一種基于數字圖像的安全信息傳輸方案

謝志強 錢嚴成 王帥 王亞萍 崔杰

摘 要：針對如何安全有效地保護在傳輸過程中的信息，提出了對信息的安全傳輸采取加密和隱藏兩大保護措施，該設計通過AES加密算法對帶傳輸信息進行加密，然后以數字圖像作為載體，利用LSB算法和DCT變換兩種圖像嵌入方式將所得密文隱藏在不易被察覺的BMP格式圖像中，從而達到信息傳輸的雙重保護之目的。發現LSB算法隱藏后的圖片峰值信噪比為PSNR0=73.965 6，DCT算法隱藏后的圖片峰值信噪比為PSNR0=55.852 9。結果表明，基于LSB算法和DCT算法的信息隱藏能夠更好的達到信息安全傳輸的效果，是一種值得信賴的信息傳輸方案。

關鍵詞：AES；數字圖像；LSB；DCT變換；信息隱藏

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）05-00-04

0 引 言

計算機科技水平的迅速提高和密碼學技術的飛速發展，為信息隱藏領域的研究提供了廣闊的發展空間。計算機網絡涉及我們生活的方方面面，其中重要信息的安全傳輸已成為國家，企業甚至我們人與人之間面臨的嚴重問題。國家機密需要安全傳輸，各國之間信息通信都需要絕對保密，在各國的法律中，泄漏國家機密者會遭到嚴懲；企業文件需要安全傳輸，如果企業信息遭到惡意泄漏可能會對企業造成不可估量的損失甚至導致企業破產；人與人之間的信息傳遞有時也需要安全傳輸，個人信息的泄漏可能會給我們帶來很多不必要的麻煩。因此在我們的生活中，在傳輸前對重要信息加密已是必不可少的手段。但是傳統加密技術對多媒體內容的保護和完整性認證仍具有很大的局限性。如果僅對傳輸信息進行簡單加密，生成的密文在傳輸過程中很容易引起攻擊者的注意，并可能被惡意破解，而且一旦加密信息被成功破解，傳輸的信息就會完全暴露。

早期的信息安全傳輸主要在信息源和信息傳輸途徑兩大方面下功夫。在信息源上，主要采取一些加密措施，比如用于數據加密的MD5加密算法，廣泛應用于用戶的登陸密碼方面；既可以用于數據加密也可以用于數字簽名的RSA加密算法至今未被完全攻破；由IBM公司設計的被美國國家標準局采納作為非機密數據的正式數據加密標準的DES加密算法是目前比較流行的一種加密算法。在傳輸途徑上，信息隱藏技術具有良好的不可察覺性、魯棒性和大信息量的特點，信息隱藏技術在信息安全保障領域的諸多方面發揮著重要作用，主要應用于數據保密通信、身份認證、數字作品的版權保護和盜版追蹤以及對于數字作品的完整性、真實性的鑒定與內容恢復等方面[1，2]。

信息隱藏技術則是利用人類感官系統的不敏感，將隱秘信息隱藏在特定的載體中，使之不被察覺或者不易被注意，隱藏的載體可以是圖像、聲音或者文本等數字信號。圖片具有良好的不易察覺性和隱蔽性[3，4]。

因此，本方案提出將需要傳輸信息通過AES加密后利用LSB算法和DCT變換將密文嵌入圖片中，隱藏了信息的存在形式，不易引起攻擊者的注意，從而避免了被攻擊的危險。即使傳輸文件被攻擊者發現，信息被提取出來，惡意攻擊者得到的也只是被加密后的密文，若想得到真正的信息，仍需要攻克AES加密算法來提取信息[5]。

1 相關知識

1.1 AES加密算法

在本文中，AES加密算法的密鑰長度分為128 b，192 b和256 b三種不同類型。算法相應的進行10輪，12輪和14輪運算。AES加密算法共分為密鑰擴展，數據加密和數據解密三大部分。

