基于直方圖平移的圖像無(wú)損信息隱藏軟件

孫穎穎，陳震海，張瀚勻

（1.廣西師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院，桂林541004；2.廣西師范大學(xué)圖書(shū)館，桂林541006）

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，信息隱藏技術(shù)已經(jīng)成為信息安全領(lǐng)域的一個(gè)重要分支。該技術(shù)類(lèi)似于生物學(xué)中的保護(hù)色，通過(guò)將秘密信息加密隱藏至外部載體中，以達(dá)到保護(hù)秘密信息的效果。一般來(lái)說(shuō)，載體圖像會(huì)因?yàn)槊孛苄畔⒌那度氚l(fā)生一定程度的失真，在例如醫(yī)學(xué)、軍事、藝術(shù)品保護(hù)等領(lǐng)域，載體圖像的失真可能造成用戶(hù)的誤讀和錯(cuò)判，從而帶來(lái)巨大的損失。新興的無(wú)損圖像信息隱藏技術(shù)[1-3]恰好解決了這一問(wèn)題。這一技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在不破壞載體圖像的前提下完成信息的傳遞，這種獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)吸引著越來(lái)越多的研究人員將目光集中在無(wú)損圖像信息隱藏技術(shù)上。目前常見(jiàn)的可逆信息隱藏算法[4]主要有以下5 大類(lèi)：①基于無(wú)損壓縮的可逆信息隱藏算法[5]，該類(lèi)算法通過(guò)壓縮數(shù)據(jù)的冗余信息騰出空間來(lái)嵌入秘密信息。②基于差值擴(kuò)展的可逆信息隱藏算法[6]，該類(lèi)算法通過(guò)擴(kuò)展兩個(gè)像素之間的差異來(lái)嵌入秘密信息。③基于直方圖平移的可逆信息隱藏算法[7]，該類(lèi)算法通過(guò)修改圖像的最值信息獲取冗余空間來(lái)嵌入秘密信息。④基于預(yù)測(cè)誤差擴(kuò)展的可逆信息隱藏算法[8]，該類(lèi)算法使用預(yù)測(cè)誤差擴(kuò)展來(lái)嵌入數(shù)據(jù)。⑤基于整數(shù)變換的可逆信息隱藏算法[9]，該類(lèi)算法使用可逆對(duì)比映射的整數(shù)變換技術(shù)來(lái)構(gòu)建。

因?yàn)楝F(xiàn)有實(shí)現(xiàn)信息隱藏技術(shù)的工具較少，故本文使用直方圖平移技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于直方圖平移的無(wú)損圖像信息隱藏軟件。該軟件不僅可以實(shí)現(xiàn)秘密信息在載體圖像上的嵌入與提取，同時(shí)可以保證在信息提取之后，可以無(wú)差別地將載體圖像恢復(fù)至秘密信息嵌入之前的狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該軟件可以有效實(shí)現(xiàn)秘密信息的嵌入和提取，并且能無(wú)損恢復(fù)載體圖像。接下來(lái)將介紹該軟件核心算法、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、軟件測(cè)試這三部分。

1 算法實(shí)現(xiàn)

本文利用Ni 等人在文獻(xiàn)[7]提出的基于直方圖平移的可逆信息隱藏算法實(shí)現(xiàn)，基本原理是計(jì)算出載體圖像的像素直方圖，修改直方圖中的最值使圖像產(chǎn)生冗余空間，并向冗余空間中嵌入秘密信息。下面將詳細(xì)介紹信息嵌入、信息提取和圖像恢復(fù)的具體方法。

1.1 信息嵌入

嵌入秘密信息需先平移直方圖產(chǎn)生冗余空間，再將秘密信息嵌入該空間。通過(guò)計(jì)算找到相應(yīng)直方圖的最大值P 和最小值Z。之后對(duì)圖像進(jìn)行整體掃描，使圖像在P 到Z 的開(kāi)區(qū)間內(nèi)的像素值進(jìn)行加一或者減一操作。設(shè)Mij表示載體圖像像素，M'ij表示直方圖平移后的圖像像素，則產(chǎn)生冗余空間的公式可定義為：

隨后將秘密信息嵌入到圖像中。本軟件使用OpenCV 圖像處理庫(kù)中Mat 類(lèi)的at（）函數(shù)，讀取圖像像素值，當(dāng)載體圖像中像素值等于最大值P 時(shí)，如果對(duì)應(yīng)的嵌入信息為“1”，那么該像素值進(jìn)行加一操作，反之該像素值不變。設(shè)Sl表示秘密信息，M''ij表示嵌入秘密信息后的圖像像素，可以通過(guò)如下公式表示該嵌入過(guò)程。

