多級秘密信息隱藏方法

曹敏 ，陳夠喜

(中北大學 電子與計算機科學技術學院，山西 太原 030051)

0 引言

目前已有多種以彩色圖像或灰度圖像為宿主的信息隱藏方法，而二值圖像的信息隱藏方法則相對較少。二值圖像即黑白圖像，在日常生活中的應用很廣泛，隨著全球信息數字化進程的日益加快，個人檔案、醫療記錄、學歷證書、專利證件、手寫簽名、設計圖樣、館藏圖書、機要文件等大批的重要資料，已掃描成數字化文檔以二值圖像的方式備存。顯然，與一般的灰度、彩色圖像或音、視頻相比，這些二值圖像的價值要昂貴得多。因此，在其中隱藏保護性信息也就顯得尤為重要[1]。

1 基于置亂變換的多級分塊信息隱藏算法

1.1 算法流程

本文提出的信息隱藏基本思想是：首先將一級秘密信息通過MATLAB仿真成圖像，將圖像置亂并作為載體，將二級秘密信息通過特定的算法嵌入到載體中得到載密圖像，秘密信息的提取即是嵌入過程的逆反過程。

具體流程圖如圖1所示。

圖1 算法流程圖

1.2 圖像置亂

將實驗得到的二進制數據（一級秘密信息）排列成M×N的矩陣A，使用MATLAB將矩陣A仿真成圖像并顯示出來，將圖像A經過Arnold置亂得到圖像B，此時的B即為本實驗的載體圖像。

Arnold置亂是俄國數學家Vladimir I.Arnold提出的一種變換，一幅N×N的數字圖像的二維Arnold變換定義為：

其中x,y∈{0,1,2,…,N-1}表示變換前像素的位置，x',y'表示變換后的像素位置，mod為模運算。數字圖像可以看為一個二維矩陣，經過Arnold變換之后圖像的像素位置會重新排列，這樣圖像會顯得雜亂無章，從而實現了對圖像的置亂加密效果【3】。

經過一定次數的置亂后圖像變得雜亂無章，和原始圖像已經完全不同，然而對于合法的用戶，需要還原出原始圖像。Arnold變換之所以成為一種得到廣泛應用的置亂算法，是因為Arnold變換具有周期性，如果重復地進行Arnold變換，經過一定的次數之后必然會還原出原始圖像。如本文中所使用的Lena圖像是256×256的二值圖像，根據文獻中計算Arnold變換周期的方法可得該圖像的周期是192次，實驗結果如圖2所示。

1.3 分塊處理并嵌入信息

將一級秘密信息經過置亂后的圖像作為載體，向載體內嵌入二級秘密信息。將載體圖像分成3×3的小模塊，每塊單獨進行信息的嵌入與提取。如圖3所示，中心像素記為a,其八鄰域像素分別記為b1,b2,b3,b4,b5,b6,b7,b8；由于全“1”或全“0”的圖像塊為全白或全黑的平滑圖像塊，修改這類圖像塊中的像素容易被人眼察覺，所以不能用來隱藏信息，圖像塊在嵌入信息之后也不能變成全“1”或全“0”。在信息提取時也認為全“1”或全“0”的圖像塊內無隱藏信息。其他塊要分情況看是否能嵌入信息，具體嵌入策略如下：

（1）將二進制秘密數據（一級秘密信息）用MATLAB仿真成二值圖像A，并對該圖像在密鑰T1的控制下進行置亂處理，得到新的宿主圖像B，這樣便可以提高嵌入系統的抗檢測性，使得系統更加穩定、安全。

（2）令二級秘密信息序列為M（k）,k=1,2,3,…對圖像進行分塊處理，按照密鑰T2，將二值圖像B按順序分割成M×N個3×3的互不相交的圖像塊Bi,j：

（3）對數據塊進行嵌入分析，根據本文的嵌入規則，有兩種非法情況是不能嵌入信息的：

若模塊Bu,v中X1+X2=0或8，則塊內不能嵌入信息，不對塊Bu,v做任何操作。

（4）當 :

(a) X1=X2,Y1=Y2；

(b) X1+X2≠8或0；

(c)Cu,v≠ 0 或 9時，G(l)=B(i,j)(2,2),l=1,2,3…；B(i,j)(2,2)=M(k)，完成對單個模塊的嵌入操作。然后掃描剩下的模塊，并按照此方法完成其他二級秘密信息的嵌入。

圖3 3×3圖像塊像素位置標記

1.4 隱藏信息的提取

接收端提取秘密信息時按照如下步驟進行：

（1）按照嵌入時的分塊方法，將圖像分成3×3的數據塊。

（2）在密鑰的控制下按順序找到可能嵌入信息的數據塊。

此時，成功提取二級秘密信息，并得到完整的宿主圖像。

（3）在密鑰T1的指引下，將宿主圖像恢復置亂，得到由一級秘密信息組成的矩陣圖像，從而成功提取一級秘密信息。

2 實驗結果分析

本文分別選取了非文本型二值圖像、中文文本型二值圖像、英文文本型二值圖像為宿主圖像，并使用本文算法和文獻[2]中的算法做對比，嵌入前后的效果如圖4-圖6所示：圖4是用非文本型二值圖像嵌入信息前后對比，圖5是中文文本型二值圖像嵌入信息前后的對比，圖6是英文文本型二值圖像嵌入信息前后的對比。

圖4 本文非文本型二值圖像數據隱藏結果

圖5 中文文本型二值圖像數據隱藏結果

圖6 英文文本型二值圖像數據隱藏結果

PSNR是最普遍，最廣泛使用的評鑒畫質的客觀量測法，psnr值越高，表明圖像嵌入質量越高。計算公式如下：

所得實驗數據如表1所示。

表1 幾組實驗數據比較

3 結論

本文根據二值圖像的性質，提出了將一個秘密信息嵌入到由另 一個秘密信息構成的二值圖像中的信息隱藏方法。該方法將置亂后的秘密信息圖像進行分塊處理，再按照一定的密鑰嵌入信息，完全符合Kerckhoffs準則。實驗表明，按照本方法得到的載密圖像失真小，質量高，安全性強，信息提取率高達100%。本文主要討論了低失真的信息隱藏方法，嵌入容量問題尚待進一步提高。

[1]孟妍妍,高寶健,強媛,等.信息隱藏技術及其在網絡安全中的應用[J].計算機工程,2009，35（15）：146-148.

[2]錢振興，程義民，謝春輝，等.基于嵌入矩陣的二值圖像隱藏方法[J].電路與系統，2008,23（6）:128-133.

[3]謝建全，陽春華.一種大容量的二值圖像信息隱藏[J].小型微型計算機系統,2008,29（10）:1874-1877.

[4]劉培培，朱中梁，王宏霞，等.基于混沌映射和視覺模型的信息隱藏算法[J].鐵道學報,2009,31(2):29-63.

[5]黃仿元.基于Arnold變換的圖像置亂算法及實現[J],貴州大學學報,2008,25(3):276-279.

[6]王麗娜,郭遲，李鵬，等.信息隱藏技術實驗教程 [M].武昌：武漢大學出版社，2004：284-287.

[7]Kuang T L.Binary encoding method to encrypt Fourier-transformed information of digital images [J].Optics Communications,2008,28(15) :527-534.

[8]Younho L ,Heeyoul K.A new data hiding scheme for binary image authentication [J].Information Sciences,2009,07(14):3866-3884.

[9]Yu-An Ho,Yung-Kuan Chan.High-capacity reversible data hiding in binary images using pattern substitution[J].Computer Standards & Interfaces,2009,35(3):787-794.