可逆信息隱藏綜述

俞春強，彭　琦，陳　艷

（廣西師范大學網絡中心，桂林541004）

可逆信息隱藏綜述

俞春強，彭琦，陳艷

（廣西師范大學網絡中心，桂林541004）

闡述可逆信息隱藏的基本概念及其特征，描述可逆信息隱藏的模型以及通過可逆信息隱藏技術中各種算法的研究，分析目前可逆信息隱藏技術存在的問題，提出可逆信息隱藏技術的發展方向。

可逆信息隱藏；隱寫術；嵌入算法

0　引言

為了解決網絡環境中存在的安全問題，科學家最早采用加密技術[1~3]對傳輸的信息進行加密，通過設計加密算法將要通信的數據按照加密算法進行重新排列，并將置亂后的數據傳輸出去，接收方必須利用解密算法和正確的密鑰才能正確地解密，從而還原出原始的通信數據，加密技術也一直沿用至今。加密技術將秘密信息變換成一些雜亂無章的密文但是也吸引了攻擊者，為了克服現有加密算法存在的問題，實現更安全的信息傳輸，信息隱藏技術[1~2]信息安全領域新的分支，能夠應用到機密信息保護、版權保護以及安全通信等領域中起到至關重要的作用，所以，信息隱藏技術引起了科研工作者的廣泛關注，成為信息安全領域的一個研究熱點。

上述傳統的信息隱藏算法，通常只考慮如何提取隱秘信息，而沒有考慮如何恢復原宿主信號。在一些應用場合如醫學診斷、法庭舉證、藝術作品中，不光需要嵌入隱秘信息對宿主媒介進行保護，還需要適時地能夠無失真地恢復出原始的宿主媒質，傳統的信息隱藏算法不能滿足其要求。作為信息隱藏技術的一個新的分支，可精確恢復原媒質信息的可逆信息隱藏技術最近正被廣泛研究?？赡嫘畔㈦[藏主要是指在嵌入信息時，雖然可能會對宿主數據的質量造成一定的破壞，但如果隱藏載體在傳輸過程沒有發生變化，那么合法用戶和權威機構在接收端可以根據提取算法提取出隱藏信息，并能夠修復失真，實現原始數據的精準恢復?？赡嫘畔㈦[藏技術與一般的隱藏技術沒有原理上的本質區別，但是可逆技術在合法用戶得到嵌入信息的過程中，將因信息嵌入而引起的宿主數據失真完全修正。這種技術在醫學、軍事、法律證據中有著非常廣泛的應用前景。

當前基于圖像的可逆信息隱藏算法可以分為兩類，一類是以JPEG圖像為載體的可逆隱藏，由于載體的局限性，該類算法隱藏容量較小，第二類是以BMP圖像為載體的可逆隱藏，BMP圖像的內容豐富，隱藏容量較大且形成較完整的算法族。分析不同類型的算法，對可逆信息隱藏算法的發展前景進行了展望。

1　可逆信息隱藏概念及模型

可逆信息隱藏又稱無損信息隱藏，作為信息隱藏一個重要分支，其具有信息隱藏的不可見性、不可測行、魯棒性、穩定性和安全性等特征。近年來受到科研工作者的廣泛關注，該技術不但能從載密信息中正確地提取出秘密信息，還能恢復出原始的載體信息。所以該技術被廣泛用于軍事、醫療、文物保護和法律對載體信息要求高等領域中?？赡嫘畔㈦[藏的模型如圖1所示，秘密信息與密鑰K相結合，通過可逆嵌入算法隱藏到載體中，形成含載密圖像，接收端以K為密鑰，通過提取算法提取出秘密信息和原始載體圖像。

圖1　可逆信息隱藏算法模型

2　可逆信息隱藏關鍵技術

目前可逆信息隱藏基本都是以圖像為載體，以載體圖像形式的不同，可將可逆信息隱藏分為基于BMP圖像的可逆信息隱藏算法和基于JPEG圖像的可逆信息隱藏算法。在以BMP圖像為載體的隱藏中，秘密信息隱藏在圖像的像素中，在以JPG圖像為載體的隱藏中，秘密信息一般隱藏在DCT系數中或在編碼中的比特流中。

（1）基于JEPG圖像的可逆信息隱藏算法

目前對于基于JPEG圖像的無損信息隱藏算法的研究較少，主要通過修改DCT系數或修改壓縮過程中的編碼實現可逆隱藏，在這一類研究中沒有較成型的算法族。Lee等人[3]通過原始量化表和修改后的量化表將原始DCT系數匹配到較大的DCT系數，將秘密信息隱藏在得到較大的DCT系數中，該方法修改了量化表使載密圖像具有較好的PSNR,但是數據安全性不高。Zhang等人[4]在兩個非零的系數中嵌入兩位秘密信息，在兩個零系數中嵌入三位秘密信息，對不嵌入秘密信息的系數進行修改。Qian等人[5]將秘密信息隱藏在JEPG圖像存儲的二進制流中，根據JPEG定義162種不同的變長編碼的AC系數，但在壓縮過程中較多編碼沒有被使用，統計JPEG圖像中AC系數的變長編碼，根據秘密信息將未使用的變長編碼替換已使用的變長編碼，實現秘密信息的隱藏。