1.1.1 密鑰擴展

AES輸入密鑰為可選的128 b，192 b或256 b，相應要進行10輪，12輪和14輪加解密運算。不失一般性，我們以128 b，10輪運算為例。密鑰是生成算法的輸入為4 word的密鑰，輸出為初始4 word密鑰加密以及后10輪加密所需的共44 word的密鑰。

1.1.2 數據加密[6]

（1）字節替換：依據S置換表對狀態矩陣中的數字進行置換。

（2）行位移：應用枚舉法對狀態矩陣中的各行數據進行循環移位運算。

（3）列混淆：對狀態矩陣實施列混合運算。

（4）密鑰加：對狀態矩陣做輪密鑰加法變換。

通過S盒替換可得到4×6字節矩陣，其中Si，j是第i行第j列的字節，0≤i≤3，0≤j≤5。輪密鑰加法變換（Add Round Key）作為加解密的核心算法為AES編程提供了極大方便，該運算的原理實際上是在GF（28）域上實行的多項式間的運算。分別為乘法（*）和異或（）運算。加密解密中所用到的常數共6個：0x02、0x03、0x09、0x0b、0x0d和0x0e。加密的核心公式，即列混合運算[7]見式（1）：

1.1.3 數據解密

數據解密使用字節替換函數（Inv Shift Rows）、行位移函數（Inv Sub Bytes）、列混淆函數（Inv Mix Columns）以及輪密鑰加法函數（Add Round Key）分別實現解密操作，各函數功能和加密的功能類似，在這里就不重復說明，解密的核心算法如公式（2）所示。

1.2 LSB算法

LSB算法又叫做最低有效位算法，旨在修改載體信息的最低有效位以達到信息嵌入的目的。將目標文本信息嵌入到bmp圖像中[8，9]并提取出來。

1.2.1 嵌入文本信息

由于每個漢字在計算機內存儲時占兩個字節，其余字符等都只占一個字節。因此以兩個字節（即16位）為一個單元進行文本信息整理。對于輸入的文本，開辟（S+2）個單元，即（16×（S+2））位。將第一個和最后一個單元分別作為標記位，從低到高，取‘0001與‘#的對應位做取模運算并依此移位。對于要隱藏的文本信息進行相似的取模及移位處理，所不同的是，此處要用文本信息流來與‘0001進行運算。如此就完成了文本信息的處理。

根據bmp載體文件的特點，前54位是bmp文件頭和位圖信息頭，修改會損壞文件的格式。因此只能從第55個字節開始進行信息的嵌入，嵌入算法與之前的文本信息處理機制基本相同，差異在于要用之前存儲的文本的最低位替換掉原來圖片的最低位[8]。

如此就將處理過的文本信息嵌入到了載體中。

1.2.2 提取文本信息

根據文本嵌入載體的原理，從第55位開始截取圖片流的最后一位并按照從低到高的順序將嵌入的信息提取出來[10]。采用與前面嵌入運算相同的算法，對圖片的低位（即文本信息）進行取模和移位運算，提取信息。

再將提取出來的信息重新進行組合從而讀取出嵌入的信息。在信息提取過程中，根據嵌入文件開始部分和結束部分設置的‘#，進行信息首部和尾部的判斷，有效避免了讀入多余信息或者丟失信息等現象的出現，從而降低了信息還原時的失真率。如此就將嵌入到載體文件中的文本信息提取出來了。

1.3 DCT變換

1.3.1 DCT變換的定義

DCT變換全稱離散余弦變換，它的作用是將原始時域信號轉換到空間頻率域上，并能實現能量的集中。通過DCT變換，位于圖像上的重要可視信息轉換到一小部分DCT系數上，由此可以實現圖片的有損壓縮。另外，DCT變換也是JPEG壓縮的核心算法。DCT正變換的公式[11，12]見公式（3）：

