基于LSB算法實(shí)現(xiàn)信息隱藏方案的研究

0 引 言

信息隱藏也稱作數(shù)據(jù)隱藏，起源于隱寫術(shù)，是集多學(xué)科理論與技術(shù)于一身的新興技術(shù)。信息隱藏技術(shù)主要是指將特定的信息嵌入到數(shù)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(jiān)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(shù)的發(fā)展，各種信息安全的泄露事件時有發(fā)生，信息安全領(lǐng)域的研究也逐漸引起科研工作者的重視。

通信系統(tǒng)信息隱藏模型如圖 1 所示。

1 原 理

信息隱藏技術(shù)又稱為密寫術(shù)，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(shù)結(jié)合計算機(jī)技術(shù)、加密技術(shù)等，逐漸發(fā)展形成水印技術(shù)， 主要用于版權(quán)保護(hù)、拷貝控制和操作跟蹤等領(lǐng)域 [2]。

LSB 算法主要應(yīng)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(zhì)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(shù)字摘要或由水印生成的偽隨機(jī)序列[3]。

本文結(jié)合水印技術(shù)，從傳播信道的安全角度出發(fā)，提出 了一種基于 LSB 算法實(shí)現(xiàn)信息隱藏的方案。發(fā)送端 M1 為發(fā)送 方原始載體數(shù)據(jù)的二進(jìn)制序列，M2 為特定信息數(shù)據(jù)的二進(jìn)制 序列 ；發(fā)送端特定信息 M2 經(jīng)過 LSB 算法嵌入到載體數(shù)據(jù) M1 序列中形成 M3 ；發(fā)送端含水印的 M3 序列與載體 M1 序列經(jīng)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(jìn)行逆解調(diào)得出特定信息 M2， 從而實(shí)現(xiàn)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(tǒng)信息隱藏模型如圖 1 所示。

2 實(shí)驗仿真模型

2.1 發(fā)送端載體數(shù)據(jù)

M1 本文通信模型中的載體數(shù)據(jù) M1 通過文本二進(jìn)制轉(zhuǎn)換軟 件生成，如圖 2 所示，目前僅支持英文字符與二進(jìn)制序列之間 的轉(zhuǎn)換。

由圖 2 可知，載體對象文本 ai 對應(yīng)的二進(jìn)制碼元序列為 M1=01100001 01101001。發(fā)送方載體信息 M1 選用二進(jìn)制文本轉(zhuǎn)換軟件轉(zhuǎn)換，利用LSB 算法對載體圖像空域像素值所對應(yīng)的二進(jìn)制序列做LSB 替換。對載體序列 M1 進(jìn)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M=01100001 01101001 對應(yīng)的碼圖如圖 3 所示[6]。

圖 3 M1 對應(yīng)二進(jìn)制時序圖

2.2 發(fā)送端信息 LSB算法嵌入

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

圖 4 發(fā)送端LSB 算法信息嵌入過程

由圖 4 可知，發(fā)送端載體數(shù)據(jù) M1 經(jīng)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(fā)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(shù)據(jù) M1 的二 進(jìn)制序列最低有效位，形成數(shù)據(jù) M3。發(fā)送端 M3=M1@M2，私 鑰 K1 為 M1 與 M3 的置換信息算法，發(fā)送端數(shù)據(jù) M3 經(jīng)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(fā)送端原始的載體數(shù)據(jù) M1 序列經(jīng)過 D=nM1+M3，實(shí)現(xiàn)將 原擬發(fā)送的幾十比特速率的電文變換成由載體數(shù)據(jù)和隱藏對 象數(shù)據(jù)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(jīng)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(qiáng)的保密性。發(fā)送端的私鑰 K1 也是經(jīng)過不公 開信道傳輸給接收方，從而比傳統(tǒng)的信息隱藏更加安全 [8]。

發(fā)送端數(shù)據(jù) D 時序如圖 5 所示。由圖可知，發(fā)送端原始 載體數(shù)據(jù) M1 經(jīng) LSB 算法中私鑰 K1 擴(kuò)頻，最終形成發(fā)送端的 數(shù)據(jù) D 序列。發(fā)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(fā)雙方根據(jù)私鑰 K1 的定義，可任意改變公式 D=nM1+M3 中 n 的數(shù)值。

圖 5 發(fā)送端數(shù)據(jù) D 時序圖

2.4 發(fā)送端數(shù)據(jù) D 對應(yīng)文本

由圖 5 可知，發(fā)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(fā) 送 端數(shù)據(jù) D 通過 2.2 節(jié)中所示軟件生成對應(yīng)文本，如圖 6 所示。 目前僅支持英文字符與二進(jìn)制位序列之間的轉(zhuǎn)換 [9]。

由圖 6 可知，發(fā)送端數(shù)據(jù) D 對應(yīng)的文本數(shù)據(jù) D1=“ai`i”， 最終接收端會接收到發(fā)送端發(fā)來的數(shù)據(jù) D1。

2.5 接收端解調(diào)信息

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

3 結(jié) 語

本文從通信信息安全傳播角度，結(jié)合信息水印技術(shù)中的 LSB 算法，吸收了通信領(lǐng)域中的信息擴(kuò)頻技術(shù)、私鑰技術(shù)等， 提出了一種基于 LSB 算法實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)篡改、 抗攻擊性、信息破解難度大等特點(diǎn)，具有較大的應(yīng)用價值。