guò)程不需要宿主信號(hào)，這就是所謂的自恢復(fù)性[5]。

⑹ 可糾錯(cuò)性：為了保護(hù)隱藏信息的完整性，使其在經(jīng)過(guò)各種操作和變換后仍能很好的地恢復(fù)，通常用于糾錯(cuò)編碼方法。

1.3 LSB圖像信息隱藏技術(shù)

LSB圖像信息隱藏技術(shù)是將信息的每一位隱藏到圖片RGB單元的最后一位，改變這一位置對(duì)載體圖像的品質(zhì)影響最小，人的肉眼難以識(shí)別，從而做到在公開(kāi)圖像中隱藏信息的效果，其嵌入的容積最多為圖片文件大小的八分之一。

LSB圖像信息隱藏技術(shù)有如下優(yōu)點(diǎn)：算法簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)，計(jì)算速度也快。在基礎(chǔ)算法上能夠很快的進(jìn)行改進(jìn)，并在脆弱性水印中應(yīng)用廣泛。LSB圖像信息隱藏技術(shù)有如下缺點(diǎn)：嵌入消息較大時(shí)，所花時(shí)間較長(zhǎng)。只能處理簡(jiǎn)單的流格式的文件。為了滿足水印的不可感知性，允許嵌入的水印強(qiáng)度較低，對(duì)空間域的各種操作都很敏感。

嵌入：載體圖片所嵌入的區(qū)域圖片像素最低位全部置零如圖1所示，再將水印的二值序列依次加到各像素值上如圖2所示。

提?。簩?duì)偽裝圖片的特定區(qū)域進(jìn)行各像素值進(jìn)行模2運(yùn)算如圖3所示，并進(jìn)行提取。

1.4 偽隨機(jī)數(shù)

絕對(duì)隨機(jī)的隨機(jī)數(shù)只是一種理想狀態(tài)下的隨機(jī)數(shù)，計(jì)算機(jī)的偽隨機(jī)數(shù)是由隨機(jī)種子根據(jù)計(jì)算方法算出來(lái)的數(shù)值，只要計(jì)算的方法一定，隨機(jī)種子一定，所產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)就是固定的。所以，偽隨機(jī)數(shù)的種子就可以作為信息隱藏的密鑰。在偽隨機(jī)數(shù)中其中m序列是最有名和最簡(jiǎn)單的，也是研究的最透徹的序列，m序列是最長(zhǎng)線性反饋移存器序列的簡(jiǎn)稱，它是由帶線性反饋的移存器產(chǎn)生的周期最長(zhǎng)的一種序列。設(shè){ai}=（a1a2a3…）為集合，例如00110111，其前面兩個(gè)數(shù)字是00稱為2的游程，接著11是1的2游程，在接下來(lái)是0的1游程和1的3游程。GF（Galois Field，有限域）（2）是最簡(jiǎn)單的有限域，只有0，1二元及異或運(yùn)算、與運(yùn)算，GF（2）上周期為T(mén)的序列R（t）為{ai}的自相關(guān)函數(shù)定義為⑴

當(dāng)t=0，R（t）=T;當(dāng)t≠0時(shí)，稱R（t）為異相自相關(guān)函數(shù)。GF（2）上的長(zhǎng)為n的m序列{ai}具有以下特性：①在一個(gè)周期內(nèi)，0、1出現(xiàn)的次數(shù)分別為2n-1-1和2n-1。②在一個(gè)周期內(nèi)，總游程數(shù)為2n-1，對(duì)0

1.5 隱藏功能構(gòu)建

圖像信息隱藏技術(shù)的核心在于將秘密信息隱藏在于公開(kāi)的圖像信息之中，并將公開(kāi)的圖像作為有效載體，實(shí)現(xiàn)機(jī)密信息的傳遞。信息隱藏技術(shù)將圖像媒體中的冗余信息進(jìn)行有效利用，利用人眼對(duì)特定信息的隱蔽作用實(shí)現(xiàn)信息的隱蔽，基于水印技術(shù)的信息隱藏的優(yōu)勢(shì)在于能夠保障信息的安全性，非法間諜難以從數(shù)字水印中獲取機(jī)密信息[6]。

信息隱藏技術(shù)的工作原理圖如圖4所示。

根據(jù)待嵌入圖片大小，來(lái)決定載體圖片是否能夠隱藏被待嵌入圖片所覆蓋的區(qū)域。其中，隱藏技術(shù)采用LSB圖像信息隱藏技術(shù)，通過(guò)改變最低位來(lái)實(shí)現(xiàn)信息隱藏，由于每一個(gè)像素點(diǎn)有R，G，B三層。考慮到能盡可能增大能夠隱藏?cái)?shù)據(jù)的大小，所以將水印寫(xiě)入到相對(duì)應(yīng)的R，G，B層中即將R層中的像素值寫(xiě)入R層中隱藏。由于每一個(gè)需要隱藏的像素值將被轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制，將每一位寫(xiě)入載體圖片像素值的最低位，而且嵌入時(shí)采用隨機(jī)間隔法寫(xiě)入，所以載體圖片大小至少為嵌入圖片的32倍。