1.3.2 信息的嵌入和提取

本文所嵌入的載體是BMP文件格式的圖片，嵌入部分是BMP圖片的數據域，也是最原始的像素點。首先要獲取原始信息塊，一般為8×8的方塊，進行DCT變換得到DCT系數表[11]。如果直接對DCT系數表進行逆DCT（IDCT）變換，在不考慮誤差的情況下可以完全恢復原始數據。本文通過調整中頻系數對F（x1，y1），F（x2，y2）的相對大小來隱藏信息，具體實現方法為：如果要嵌入的比特為1，則使F（x1，y1）>F（x2，y2）；如果要嵌入的比特為0，則使F（x2，y2）>F（x1，y1）。

一個DCT表中可選取多個中頻系數對進行嵌入，這樣能夠增加信息隱藏量。然后對調整后的DCT系數進行逆DCT變換得到變換后的數據，再寫入載體文件中。選取中頻系數進行嵌入有以下兩方面的原因：

（1）對于兩個中頻系數，可以認為它們的值大小處在一個量級，這樣修改兩個處在同一量級上的中頻系數對原始文件破壞不會太大，較不容易引起圖片失真。

（2）低頻系數擁有的能量較大，人眼對低頻系數比較敏感，在低頻系數中嵌入，會降低算法的隱蔽性。高頻系數是壓縮的主要對象，修改高頻系數不利于算法的魯棒性。

同時，本文選取JPEG量化表中量化值相同的中頻系數對，并盡量減少圖片的失真，提高信息隱藏算法的隱蔽性。

信息的提取過程是嵌入的逆過程，先找到隱藏數據的位置經DCT變換得到DCT系數表[12]，對比規定位置中頻系數對的相對大小。如果F（x1，y1）>F（x2，y2），獲取比特位1；如果F（x2，y2）>F（x1，y1），獲取比特位0。

2 方案的實現過程

本流程的方案如圖1所示。

圖1 方案流程圖

2.1 AES加密

以128 b，10輪加密過程為例，第1到9輪的加密過程完全相同，可以通過循環來實現。在具體的程序執行中用字節替換函數（Sub Byte）對狀態矩陣中的數字進行置換，然后用行位移函數（Shift Row）對矩陣中的數字進行移位，通過列混合運算公式（Mix Columns）得到新的狀態矩陣，最后將該混合矩陣和密鑰擴展數組異或[6]得到狀態矩陣即完成一輪加密。第十輪加密過程不需要使用列混合運算公式，其它部分和前九輪相同。

2.2 嵌 入

2.2.1 LSB嵌入

首先要進行嵌入目標信息的處理，獲取要嵌入信息的長度S新建數組Temp。設置前后兩個標記位，進行如圖2所示的填充。

如此移位并進行邏輯“與”運算就處理好了信息頭部和尾部的標記位。對于要嵌入的目標信息，做與標記位類似的操作，具體如圖3所示。

操作結束后就將要嵌入的信息處理完畢，下步將執行信息嵌入圖片流的操作。

根據bmp文件的格式特點，我們選擇從第55位開始將信息嵌入圖片流，執行的操作與上面信息的處理類似，讀圖片流依次移位，逐位進行遍歷，直至所有信息嵌入成功。

2.2.2 DCT嵌入圖示

DCT嵌入圖示如圖4所示。

圖4 DCT嵌入圖示

2.3 提 取

2.3.1 LSB提取

提取是嵌入的逆向操作，根據上面的嵌入操作進行反向操作，即可將信息提取出來。圖5所示為LSB算法提取圖。

圖5 LSB算法提取

2.3.2 DCT提取

提取是嵌入的逆過程，將帶有隱藏信息的載體數據經DCT變換后得到DCT系數表，比較指定中頻系數對F（x1，y1），F（x2，y2）的大小，若前者比后者大，得到比特為1，反之，得到的比特為0。