1.2 信息提取

實(shí)際就是信息嵌入模塊的逆向操作。為保證軟件的安全性，首先要進(jìn)行安全檢驗(yàn)，使用提取出的密鑰與用戶(hù)所輸入的密鑰進(jìn)行對(duì)比，兩者相同即可進(jìn)行以下信息提取操作。對(duì)該載體圖像進(jìn)行整體掃描，若遇到像素值為P+1，則對(duì)應(yīng)提取信息為“1”。反之，若遇到像素值為最大值P，那么對(duì)應(yīng)提取信息為“0”。將提取出的二進(jìn)制序列與密鑰進(jìn)行異或操作即可得到解密后的秘密信息。設(shè)b 為提取的信息，則可用以下公式表示信息提取過(guò)程。

1.3 圖像恢復(fù)

顯然這部分是將載體圖像的像素值進(jìn)行還原，以實(shí)現(xiàn)載體圖像無(wú)失真的恢復(fù)。具體操作為：先將在最大值P 和最小值Z 的開(kāi)區(qū)域間的像素值進(jìn)行加一（或減一）操作即進(jìn)行直方圖平移操作，再將提取出的開(kāi)銷(xiāo)信息整合到載體圖像中。設(shè)Aij表示移位后的新像素，則可用以下公式表示圖像恢復(fù)模塊的直方圖平移過(guò)程。

設(shè)Aij表示無(wú)損恢復(fù)后的像素，（m,n）表示零值點(diǎn)的位置信息，可以通過(guò)如下公式將開(kāi)銷(xiāo)信息整合到載體圖像以實(shí)現(xiàn)圖像的無(wú)損恢復(fù)。

2 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

該軟件將文本信息或數(shù)據(jù)文件嵌入到BMP 格式的載體圖像中[10]，并且可以將該信息提取出來(lái)，最后完全恢復(fù)圖像。接下來(lái)對(duì)該軟件設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)部分進(jìn)行介紹。

2.1 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)上述功能需求，該軟件的功能結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其功能模塊介紹如下。①文本信息嵌入模塊：選擇載體圖像，手動(dòng)輸入信息和密鑰，將文本信息嵌入載體圖像中。②數(shù)據(jù)文件嵌入模塊：選擇載體圖像和數(shù)據(jù)文件，輸入密鑰，將數(shù)據(jù)文件嵌入載體圖像中。③文本信息提取模塊：選擇載體圖像，輸入提取密鑰，獲取并顯示秘密信息。④數(shù)據(jù)文件提取模塊：選擇載體圖像，輸入提取密鑰，將數(shù)據(jù)文件提取出來(lái)并顯示其路徑。⑤查看恢復(fù)圖像模塊：選擇載體圖像，輸入恢復(fù)密鑰，密鑰正確會(huì)顯示該圖像路徑，通過(guò)路徑可查看恢復(fù)后的圖像。

圖1 軟件功能結(jié)構(gòu)圖

軟件信息嵌入過(guò)程（a）和提取過(guò)程（b）如圖2 所示。用戶(hù)A 選取一張載體圖像和需要嵌入的秘密信息，并且輸入密鑰，該軟件將秘密信息預(yù)處理后，通過(guò)嵌入算法將其嵌入載體圖像中，生成載密圖像。用戶(hù)B 得到載密圖像，使用該軟件，通過(guò)提取密鑰從載密圖像中獲得秘密信息和無(wú)損的原圖像。

為保證秘密信息的安全性，需要對(duì)它進(jìn)行預(yù)處理。該軟件采用MD5 加密技術(shù)將密鑰轉(zhuǎn)為32 位隨機(jī)字符串，再將其轉(zhuǎn)為比特流，通過(guò)與秘密信息進(jìn)行異或運(yùn)算，達(dá)到對(duì)秘密信息的加密處理。設(shè)表示密鑰，表示秘密信息，表示加密后的秘密信息，加密公式（異或運(yùn)算）可定義為：

圖2 軟件信息嵌入和提取過(guò)程圖

因信息提取過(guò)程需要借助最值信息，故需將其構(gòu)造為附加信息嵌入圖像。先把第一對(duì)最值信息寫(xiě)入圖像的前兩個(gè)像素，并將這兩個(gè)像素、最值對(duì)數(shù)和剩余最值信息一起轉(zhuǎn)為比特序列構(gòu)成附加信息。另外，附加信息的長(zhǎng)度是由所需字節(jié)+信息長(zhǎng)度（比特序列）組成，其中使用兩位比特?cái)?shù)表示其所需字節(jié)。若信息長(zhǎng)度為0～255，則需要一個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)；若為256～65535，則需兩個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)；若長(zhǎng)度大于65535，則需四個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)。本文設(shè)定“00”表示一個(gè)字節(jié)，“01”表示兩個(gè)字節(jié)，“10”表示三個(gè)字節(jié)。加密后的秘密信息長(zhǎng)度組成方式與附加信息相同。

