一種基于混沌加密的信息隱藏方法

摘 要：用Logistic映射生成混沌序列，對(duì)文本信息的ASCII 碼進(jìn)行加密，產(chǎn)生二進(jìn)制信息流。將圖像進(jìn)行DCT變換，并用一個(gè)量化表對(duì)變換后的系數(shù)進(jìn)行量化，將加密后的二進(jìn)制信息嵌入到圖像的DCT系數(shù)中以實(shí)現(xiàn)信息隱藏，在秘密信息的提取過程中不需要原始圖像的參與。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法具有較好的隱蔽性，對(duì)圖像質(zhì)量影響較小。

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關(guān)鍵詞：信息隱藏；數(shù)字圖像；離散余弦變換；混沌加密

中圖分類號(hào)：TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2008)11-073-02

An Information Hidden Method with Chaotic Encryption

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WUKe

(Hunan Institute of Science and Technology，Yueyang，414000，China)

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Abstract：Chaotic sequence is produced Logistic，carring on the encryption to the text information ASCII code，has binary information flow.On image of DCT transform，set coefficients after transform quantized with a quantization table.The binary message after encrypt to embedding the Discrete Cosine Transform(DCT) coefficients of image realizes the information hidden，extracting the secret information is not need the primitive image to participation.The experimental resuls indicate that this method has good hiding and security，is smaller to the image quality influence.

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Keywords：information hidden;digital image;DCT;chaos encryption

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1 引 言

信息隱藏是將秘密信息(文本、聲音、圖像、視頻等) 通過一定的算法隱藏進(jìn)另一可公開的文件(稱為載體)當(dāng)中的過程，隱藏后的載體文件對(duì)外仍表現(xiàn)為原來的形式，公眾感覺不到秘密信息的存在。在圖像載體隱藏信息的算法主要分為變換域算法和空間域算法兩大類。變換域算法是將載體進(jìn)行某種變換(如離散余弦變換、小波變換等)，然后將秘密信息在變換域中嵌入，即對(duì)變換系數(shù)進(jìn)行操作。提取秘密信息時(shí)也在變換域進(jìn)行?？臻g域算法是將秘密信息嵌入到載體信息的空間域。

基于圖像的信息隱藏是借助于公開的數(shù)字圖像來隱藏秘密信息，是傳統(tǒng)密碼學(xué)在數(shù)字時(shí)代的延伸，按提取隱藏信息時(shí)的要求，又可分為不需要原始圖像的盲隱藏和需要原始圖像的非盲隱藏。無疑盲隱藏模式更具有現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用前景，更具有生命力。混沌加密技術(shù)已應(yīng)用在信息加密領(lǐng)域，混沌序列具有確定性、偽隨機(jī)性、非周期性和不收斂等性質(zhì)，并且對(duì)初始值有極其敏感的依賴性，這是混沌序列具有良好的密碼學(xué)特性。這些特性與密碼學(xué)的很多要求相吻合。本文采用將文本信息進(jìn)行混沌加密后做為數(shù)字水印嵌人到圖像的DCT系數(shù)中來實(shí)現(xiàn)信息隱藏。

2 混沌序列

混沌是指在確定性系統(tǒng)中出現(xiàn)的一種貌似無規(guī)則的類隨機(jī)現(xiàn)象，這種過程既非周期又不收斂，并且對(duì)初始值有極其敏感的依賴性。一個(gè)簡單而被廣泛研究的混沌系統(tǒng)是Logistic映射，其定義如下：



Xk+1=μXk(1－Xk)

(1)



式中μ∈［1，4］，XK∈(0，1)，當(dāng)3.569 945<μ≤4時(shí)，Logistic映射處于混沌狀態(tài)。也就是說給定兩個(gè)不同的初始狀態(tài)由式(1)生成的兩個(gè)序列非周期、不收斂、不相關(guān)。

利用Logistic映射可生成如下序列：

(1) 實(shí)數(shù)值序列：{Xk;k=1，2，3，…}

(2) 二值序列：通過定義閾值函數(shù)T經(jīng)過閾值變換后得到二值混沌序列：



T(k)=1當(dāng)Xk≥τ;0當(dāng)Xk<τ;k=1，2，3，…



(3) 位序列:由實(shí)數(shù)字序列產(chǎn)生，將實(shí)數(shù)值表示成浮點(diǎn)數(shù)形式，其有效位數(shù)為L，可以生成L位的二進(jìn)制數(shù)，B(k)={biXk;i=1，2.，…，L;k=1，2，3，…}。

Logistic映射產(chǎn)生的混沌序列具有0均值，自相關(guān)及互相關(guān)為0的統(tǒng)計(jì)特性。該混沌序列具有以下優(yōu)點(diǎn):形式簡單，只需要混沌映射參數(shù)和初始條件即可生成;對(duì)初始條件敏感，一般不同的初始值迭代得到的混沌序列都不相同，很難從一段有限長度推斷混沌序列的初始條件;具有白噪聲的統(tǒng)計(jì)特性，可以用于需要噪聲調(diào)制的眾多應(yīng)用場(chǎng)合。

3 基于混沌加密的DCT域信息隱藏

取載體信號(hào)為一幅圖像，x和y軸是屏幕的二維坐標(biāo)，此時(shí)信號(hào)的振幅，就用屏幕上一個(gè)特定像素的灰度值來表示。這樣，通過DCT變換，對(duì)空間域的信號(hào)進(jìn)行取樣，然后把它們變換成一個(gè)等同的頻率域表示形式。

DCT離散余弦變換公式是:



F(i，j)=12Nc(i)c(j)∑N－1i=0∑N－1j=0f(x，y)#8226;

cos(2x+1)iπ2Ncos(2y+1)jπ2N



公式表明：DCT對(duì)一個(gè)N*N的方陣P進(jìn)行處理，得到一個(gè)N*N的頻率系數(shù)方陣F。

逆離散余弦變換(從DCT系數(shù)中恢復(fù)原始像素信息)的公式是:



f(x，y)=12N∑N－1i=0∑N－1j=0c(i)c(j)F(i，j)#8226; 

cos(2x+1)iπ2Ncos(2y+1)jπ2N



c(i)，c(j)=12，i，j=0

1，其他



DCT變換后的系數(shù)序號(hào)如圖1所示。

圖1 DCT變換后的系數(shù)序號(hào)

為使隱藏的信息穩(wěn)健，將信息嵌入到DCT變換的中低頻系數(shù)中，圖像的低頻能量集中了原圖的絕大部分能量，信息隱藏于此具有足夠的穩(wěn)健性，而且圖像的低頻系數(shù)具有較大的值，信息嵌入后對(duì)圖像影響較小，有利于體現(xiàn)信息的隱蔽性。

3.1 秘密信息嵌入

秘密信息嵌入的具體過程如下:

(1) 對(duì)原始圖像分塊，子塊大小為8×8，每個(gè)分塊互不重疊，對(duì)原始圖像的第i個(gè)子塊進(jìn)行DCT變換，并用一個(gè)量化表對(duì)它的系數(shù)進(jìn)行量化，得到量化后的DCT系數(shù)ACi，j，i=1，2，…，j=0，1，…，63。

(2) 由Logistic映射產(chǎn)生L位的位序列B(i)，設(shè)待隱藏的文本信息是一個(gè)字符數(shù)組CH(i)將CH(i)字符的ASCII碼組合為L位的二進(jìn)制數(shù)組CHL(i)，采用如下方法對(duì)信息進(jìn)行加密：



MCH(i)=B(i)⊕CHL(i)



其中⊕是異或運(yùn)算，將MCH(i)寫成二進(jìn)制矩陣Wij，j=1，2，…R，i=1，2，…。

(3) 對(duì)每一個(gè)子塊DCT變換后，根據(jù)以下公式嵌入一位水印:取‘之’字掃描后的第S至第S+R-1號(hào)，共R個(gè)系數(shù)ACi，s…ACi，S+R-1，按如下方法嵌入水印，其中c，d是常數(shù)：



ACWi，j+s=ACi，j+s－ACi，j+smod c+dwij



(4) 對(duì)嵌入水印后的DCT系數(shù)進(jìn)行IDCT變換，重建圖像，得到嵌入水印后的圖像。

3.2 信息提取

信息的提取與信息的嵌入是互逆過程。信息提取步驟如下:

(1)對(duì)含有隱藏信息的圖像分塊，子塊大小為8×8，每個(gè)分塊互不重疊;對(duì)圖像的每個(gè)子塊進(jìn)行DCT變換;并用量化表對(duì)它的系數(shù)進(jìn)行量化；得到量化后的DCT系數(shù)ACWi，j，取‘之’字掃描后的第S至第S+R-1號(hào)，共R個(gè)系數(shù)ACWi，S…ACWi，j+S-1。

(2) 計(jì)算Mi，j=1， 當(dāng)ACWi，j+s-1mod C≥d1

0， 當(dāng)ACWi，j+s-1mod C

(i=1，2，3，…，j=1，2，…，R，d1是常數(shù));將Mi，j改寫為L位的二進(jìn)制數(shù)組m(i)，(i=1，2，3，…)。

(3)由Logistic映射產(chǎn)生L位的位序列B(i)，取W(i)=B(i)⊕m(i)，(i=1，2，3，…)，將W(i)分割為字節(jié)得到字符數(shù)組即為隱藏信息。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文選擇256級(jí)灰度圖像Lena作為原始圖像，大小為256×256;水印為文本信息SET OFF，取μ=4，X0=0.346，L=32，S=6，R=4，c=8，d=6，d1=4，原始圖像和含隱藏信息的圖像分別如圖2和圖3所示。

圖2 原始圖像

圖3 含隱藏信息SET OFF的圖像

5 結(jié) 語

本文基于混沌加密在圖像中隱藏文本信息的方法有以下特點(diǎn):應(yīng)用混沌序列加密和空域變換方法，安全性好;信息的隱藏和提取計(jì)算復(fù)雜度小，計(jì)算量小，算法簡單。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］鄭融，金聰，魏文芬.一種基于混沌加密的DCT域數(shù)字圖像水印算法\\[J\\].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2005，25(10):2 165-2 366.

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［2］文志強(qiáng)，李陶深，張?jiān)龇?一種新的基于混沌序列的圖像加密技術(shù)\\[J\\].計(jì)算機(jī)工程，2005，31(10):130-131.

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［3］趙學(xué)鋒，張貴倉，王小牛.一種基于DCT域系數(shù)的信息隱藏算法\\[J\\].西北師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2005，41(3):24-25.

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［4］楊格蘭，張建明，向德生.基于混沌序列的二值圖像加密算法\\[J\\].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2006，16(2):148-150.

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［5］王林，郭建濤.基于混沌序列的加密圖像隱藏方法\\[J\\].現(xiàn)代電子技術(shù)，2004，27(23):102-104.

作者簡介 吳 柯 男，碩士，講師。研究方向?yàn)樾畔踩?，軟件工程?/p>

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。