結合隨機映射和改進縫合線的紋理合成隱藏

李國利，邵利平，任平安

(陜西師范大學 計算機科學學院，陜西 西安 710119)

1 概 述

隨著互聯網的發展，越來越多的信息通過網絡傳輸，在給人們帶來極大便利的同時，也存在一定安全隱患。為保護傳輸中的秘密信息安全，人們提出用圖像來隱藏秘密信息的方法，并把它應用在分存[1-4]、密寫[5-6]和水印上。但這些方法的本質都是傳統修改式嵌入的信息隱藏方法，需修改載體圖像，會對嵌密載體視覺質量造成較大影響，容易引起攻擊者的懷疑。

為避免這類問題，人們提出了紋理生成式無載體信息隱藏，它主要包括紋理構造式信息隱藏和紋理拼接式信息隱藏。其中紋理構造式信息隱藏是通過模擬紋理生成的方式來產生一些類自然紋理，例如文獻[7-9]生成類水影畫紋理來隱藏秘密信息，但這類方法所生成的紋理都是非自然紋理，從而不能對秘密信息進行有效掩蓋。

紋理拼接式隱藏最早來源于文獻[10-11]，通過樣例紋理填充的方式對表達秘密信息的局部二值模式像素點進行掩蓋，但由于不能很好地對局部二值模式進行掩蓋，從而易引起密寫分析者的懷疑和秘密信息泄露。為避免此問題，文獻[12-14]都是通過紋理小塊拼接的方式來產生與給定樣本相似的含密紋理。但文獻[12]引入鏡像操作使得編碼和非編碼樣本小塊存在明顯的區別特征，導致編碼小塊直接泄露。文獻[13-14]中秘密信息分段和樣本小塊類別之間存在著固定的一一對應關系，易引起攻擊者的懷疑，導致安全性較低。另外文獻[12-14]都是采用縫合線算法[15]來對重疊區域的紋理進行縫合。縫合線算法的原理是由特定位置出發，在重疊區域尋找差異最小的縫合線將重疊區域的紋理進行縫合，但由特定位置起始的差異最小的縫合線并不意味著是經歷重疊區域所有像素差異最小的縫合線，易產生縫合痕跡，從而不能對秘密信息進行掩蓋。

針對文獻[12-14]存在的問題，文中提出了一種結合隨機映射和改進縫合線的紋理合成信息隱藏方法。首先根據樣本小塊的均值大小將其分為若干個類別，通過結合編碼小塊的隨機放置位置建立起秘密信息分段和樣本小塊類別之間的隨機映射關系，然后結合編碼小塊的隨機坐標位置，從對應樣本小塊類別中隨機選擇一個作為編碼樣本小塊來對秘密信息進行表達并將其放置在空白圖像中的特定坐標位置上。最后將相鄰編碼樣本小塊按改進縫合線紋理合成方法來生成含密紋理。

同文獻[12-14]相比，該方法可生成較高質量的紋理圖像來對秘密信息進行掩蓋；同文獻[13-14]相比，秘密信息分段和編碼樣本小塊之間不存在固定的一對一關系，從而具有較高的安全性。

2 隱藏方法

(1)

其中，符號“?」”表示向下取整。

(2)

(3)

記二值秘密信息序列B的長度為l，由于編碼樣本小塊P0,P1,…,Pc-1總共有n0個類別，因此每個編碼樣本小塊可表達log2n0個秘密比特，從而將B劃分為L組，即：b0,b1,…,bL-1。其中L和l之間滿足式4的約束，將b0,b1,…,bL-1轉換為10進制數，可得10進制數B0,B1,…,BL-1。

L=「l/log2n0?

(4)

(5)

(6)

(7)

注：若Pi=Φ，則意味著Pcur的i邊界區不存在相鄰的樣本塊，因此僅需直接將Pcur的i邊界區直接放置在對應區域即可，而不需要進行縫合。

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(a)Pcur的邊界區 (b)與Pcur進行拼接的Ptt

(c)傳統裂縫拼接法 (d)改進的裂縫拼接法

3 提取方法

(14)

按式15提取出對應10進制秘密信息Bk,k=0,1,…,L-1，將B0,B1,…,BL-1轉換為長度為log2c比特的二值比特位串，從而可得到二進制數b0,b1,…,bL-1，然后按式16截取前l個比特作為最終提取出的秘密信息B。

(15)

B=trunc(b0‖b1‖…‖bL-1,l)

(16)

其中，trunc()函數是二值比特位串截取函數。

4 完整的結合隨機映射和改進縫合線的紋理合成信息隱藏與提取算法

以下給出完整的結合隨機映射和改進縫合線的紋理合成信息隱藏與恢復算法，記為算法1和算法2。

算法1：結合隨機映射和改進縫合線的紋理合成隱藏算法。

(6)用P0,P1,…,Pc來填充Q上的空白區域，將存在重疊區域的小塊按照改進縫合線算法對相鄰小塊拼接，最終將Q作為含密紋理圖像輸出。

算法2：結合隨機映射和改進縫合線的紋理合成信息提取算法。

同文獻[12-14]相比，所提方法可生成較高質量的紋理圖像來對秘密信息進行掩蓋；同文獻[13-14]相比，秘密信息分段和編碼樣本小塊之間不存在固定的一對一關系，從而具有較高的安全性。

