圖像隱藏算法的MATLAB實現

宮海梅

摘要：根據HVS的特性，人類視覺系統對高位信號敏感，去掉圖像最低幾個位并不會造成畫面質量的明顯下降，視覺系統就無法感覺到信號的存在，提出了四比特圖像信息替換算法實現圖像隱藏，運用MATLAB軟件進行算法實現，嵌入信息后的載體圖像與原始圖像視覺效果基本一致，有效解決了圖像信息隱藏問題。

關鍵字：信息隱藏；HVS；MATLAB

中圖分類號：TP391 文獻標識碼： A

Abstract： According to the characteristics of HVS， The human visual system is sensitive to the high signal. To remove the image of the least number of bits does not cause a significant decline in the quality of picture， The visual system can not feel the existence of the signal. In this paper， four bit image information replacement algorithm is proposed to realize the image hiding， MATLAB software is used to realize the algorithm. The carrier image after embedding information is basically consistent with the original image， effectively solve the problem of image information hiding.

Key words： image hiding； HVS； MATLAB；

0 引言

隨著信息時代的到來，多媒體技術得到廣泛應用，需要加密、認證和版權保護的圖像數據越來越多。對數據實施加密處理，密文容易引起攻擊者的注意，即使密碼設定強大到攻擊者無法破解明文，但攻擊者可以采用破壞手段，干擾通信進行。因此，具有偽裝特點的新興的信息安全技術—信息隱藏應運而生。本文首先分析闡述了信息隱藏的定義、特征及分類，接著提出論述了四比特圖像信息替換算法原理，最后給出了MATLAB仿真實現算法。

1 信息隱藏定義、特征及分類

信息隱藏技術是20世紀90年代中期發端遇國外，具體是利用人類感覺器官的不敏感，以及多媒體數字信號本身存在的冗余，將秘密信息隱藏在一個宿主信號中，不被人的感知系統察覺或未獲注意與重視，而且不影響宿主信號的感覺效果[1]。

信息隱藏具有許多共同的特征。一是不可感知性，這是信息隱藏系統的必要條件。二是魯棒性，即使宿主信號受到一定的擾動，仍然能恢復隱藏的信息。三是嵌入容量和強度，在保證不可感知性的前提下，應盡量在載體中傳送更多的信息。四是密鑰與安全性。在設計隱藏系統時要綜合考慮密鑰的產生、發放、管理等。

信息隱藏技術按照嵌入域分類主要分為時域信息隱藏技術和變換域信息隱藏技術。其中，LSB是時域數字水印信息隱藏技術中居于首位的常見算法，算法簡單，嵌入速度快，而這些優點則是一些變換域水印隱藏算法無法比擬的[2]。相應地，對頻域變換信息隱藏技術的特點是，安全性強，能夠抵抗各種壓縮處理，但隱藏容量不大。通常，變換域信息隱藏技術可以細分為DCT域、DFT域和小波域等。綜上，信息隱藏分類如圖1所示。

2 四比特圖像信息替換算法原理

以圖像為載體進行信息隱藏時，可看為在強背景（原始圖像）下疊加一個弱信號（被隱藏的信息），只要疊加的信號低于對比度門限，視覺系統就無法感覺到信號的存在。根據 HVS的對比度特性，該門限值受背景照度、背景紋理復雜性和信號頻率的影響。背景越亮，紋理越復雜（或者說邊緣豐富），門限就越高，這類現象稱為亮度掩蔽和紋理掩蔽[3]。

根據文獻[4]，設背景照度為I，在均勻背景下，人眼剛好可以識別的物體照度為I+△I。其中△I≈0.02×I。視覺領域的進一步研究表明，△I與 I 的關系更接近指數關系[1]，提出了更準確的對比度敏感度函數：

設y為低位隱藏信息的位數，根據以上結論，y的取值為4～5時就可以基本滿足視覺可見性要求。

結合如上理論所述，并根據HVS的特性可知，人類視覺系統對高位信號敏感，去掉圖像最低幾位并不會造成畫面質量的明顯下降，也可認為，高四位幾乎含有圖像的全部信息，由此提出了四比特圖像信息替換算法，實現圖像信息隱藏。彩色圖像可由RGB這3個顏色矩陣表示，在這3種顏色分量上，可以選一像素點的任意一層，在低四位嵌入隱秘圖像的高四位，實現信息隱藏目的。圖2為像素點B層信息嵌入，表示用秘密圖像的高四位替代載體圖像低四位。

同時，也可以通過試驗驗證以上算法思想，圖像是以512×512×24的Lena 圖像為載體進行試驗。對圖像進行分層，分成3層，分別為紅層圖像、綠層圖像、藍層圖像。取藍層圖像進行處理，去掉零位載體圖像，去掉低2位載體圖像，去掉低3位載體圖像，去掉低4位載體圖像，去掉低5位載體圖像， 去掉低6位載體圖像。實驗過程及結果如圖3所示。

由上面的對比圖可以看出，高四位基本含有圖像全部信息，圖像矩陣的每個像素值去掉低4bit，改變后的圖像和原圖像在視覺上并沒有太大的變化，因此可以認為低4bit是冗余空間，故可以直接用秘密圖像像素值的高4bit去替換載體圖像像素值的低4bit。

3 四比特圖像信息替換算法實現

算法實現采用MATLAB軟件，該軟件由Math Works公司研創開發。在試驗中載體圖像采用512×512×24的Lena 圖像，秘密圖像采用512×512×24的peppers圖像。隱藏算法過程包括2方面，一方面，在載體上嵌入秘密信息形成載密圖像，即嵌入過程。另一方面，需要從載密圖像中取出秘密信息，即提取過程，具體算法描述如下。

3.1 嵌入過程

試驗得出，當載密圖像無噪聲時，即能完好提取出秘密圖像，當對載密圖像進行攻擊實驗時，如高斯噪聲、泊松噪聲攻擊時，提取出來的信息很模糊，魯棒性差，該算法仍需更為完善的拓展與改進。

4 結束語

信息隱藏技術作為信息安全領域的研究熱點，發展潛力巨大，本文根據HVS的特性，提出了四比特圖像信息替換算法實現圖像隱藏，運用MATLAB軟件進行算法實現，嵌入信息后的載體圖像與原始圖像視覺效果基本一致，有效解決了圖像信息隱藏問題。但有噪聲攻擊時，魯棒性略差，需做切實提升與改進。

參考文獻

[1]王炳錫，陳琦，鄧峰森.數字水印技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2003

[2]牛振喜.基于LSB及置亂的圖像隱藏算法研究[J].西北工業大學學報，2013，31（2）：300-304.

[3]JAYANT N，JOHNSTON J，SAFRANEK R. Signal compression based on models of human perception[J].Proce-edings of the IEEE，1993，81（10）：385-395.

[4] GONZALEZ R C， WOODS R E. Digital image Processing[M]. NewJersey： Prentice Hall，2007.

[5] BANSAL N， DEOLIA K V ， BANSAL A Digital image watermarking using least significant bit technique in different bit positions[C]//Computational Intelligence and Communication Networks （CICN）， 2014 International Conference on. Bhopal： IEEE， 2014：813-818.

[6]李桂蕓，鄧桂英，趙逢禹.一種基于LSB圖像信息隱藏的改進算法[J].計算機系統應用，2012，21（4）：156-160.

[7]余兵奇，張紅梅.一種改進的最低有效位信息隱藏算法[J].光電子.激光，2012，23（12）：2398-2403.

[8]楊榆. 信息隱藏與數字水印實驗教程[M]. 北京：國防工業出版社，2009.