（2）基于BMP圖像的可逆信息隱藏算法

在基于BMP圖像的可逆信息隱藏算法中，將秘密信息隱藏在圖像像素中是利用了人眼系統的局限性和圖像像素值中的冗余性，通過修改在一定范圍內調整圖像的像素值將秘密信息隱藏到圖像的像素中，其中最簡單的一種算法就是LSB（Least Signification Bit）算法，即修改像素的最低有效位，將一位秘密信息隱藏在這個像素值中。這種替換方式具有容量大，低失真并且計算簡單等特點。Fridrich[6~7]提出過通過無損壓縮方法產生用于隱藏信息的空間，以達到無損隱藏的效果。但這種方法的隱藏容量很低，主要應用于取證或水印中。Celik等[8]提出G-LSB算法，用無損壓縮算法壓縮像素量化后的差值得到隱藏空間來隱藏信息。與Fridrich等人的隱藏算法相比，該算法有較大的嵌入量且載密圖像失真度較小。

Tian[9~11]提出一種擴展像素間差值（DE）的算法，先求出相鄰的差值，然后將差值擴大一倍后加上一位秘密信息得到新的差值，根據新差值修改兩個像素值，修改后兩個像素值的差值等于新的差值，從而實現一位秘密信息的隱藏，該算法的嵌入容量為0.5 bpp。該算法還需要保存一個矩陣來標記每對像素是否藏有秘密信息。差分擴展算法的基本原理如下：

設一對數據（x,y），則這對數據的差值和均值的計算方法如公式（1）和公式（2）所示：其中符號代表向下取整。設需要嵌入的秘密信息為wi，秘密信息的嵌入如公式（3）所示：

h1=2h+wi（3）

其中h1為差值擴展后的差值，按公式（4）、（5）通過逆變化后可得到隱藏信息后的新數據（x′，y′）

為了提取秘密信息，恢復原始的數據，將x′，y′代入公式（1）、（2），可得到的新的差值h′和均值l′。根據公式（6）、（7）可提取秘密信息wi，恢復原始差值h。將l′和h分別代入公式（4）、（5），可恢復原始的數據（x，y）。

Alattar[12]將Tian的算法從兩個像素擴展到連續的多個像素中，能實現在n個像素中隱藏n-1位秘密信息，從而將隱藏容量從0.5 bpp增加到（n-1）/n bpp。Tseng和Chang[13]改進了Tian的算法，提出了可移動差值概念，在不降低圖像質量的前提下提高了秘密信息的嵌入容量。

Ni等人[14]提出用偏移一幅圖像的像素直方圖來實現可逆隱藏。先統計像素的直方圖，確定出現次數最多的和最少的像素值，即直方圖中的最大值和最小值，修改圖像中像素值介于最大值和最小值之間的像素，使其值均減一，獲取隱藏空間。修改載體圖像中出現次數最多的像素，使其像素值加1（或減1）嵌入信息1或者保持不變來嵌入信息0。修改三組直方圖中最大值和最小值之間的像素值來提高隱藏容量，并記錄最值，以便能正確地提取。由于直方圖偏移算法的嵌入容量不高，M.Fallahpour和M.H.Sedaaghi[15]改進Ni的算法，對圖像分塊后，尋找多個最大值和最小值對用來隱藏，從而增大了隱藏信息的容量。

還有一部分基于直方圖的可逆信息隱藏算法是利用差值直方圖實現隱藏。根據不同的方法產生一系列的像素預測值，通過像素的預測值與實際值的差值，并統計出差值的直方圖，找出直方圖中峰值點和最小值點，表示出現次數最多和最少的差值，平移差值直方圖中介于峰值點與零值點對應的差值，獲取嵌入的空間。Chang等人[16]改進了Ni等人的算法，利用圖像中相鄰像素相關性很強的性質，求出相鄰像素之間的差值，并在差值直方圖中隱藏秘密信息，隱藏容量比Ni等人的算法高。

近年來，張興鵬等人[17~20]在加密域上實現可逆信息隱藏，首先對一幅載體圖像進行加密得到加密圖像，然后在加密圖像中隱藏秘密信息。該類算法不但能保證秘密信息和原始圖像的提取和恢復，而且通過加密技術使原始載體圖像對外不可見，不僅保證了秘密信息的安全，還保證原始載體圖像的安全，使可逆信息隱藏進一步在軍事、法律等領域得到應用。在加密域上的可逆信息隱藏將有較大的發展空間。

3　結語

本文主要介紹了無失真可逆信息隱藏算法。根據圖像形式的不同，將現有的可逆信息隱藏算法分為兩類。一類是基于JPEG圖像，一類是基于BMP圖像。文中分析基于這兩類圖像的不同隱藏方法，可以發現當前可逆信息隱藏算法研究主要在保證宿主質量（PSNR）的前提下，如何提高嵌入容量的問題，因此，可逆信息隱藏依然有著潛在的發展空間，還有待于更進一步的研究。另外加密域上的可逆信息隱藏算法將會是以后研究的重點。Journal of Pattern Recognition and Artificial Intelligence,2010，24（3）：433~456

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Reversible Information Hiding Steganography;Embedding Algorithms

Summary of Reversible Information Hiding

YU Chun-qiang，PENG Qi，CHEN Yan

（Network Center，Guangxi Normal University，Guilin 541004）

Briefly introduces the basic concept and main features of reversible information hiding techniques,describes a general model of reversible information hiding system and lists related critical techniques.Furthermore,analyzes existing problems of reversible information hiding techniques.In conclusion,points out its development direction based on the analysis.

廣西教育廳立項項目（No.LX2014056）

1007-1423（2015）11-0068-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.11.014

俞春強（1988-），男，江西上饒人，碩士研究生，助教，研究方向為圖像處理

彭琦（1988-），男，廣西桂林人，碩士研究生，助教，研究方向為自然語言處理

陳艷（1977-），女，江蘇蘇州人，學士，講師，研究方向為計算機網絡

2015-02-12

2015-03-18