LSB匹配與隨機調制隱寫算法性能分析與比較

袁琛+周沙

摘要：本文主要對LSB匹配與隨機調制隱寫技術進行了一定的研究，在此基礎上對其進行了性能分析和比較，并借助MATLAB軟件對算法的研究與比較進行了實驗。

關鍵詞：隱寫術，LSB匹配，LSB隨機調制

1.數字隱寫基礎知識

1.1 基于數字圖像的信息隱藏系統模型

我們都知道，大部分的信息隱藏系統模型都包含兩個模塊，即信息嵌入模塊和提取模塊。具體模型如圖所示：

這里，需要強調的是，加密密鑰跟密碼學中的密鑰不是一回事。隱寫密鑰主要負責將秘密嵌入到圖像的不同位置，而密碼學中的密鑰則是對秘密信息進行加密以保證信息的安全。

2. 信息隱藏的分類

1、按載體類型分類2、按密鑰分類3、按嵌入域分類4、按提取的要求分類5、按保護對象分類

2.1 數字隱寫定義和模型

數字隱寫是信息隱藏學的一個重要分支，在國防、經濟領域應用較為廣泛，所謂數字隱寫就是在一些數字載體中將所要隱秘傳輸的內容隱藏進去，而使得載體的各種屬性無改變，能夠擺脫第三方對隱秘信息的注意。數字隱寫是由不可視通信的思想發展而來的，Simmons提出的“囚犯問題”是不可視通信的經典模型，其主要思想是假設兩個囚犯準備越獄，但是被關在不同的牢房，他們想通過一種隱蔽通信的方式來商量如何實施越獄，但是，他們之間交換的信息必須經過看守的檢查，因此，他們就想在看似正常的信息中藏入秘密信息，這種通信就是不可視通信，或者稱為隱蔽通信，而隱寫是實現不可視通信的重要方式。

3 LSB匹配與隨機調制算法性能分析與比較

3.1 隱寫算法的評價指標及其計算方法

目前，衡量隱寫算法優劣的指標主要以隱蔽性、魯棒性和嵌入容量三個方面為主。魯棒性是指載密圖像經過各種諸如濾波、壓縮和幾何攻擊等信號處理后仍能保持秘密信息不丟失，仍能提取的能力。嵌入容量是指在保持秘密消息隱蔽性的前提下，可以隱藏的秘密消息的最大值。隱蔽性是指秘密消息嵌入后不會使得載體圖像的感知質量發生明顯的變化。

Fridrich曾經詳細闡述過三個指標的三角關系。在具體隱寫算法的設計過程中，不可能同時完全考慮到三個因素，必須有側重的方面。實際上一般會根據具體應用來選擇：安全密寫技術一般以隱蔽性為主；設計數字水印技術時則以魯棒性為主；當考慮隱蔽通信為目的的應用時則一般首先考慮嵌入容量。

本文的討論主要涉及隱寫算法的安全性，所以將以隱蔽性指標為主。主要通過三組實驗來對兩種算法進行比較。

3.2 性能分析與比較

3.2.1利用峰值信噪比分析比較

以反映視覺特性的客觀評價指標PSNR進行比較，選用五幅圖像，在加密信息相同并且保證滿嵌的情況下，分別用LSB匹配和隨機調制算法對這五幅圖像進行加密，從而得到五組圖像，每組包含三幅圖，然后分別對每組圖像進行PSNR求值，實驗結果如表3-1：

從上述結果來看，運用匹配算法和隨機調制算法得到的PSNR值相差不大，幾乎沒有什么區別。同時我們都知道，當PSNR值大于35時就對圖像的視覺特性造成不了什么影響，所以LSB匹配和隨機調制算法的特性都是比較優良的，單從視覺特性這一點上來說，這兩種算法都可以用于圖像隱寫，并且能保證較高的安全性。

3.2.2利用直方圖分析比較

由于隨機調制算法是將嵌入的秘密信息模擬成具有高斯分布特征的噪聲信號，從而使得含秘密信息的圖像不易被發現，保證了信息傳遞的安全。基于上述原理，我選擇實驗1中的三組圖像，對于每組圖像，我采取以下操作：分別用兩種算法加密后得到的圖像與原圖像作差，然后將得到的兩個差值用直方圖表示出來。最終定論：隨機調制算法將嵌入的秘密信息模擬成具有高斯分布的噪聲信號，從而使秘密信息不會那么容易被檢測出來，可能會騙過攻擊者，但是lsb匹配算法則做不到，所以從被檢測的難易程度上來說，隨機調制算法相對來說更優良一點。

3.2.3 抗RS檢測攻擊比較

本次實驗內容主要是對比LSB替換和LSB匹配、隨機調制算法的抗RS檢測攻擊能力，隨機的抽取五幅圖像，預先設定嵌入率為0.9，分別用三種方法進行加密，然后用RS算法分別估計秘密消息嵌入比率，實驗結果如表3-2：

根據上述實驗結果，我們可以發現，RS檢測攻擊對LSB替換算法的攻擊的效果非常好，但是對LSB匹配和隨機調制算法基本失效，由此可以表明，LSB匹配和隨機調制算法都具有良好的抗RS檢測攻擊能力，都是算法特性比較優良的隱寫算法。

參考文獻：

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