另外，若零值點(diǎn)（頻率最小值點(diǎn)）不為0，則需記錄下這些零值點(diǎn)的位置信息，以便圖像恢復(fù)時(shí)使用。所以需將其作為開(kāi)銷(xiāo)信息嵌入圖像中。預(yù)處理后秘密信息結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 預(yù)處理后秘密信息結(jié)構(gòu)

2.2 軟件實(shí)現(xiàn)

本文軟件是在Windows 7 系統(tǒng)環(huán)境下，使用C++語(yǔ)言在Microsoft Visual C++2013 平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。其中使用的圖像處理庫(kù)為OpenCV3，故在軟件開(kāi)發(fā)前期，需對(duì)該平臺(tái)進(jìn)行OpenCV 環(huán)境配置。軟件界面利用MFC進(jìn)行設(shè)計(jì)，功能界面設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)潔。界面整體設(shè)計(jì)采用菜單與子菜單的形式，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)運(yùn)行軟件后出現(xiàn)含有“信息嵌入”與“信息提取”兩個(gè)菜單項(xiàng)的主界面，點(diǎn)擊菜單項(xiàng)可以選擇子菜單。每個(gè)子菜單項(xiàng)分別對(duì)應(yīng)一個(gè)功能模塊，其中每個(gè)模塊的界面都有菜單、按鈕、編輯框、復(fù)選框等控件。

軟件使用面向?qū)ο蠛湍K化的思想，將每個(gè)功能模塊作為一個(gè)類(lèi)進(jìn)行代碼實(shí)現(xiàn)。其中設(shè)計(jì)TextHide 類(lèi)實(shí)現(xiàn)文本信息嵌入模塊、FileHide 類(lèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)文件嵌入模塊、TextExtract 類(lèi)實(shí)現(xiàn)文本信息提取模塊、FileExtract類(lèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)文件提取模塊、PicExtract 類(lèi)實(shí)現(xiàn)圖像恢復(fù)模塊。因?yàn)楸拒浖幚淼氖荁MP 格式，所以在讀取和保存圖像文件時(shí)，使用Windows.h 頭文件中的BIT?MAPEFILE 和BITMAPINFOHEADER 來(lái)讀取或者構(gòu)造BMP 文件。在圖像信息處理部分，軟件通過(guò)OpenCV圖像處理庫(kù)中calcHist（）函數(shù)計(jì)算圖像直方圖，Mat 類(lèi)的at（）函數(shù)讀取圖像像素值。軟件設(shè)計(jì)了char_array_2_binary_str（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)信息嵌入之前秘密信息從字符流轉(zhuǎn)為字節(jié)流以及信息提取之后將秘密信息從字節(jié)流轉(zhuǎn)換成字符流。設(shè)計(jì)HistShift（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)信息嵌入功能，InfoExtr（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)信息提取功能，RecoverPic（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)圖像恢復(fù)功能。

3 軟件測(cè)試

為測(cè)試該軟件的功能，選取如圖4 所示彩色圖（a）以及灰度圖（b）作為測(cè)試圖像用例，使用“在我塵世歲月的狹窄河流上……”為文本測(cè)試用例，“G://newOut?put.txt”為數(shù)據(jù)文件測(cè)試用例。

圖4 載體圖像測(cè)試用例

在軟件界面中選擇“信息隱藏”菜單中的“文本信息隱藏”或者“數(shù)據(jù)文件隱藏”子菜單，隨后選取圖像并輸入秘密信息和密鑰，點(diǎn)擊“隱藏”按鈕，如圖5 所示。

圖5 文本信息隱藏與數(shù)據(jù)文件隱藏功能測(cè)試界面圖

在“信息提取”菜單中選擇“文本信息提取”、“數(shù)據(jù)文件提取”或者“查看恢復(fù)圖像”子菜單，隨后選取圖像并輸入密鑰，點(diǎn)擊“提取”或者“恢復(fù)”按鈕，如圖6 所示。經(jīng)測(cè)試，該軟件達(dá)到無(wú)損圖像的信息隱藏效果。

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用直方圖平移技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)圖像無(wú)損信息隱藏軟件。它包含文本信息隱藏、文本信息提取、數(shù)據(jù)文件隱藏、數(shù)據(jù)文件提取和查看恢復(fù)圖像五大功能。軟件界面簡(jiǎn)潔大方，易于操作。經(jīng)測(cè)試，它能有效實(shí)現(xiàn)秘密信息的嵌入和提取，并且能無(wú)損恢復(fù)載體圖像。

圖6 數(shù)據(jù)文件提取以及查看恢復(fù)圖像功能測(cè)試界面圖