2.3.3 解 密

由于AES是對稱加密算法，因此其解密過程和加密過程類似。也需要10輪解密過程，前九輪可以通過循環實現，最后一輪不需要列混合運算公式。

3 方案的可行性分析

本方案采取先加密再隱藏的措施，對待傳輸信息做了兩步安全性處理。AES加密算法的安全性不必多說，在本方案中AES加密的密鑰分為128 b，192 b和256 b三種。以最小的128 b密鑰來說，對暴力攻擊也具有強大的免疫能力，暴力破解的可能性極低。且AES至少10輪以上的加密特點是AES對于差分密碼和線性密碼等類型的攻擊也具有良好的抵御能力。

信息存儲階段以16位作為一個單元，足夠進行信息存儲，不會出現信息遺漏。嵌入的過程從圖片流的第55位開始嵌入，不會損害文件頭部信息，因此嵌入信息后文件能夠正常打開。讀取信息時，通過移位和邏輯與運算，依次提取文件流的最低位，并將它們從低到高進行整合。只要載體圖片本身沒有被改動，那么它的最低位就不會發生變化，就可以將嵌入信息原封不動地讀取出來，不會產生錯誤。很明顯，整個過程無論是嵌入部分還是提取部分都是正確的，整體上也是正確的。

bmp文件的組成特點如下：

（1）bmp文件頭（bmp fileheader）：提供文件的格式、大小等信息。

（2）位圖信息頭（bitmap information）：提供圖像數據的尺寸、位平面數、壓縮方式、顏色引等信息。

（3）調色板（color palette）：可選，如使用索引來表示圖像，調色板就是索引與其對應的顏色的映射表。

（4）位圖數據（bitmap data）：即圖像數據。

bmp圖片根據位數的不同，有的文件第54位之后直接存放位圖數據，另外一些則存放調色板數據，之后才是位圖數據。以上兩種不同的文件分別按照BGR，BGRA的順序，以一個字節為單位，存儲圖片每個像素各顏色分量的值。我們在各個分量的最低位存儲要載入的信息，對以上情況同時適用。改變最低位嵌入信息的方法對于圖片質量的影響微乎其微，再加上嵌入的信息屬于隱秘信息，從根本上說，信息量不可能太大，因此，此算法實用性很強，基于此算法得到的含有嵌入的目標信息的載體文件的隱秘性極好。bmp圖片處理參數見表1所列。

4.2 LSB隱藏

圖6所示為通過LSB隱藏前后的效果圖，其中原圖為未嵌入密文信息圖像，右邊圖片為嵌入密文信息后的圖像，兩張圖片在嵌入密文信息后完全看不出來有任何不同，兩張圖片的峰值信噪比為PSNR0=73.965 6。

圖6 LSB算法隱藏效果

4.3 DCT嵌入

在圖7所示的圖中，嵌入信息前后兩張圖片肉眼完全看不出任何不同，信息提取完整。圖像的峰值信噪比為PSNR0=55.852 9。

圖7 DCT算法嵌入效果

5 結 語

本論文在信息的安全傳輸上提出對傳輸信息先加密再隱藏的雙重保密措施，信息的傳輸采用對稱加密算法AES算法，可以對文本、音頻和圖像等不同傳輸對象進行加密。得到的密文在傳輸過程中顯然很容易被非法攻擊者識破，因此我們想到將加密后的密文嵌入到攻擊者不易察覺的BMP格式的圖像中，具體的嵌入實現算法分為LSB和DCT變換兩種，經測試，本項目可以幾KB甚至十幾KB的信息通過AES加密將密文完整的隱藏在數字圖像中，肉眼完全分辨不出隱藏密文前后的圖像有任何不同，達到了良好的信息隱藏效果。本文中，AES加密算法的高安全性加上圖片信息隱藏的隱蔽性使得信息安全傳輸達到良好的效果，為維護信息安全另辟蹊徑，希望可以得到業界認可。

參考文獻

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