本文中所嵌入方式是隨機(jī)間隔法。其原理是利用C++中自帶的偽隨機(jī)數(shù)函數(shù)，將偽隨機(jī)數(shù)的種子作為嵌入時(shí)的密鑰，并利用偽隨機(jī)數(shù)來(lái)控制前后兩個(gè)嵌入位的距離，且保證隨機(jī)嵌入選擇的像素位不重復(fù)，達(dá)到使信息嵌入點(diǎn)混亂，考慮到載體圖片的嵌入量將兩個(gè)嵌入位之間的距離控制在1-3個(gè)像素值，在保證一定混亂的情況下，提高圖片嵌入量。從而第三者在密鑰未知的前提下，很難從隱秘載體中得到或刪除，甚至發(fā)現(xiàn)秘密信息 。通過(guò)讀取載體圖片數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)里像素值的與待嵌入圖片的像素值進(jìn)行替換，在圖5（b）右下角嵌入圖5（b）得到圖5（c）所示。

并且用一個(gè)空數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體其大小與待嵌入圖片大小相同來(lái)儲(chǔ)存被覆蓋的區(qū)域如圖6所示。

1.6 恢復(fù)功能構(gòu)建

因?yàn)樵O(shè)置了密鑰，非法間諜沒(méi)有密鑰是無(wú)法還原載體圖片的。密鑰持有者只需輸入密鑰和需要還原的載體圖片，再根據(jù)偽隨機(jī)的間隔，特定的隱藏區(qū)域來(lái)提取隱藏信息，并還原載體圖片。根據(jù)特定區(qū)域的隱藏信息是以二進(jìn)制的水印寫(xiě)入。所以用模2法提取出水印并設(shè)計(jì)出了將其還原為十進(jìn)制像素值的算法。然后再將其像素值寫(xiě)入到嵌入圖片所覆蓋的區(qū)域，做到載體圖片還原的效果，實(shí)現(xiàn)圖片的無(wú)損水印。通過(guò)本算法的恢復(fù)算法還原圖片。首先輸入需要恢復(fù)的圖片圖7（a），之后輸入設(shè)定的密鑰，然后根據(jù)隨機(jī)間隔法的間隔為以密鑰設(shè)定的偽隨機(jī)數(shù)。對(duì)特定的隱藏區(qū)域做模2運(yùn)算就可以提取水印如圖7（b）所示。通過(guò)研究，編寫(xiě)出算法對(duì)每八個(gè)像素點(diǎn)的像素值進(jìn)行模2算法，并根據(jù)提供正確的密鑰得出的偽隨機(jī)數(shù)進(jìn)行隨機(jī)間隔提取，并進(jìn)行了將二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制的運(yùn)算。最后再將像素值寫(xiě)入對(duì)應(yīng)的需要被還原的區(qū)域，即可做到恢復(fù)圖片的效果，如圖7（c）所示。對(duì)比圖7（d）達(dá)到的效果，從而實(shí)現(xiàn)圖片的無(wú)損水印。

2 仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 峰值信噪比計(jì)算

峰值信噪比是是一種評(píng)價(jià)圖像的客觀標(biāo)準(zhǔn)，本文采用PSNR計(jì)算公式如⑶所示其中MSE（Mean Square Error，均方差）為均方差。得出PSNR值越大，表示圖片的失真率越低。

然后對(duì)十張不同的載體圖片在密鑰和嵌入圖片相同的情況下進(jìn)行隱藏，在嵌入后經(jīng)過(guò)還原并進(jìn)行PSNR測(cè)試，理論上假設(shè)所有像素改變1或者-1，最低的峰值信噪比約等于48.13dB，對(duì)十張圖片的PSNR值的進(jìn)行求平均值處理得出PSNR值等于65.14dB。得出通過(guò)本算法，圖片的還原過(guò)程中導(dǎo)致圖片的失真可能性非常低。

2.2 安全性測(cè)試

此性能測(cè)試對(duì)密鑰錯(cuò)誤時(shí)，以及在一些干擾下提取信息隱藏進(jìn)行了測(cè)試。當(dāng)圖 8（a）在密鑰錯(cuò)誤時(shí)，圖片是無(wú)法讀取隱藏信息，此時(shí)恢復(fù)的區(qū)域如圖8（b）所示，正確的水印如圖8（c）所示。所以當(dāng)非法間諜沒(méi)有正確的密鑰時(shí)是無(wú)法提取隱藏信息的。

2.3 干擾測(cè)試

首先對(duì)圖片進(jìn)行了裁剪的干擾分別裁剪位置為左上角。如圖9（a）所示。當(dāng)剪裁左上角時(shí)提取的水印有將近一半被破壞如圖9（b）所示。因?yàn)殡[藏信息從左上角開(kāi)始隨機(jī)間隔嵌入所以導(dǎo)致從左上角剪裁必然會(huì)影響提取信息，隨后分別用椒鹽系數(shù)為0.05，高斯濾波3*3，均值濾波3*3以及中值濾波進(jìn)行干擾，分別如圖9（c），圖9（e），圖9（g），圖9（i）所示通過(guò)觀察提取出的水印，只有椒鹽干擾可以做到基本還原只有少許噪點(diǎn)如圖9（d）所示，其余三種濾波的干擾，讓提取的水印根本無(wú)法還原如圖9（f），圖9（h），圖9（j）所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文圍繞基于信息隱藏技術(shù)的圖片無(wú)損水印，使用VS2013開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)對(duì)嵌入圖片所覆蓋區(qū)域的隱藏以及恢復(fù)，通過(guò)算法還原的圖片PSNR平均值為65.14dB，圖片的失真率非常低，實(shí)現(xiàn)了一種能將嵌入圖片后的載體圖片還原，且可以作為版權(quán)維護(hù)的方法。

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