5 實 驗

實驗測試環境為Window 10操作系統，CPU為Intel(R) Core(TM) i5-6600，主頻為3.31 GHz，內存為8.00 GB，編碼語言為JAVA jdk1.8.0_65，采用的測試樣例圖像如圖2(a)和2(b)所示，分別是分辨率為128×128的8位灰度圖像stone1和stone2。嵌入秘密信息為“陜西師大”，其對應的二值比特位串為64位，如圖2(c)所示。

圖2 測試樣例圖像和二值比特秘密信息

使用峰值信噪比(PSNR)對攻擊以后的含密樣本圖像視覺質量進行衡量，通過誤碼率(EBR)對秘密信息恢復情況進行評價，所有計算均保留小數點后4位有效數字。PSNR和EBR的計算式為：

(17)

(18)

(19)

其中，berr為錯誤的秘密信息比特數；ball為秘密信息總比特數。

在實驗中，由樣例圖像按光柵掃描順序逐像素滑動得到的樣本小塊分辨率為32×32，這些樣本小塊的核心區域被設定為樣本小塊中心大小為16×16的中心區域并按均值大小劃分為16個類別。

5.1 正確性驗證實驗

為驗證正確性，選取樣例圖像(圖2(a)和圖2(b))，由3組不同的密鑰分別按算法1隱藏秘密信息并按算法2提取秘密信息。圖3和圖4分別給出了生成的含密紋理圖像和提取的秘密信息，與之對應的實驗參數和秘密信息恢復情況如表1所示，其中生成的含密紋理圖像的大小為224×224。

從圖3可以看出，算法1生成的含密紋理圖不會產生明顯的縫合痕跡，整體視覺質量較好。從表1和圖4可以看出，對于不同的密鑰，算法2均能完全提取秘密信息，提取的秘密信息相對于原秘密信息的EBR為0，說明秘密信息可完整恢復，因此正確性得以驗證。

圖3 正確性驗證實驗含密紋理圖樣

圖4 正確性驗證實驗秘密信息恢復圖樣

表1 正確性驗證實驗

5.2 密鑰依賴性實驗

為驗證密鑰依賴性，選取圖2(a)作為樣例圖，按表2對密鑰R進行調整，然后按算法2提取秘密信息。表2是密鑰依賴性實驗的參數，其中“-”表示被修改；圖5是密鑰依賴性實驗提取的秘密信息，其中“1”和“0”代表提取的“1”和“0”是錯誤的。

從表2可看出，密鑰參數的改變，將導致提取出的秘密信息EBR趨近于0.5，從而半數左右的秘密信息比特在提取時發生錯誤，秘密信息無法提取，因此文中所述策略對密鑰的改變具有完全的依賴性。

圖5 密鑰依賴性實驗秘密信息恢復圖樣

表2 密鑰依賴性驗證實驗參數

5.3 抗攻擊實驗

為驗證所提策略的抗攻擊能力，按不同強度的椒鹽噪聲和不同質量因子的JPEG壓縮分別對圖3(a)嵌密載體進行攻擊，然后按算法2提取秘密信息。椒鹽噪聲攻擊強度分別為5%、15%和20%，JPEG壓縮中選取的質量因子分別為80和90。圖6和圖7是攻擊后的含密紋理圖像和與之對應的秘密信息恢復結果。

圖6 抗攻擊實驗含密紋理圖樣

圖7 抗攻擊實驗秘密信息恢復圖樣

表3給出了對應的實驗參數。從表3和圖6可以看出，椒鹽噪聲和JPEG壓縮都會導致含密紋理圖的視覺質量下降。以給定的實驗樣例紋理為例，對于5%、15%和20%的椒鹽噪聲攻擊，含密紋理圖對應的PSNR約為17～9 dB；對于JPEG壓縮，當取質量因子為80～90時，其對應的含密紋理圖像的PSNR為30.749 8～36.568 2 dB。含密紋理圖像盡管遭受了不同程度噪聲以及JPEG壓縮攻擊，當椒鹽噪聲強度為5%和15%，JPEG壓縮質量因子為80和90時，按算法2提取的恢復信息的誤碼率為0，表明所提方法具備一定的抗攻擊能力，且能有效提取秘密信息。

表3 抗攻擊實驗參數

6 結束語

傳統修改式信息隱藏方法[1-6]需修改原始載體圖像，不僅會降低載體圖像視覺質量，同時也易引起攻擊者的懷疑。紋理構造式信息隱藏方法[7-9]只能生成簡單質地的非自然紋理，不能對秘密信息進行有效的掩蓋。紋理拼接式信息隱藏方法[12-14]秘密信息與樣本小塊之間存在著固定的映射關系或碼塊間的區別特征，導致安全性較低。針對以上問題，提出了一種結合隨機映射和改進縫合線的紋理合成隱藏方法。首先根據樣本小塊核心區域均值將其分為若干個類別，每個類別中的小塊代表相同的秘密信息，通過編碼小塊的隨機位置建立起秘密信息分段和樣本小塊類別之間的隨機映射關系，然后結合編碼小塊的隨機位置，從對應樣本小塊類別中隨機選擇一個樣本小塊作為編碼樣本小塊來對秘密信息進行編碼并將其放置在空白圖像中的特定位置上。最后將相鄰編碼樣本小塊按改進縫合線紋理合成方法來生成含密紋理圖像。實驗結果表明，該方法生成的含密紋理圖像視覺質量較好，可通過高質量的合成紋理來對秘密信息進行掩蓋，秘密信息分段和編碼樣本小塊不一一對應，且完全依賴于用戶密鑰并具備一定的抗攻擊能力。