數字水印技術研究

摘 要： 本文主要對信息隱藏的一種技術數字水印進行分析，給出了一個數字水印實現的例子。

關鍵詞： 信息隱藏 數字水印 最低有效位算法

一、水印技術

信息隱藏主要應用在需要安全保密通信的部門，利用多媒體信息中的冗余空間攜帶隱蔽信息，達到秘密信息偽裝傳遞的目的。同時，信息隱藏還要研究其對立面——隱蔽信息的分析和檢測，這與密碼編制學和密碼分析學是類似的，信息隱藏與分析是一對矛盾統一體，它們既相互對立又相互促進。數字水印從實質上說也是一類信息隱藏，但是其目的不是為了保密通信，而是為了標明載體本身的一些信息，如多媒體信息的創作者、版權信息、使用權限等一系列需要標明的信息。利用數字水印，還可以跟蹤多媒體產品的非法傳播和擴散，打擊盜版。數字水印技術目前正處于一個快速發展和持續深入的階段，應用領域也在快速擴展。從最初的圖像水印、音頻水印，發展到軟件水印、視頻水印、文字水印；從最初的算法研究，擴展到行業領域的應用，如數字地圖的版權保護、數字圖書的版權保護、證件防偽、多媒體數據的檢索、電子公文防篡改等。

信息隱藏的目的：1.要回答在一個載體中是否隱藏有秘密信息。2.如果藏有秘密信息，能提取出秘密信息。3.如果藏有秘密信息，不論能否提取出秘密信息，都不想讓秘密信息正確到達接收者手中，因此，這就是將秘密信息破壞，但是不影響偽裝載體的感觀效果（視覺、聽覺、文本格式等），也就是說使得接收者能夠正確收到偽裝載體，但是又不能正確提取秘密信息，并且無法意識到秘密信息已經被攻擊。

圖像信息隱藏是近年信息隱藏技術中新興起的研究課題，它以數字圖像為掩護媒體，將需要保密的信息按照某種算法嵌入數字圖像中，并且要求：1.嵌入信息后的圖像與原始圖像相比，在人的視覺上沒有什么區別；2.數據隱藏要不改變掩護媒體的數據量，即直接對媒體數據的某些部分進行修改，而不增加掩護媒體的數據，這就是數字水印。本文介紹一種利用BMP彩色圖像實現信息隱藏的方法。

二、水印算法

本文采用的是最低有效位算法（LSB），這是一種典型的空間域數據隱藏算法。由于該算法是通過調整原始數據的最低幾位來隱藏信息，因此一般用戶對于隱藏信息在視覺和聽覺上很難察覺。該算法雖然有較大的信息隱藏量，但作為數字水印算法，其因基本原理限制，所隱藏的數字水印信息是極為脆弱的，無法經受一些無損和有損的信號處理。

最低有效位算法利用了人們對顏色的一定的敏感，當我們對紅綠藍三相素的亮度作微小的改動，人們的肉眼是無法發現這種差異的。如我們僅將相素的亮度增一或減一，這樣就可以隱藏信息。

一幅24位BMP圖像，由54字節的文件頭和圖像數據部分組成，其中文件頭不能隱藏信息，從第55字節以后為圖像數據部分，可以隱藏信息。圖像數據部分是由一系列的8位二進制數所組成，由于每個8位二進制數中“1”的個數或者為奇數或者為偶數，約定：若一個字節中“1”的個數為奇數，則稱該字節為奇性字節，用“1”表示；若一個字節中“1”的個數為偶數，則稱該字節為偶性字節，用“0”表示。我們用每個字節的奇偶性來表示隱藏的信息。

舉例：設一段24位BMP文件的數據為：01100110，00111100，10001111，00011010，00000000，10101011，00111110，10110000，則其字節的奇偶排序為：0，0，1，1，0，1，1，1．現在需要隱藏信息79，由于79轉化為8位二進制為01001111，將這兩個數列相比較，發現第2，3，4，5位不一致，于是對這段24位BMP文件數據的某些字節的奇偶性進行調制，使其與79轉化的8位二進制相一致：

第2位：將00111100變為00111101，則該字節由偶變為奇。

第3位：將10001111變為10001110，則該字節由奇變為偶。

第4位：將00011010變為00011011，則該字節由奇變為偶。

第5位：將00000000變為00000001，則該字節由偶變為奇。

經過這樣的處理，此24位BMP文件數據段字節的奇偶性便與79轉化的8位二進制數完全相同，這樣，8個字節便隱藏了一個字節的信息。

綜上所述，將信息嵌入BMP文件的步驟為：

1.將待隱藏信息轉化為二進制數據碼流。

2.將BMP文件圖像數據部分的每個字節的奇偶性與上述二進制數碼流進行比較。

3.調整字節最低位的“0”或“1”，改變字節的奇偶性，使之與上述二進制數據流一致，即將信息嵌入到24位BMP圖像中。

信息提取是把隱藏的信息從偽裝媒體中讀取出來，其過程和步驟正好與信息嵌入相反：

1.判斷BMP文件圖像數據部分每個字節的奇偶性，若字節中“1”的個數為偶數，則輸出“0”；若字節中“1”的個數為奇數，則輸出“1”。

2.每判斷8個字節，便將輸出的8位數組成一個二進制數（先輸出的為高位）。

經過上述處理，得到一系列8位二進制數，就是隱藏信息的代碼。

三、結語

本文主要介紹了數字水印的基本內容，然后給出了數字水印的一個算法最低有效位算法，并給出了這個算法的一個實例。

參考文獻：

［1］梁志敏，蔡建.NET安全性與密碼術［M］.北京：清華大學出版社.

［2］Ross J.Anderson著.孫彥妍譯.信息安全工程［M］.北京：機械工業出版社.

［3］Bruce Schneier著.吳士忠譯.應用密碼學一協議、算法與C源程序［M］.北京：機械工業出版社.