基于LSB算法實現信息隱藏方案的研究

付三麗，黃恒一

（三亞學院，海南 三亞 572022）

0 引 言

信息隱藏也稱作數據隱藏，起源于隱寫術，是集多學科理論與技術于一身的新興技術。信息隱藏技術主要是指將特定的信息嵌入到數字化宿主信息中，信息隱藏的目的不在于限制正常的信息存取和訪問，而在于保證隱藏的信息不被監控者注意和重視，從而減少特定信息泄露的可能性。隨著技術的發展，各種信息安全的泄露事件時有發生，信息安全領域的研究也逐漸引起科研工作者的重視。

1 原 理

信息隱藏技術又稱為密寫術，是將秘密信息嵌入到看上去很普通的信息中傳送，防止第三方檢測出秘密信息。信息隱藏技術結合計算機技術、加密技術等，逐漸發展形成水印技術，主要用于版權保護、拷貝控制和操作跟蹤等領域[2]。

LSB算法主要應用于將秘密信息嵌入到載體圖像像素值的最低有效位（也稱最不顯著位），改變這一位置對載體圖像的品質影響。對載體圖像空域像素值做LSB替換，用來替換LSB的序列就是需要加入的水印信息、水印的數字摘要或由水印生成的偽隨機序列[3]。

本文結合水印技術，從傳播信道的安全角度出發，提出了一種基于LSB算法實現信息隱藏的方案。發送端M1為發送方原始載體數據的二進制序列，M2為特定信息數據的二進制序列；發送端特定信息M2經過LSB算法嵌入到載體數據M1序列中形成M3；發送端含水印的M3序列與載體M1序列經私鑰K1所包含的M1與M3置換信息生成序列D；合法接收端通過私鑰K1對公開信道序列D進行逆解調得出特定信息M2，從而實現特定信息在傳播信道中基于LSB算法的信息隱藏[4]。通信系統信息隱藏模型如圖1所示。

圖1 通信系統信息隱藏模型

2 實驗仿真模型

2.1 發送端載體數據M1

本文通信模型中的載體數據M1通過文本二進制轉換軟件生成，如圖2所示，目前僅支持英文字符與二進制序列之間的轉換。

圖2 文本文件轉換為二進制代碼

由圖2可知，載體對象文本“ai”對應的二進制碼元序列為M1=01100001 01101001。發送方載體信息M1選用二進制文本轉換軟件轉換，利用LSB算法對載體圖像空域像素值所對應的二進制序列做LSB替換。對載體序列M1進行LSB算法置換的序列M2即為通信模型中需要隱藏的信息。序列M1=01100001 01101001對應的碼圖如圖3所示[6]。

圖3 M1對應二進制時序圖

2.2 發送端信息LSB算法嵌入

本文選定的掩護對象數據M2=01，用二進制秘密信息M2中的每一比特信息替換與之對應的載體數據M1的最低有效位，假設待嵌入的二進制秘密信息序列為[01]，替換過程如圖4所示。

圖4 發送端LSB算法信息嵌入過程

由圖4 可知，發送端載體數據M1經過LSB算法替換后生成的含秘密信息M2的隱藏對象M3=01100000 01101001。

2.3 發送端信息添加私鑰K1

在上述過程中，將秘密信息M2嵌入到載體數據M1的二進制序列最低有效位，形成數據M3。發送端M3=M1@M2，私鑰K1為M1與M3的置換信息算法，發送端數據M3經過私鑰K1生成序列D，其公式為（M1@M2）@K1=D。本文私鑰K1定義為 D=nM1+M3， n=1[7]。

發送端原始的載體數據M1序列經過D=nM1+M3，實現將原擬發送的幾十比特速率的電文變換成由載體數據和隱藏對象數據組成的幾兆甚至幾十兆比特速率的電文，并增加了私鑰K1。經過上述分析，原始載體序列M1增加頻帶寬度，可減小信噪比。從通信安全的角度來說，信噪比越小，越不易被他人捕獲，具有極強的保密性。發送端的私鑰K1也是經過不公開信道傳輸給接收方，從而比傳統的信息隱藏更加安全[8]。

發送端數據D時序如圖5所示。由圖可知，發送端原始載體數據M1經LSB算法中私鑰K1擴頻，最終形成發送端的數據D序列。發送端生成的序列D=nM1+M3，定義n=1，序列D中紅色的隱藏代碼M2=01即為通信模型中隱藏的信息。收發雙方根據私鑰K1的定義，可任意改變公式D=nM1+M3中n的數值。

圖5 發送端數據D時序圖

2.4 發送端數據D對應文本

由圖5可知，發送端最終生成含秘密信息M2的隱藏對象 D序列，D=01100001 01101001 01100000 01101001， 發送端數據D通過2.2節中所示軟件生成對應文本，如圖6所示。目前僅支持英文字符與二進制位序列之間的轉換[9]。

由圖6可知，發送端數據D對應的文本數據D1=“ai`i”，最終接收端會接收到發送端發來的數據D1。

圖6 數據D對應文本

2.5 接收端解調信息

接收端接收到公開信道發送的數據D1后，首先利用私有信道傳來的私鑰K1解調出數據M3，再根據LSB算法及載體數據M1解調出秘密數據序列M2。合法用戶通過私鑰K1中所指定的信息及收發雙方載體數據序列M1不僅可解調出隱藏的數據M2，還可校驗數據D在傳輸過程中是否發生了篡改。私鑰K1中指定了數據n的數值大小，若數據D1在傳輸過程中發生了篡改，則接收端解調出來的數據公式D=nM1+M3不再成立[10]。

3 結 語

本文從通信信息安全傳播角度，結合信息水印技術中的LSB算法，吸收了通信領域中的信息擴頻技術、私鑰技術等，提出了一種基于LSB算法實現信息隱藏的方案。通過理論模型的探討、仿真與分析可知，本文所提方案具有防止數據篡改、抗攻擊性、信息破解難度大等特點，具有較大的應用價值。

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[4] 劉懷進，陳永紅，田暉.基于屬性的安全與高效的密文加密方案[J].小型微型計算機系統，2017，38（8）：1708-1711.

[5] 向宏，李思遙，蔡斌.密文明文長度比可變的多變量公鑰加密方案[J].重慶大學學報（自然科學版）. 2017，40（7）：37-42.

[6] 黃恒一，付三麗.CRC校驗在無線電波信息隱藏中的研究[J].物聯網技術，2017，7（5）：35-36.

[7] 付三麗.黃恒一.隱寫術在高校核心文件收發中的探討[J].物聯網技術，2017，7（3）：81-82.

[8] 黃恒一，付三麗，丁學用，等.LED光線編碼通信在信息隱藏中的研究[J].物聯網技術，2015，5（11）：41 -42.

[9] 黃恒一，付三麗，丁學用，等.一種混合加密方法在文件隱藏中的應用[J].海南師范大學學報（自然科學版），2015，28（1）：34-36.

[10] 張源偉，黃恒一，李炯，等.一種二重加密方法在信息存儲上的應用[J]. 現代電子技術，2013，36（2）：80-82.