自适应图像隐写技术

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3.0 陈辉 2024-11-19 9 4 3.2MB 54 页 15积分

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摘要

自适应图像隐写利用图像本身的纹理特性和人眼视觉的感官性，在不影响人

视觉的前提下，在图像纹理丰富的区域也即人眼视觉不敏感的区域嵌入大量的信

息，在图像平坦的区域也即人眼视觉敏感的区域不嵌或者尽量少嵌入信息。

本文在研究现有的自适应图像隐写算法的基础上，提出了本文的自适应隐写

算法，并对算法做进一步分析，主要提出的算法包括如下几个方面：

二值图像可以隐藏信息，在二值图像黑白交替的边缘区域嵌入秘密信息，不

容易引起人眼视觉上的异常。灰度图像可以多个位平面分割，每个平面都可以看

做二值图像，再结合矩阵编码提出一种灰度图像的双层隐写算法，第一层嵌入在

灰度图像的位平面利用二值图像隐藏信息的方法，第二层嵌入则对灰度图像进行

方向编码嵌入信息。这种算法具有嵌入量大，安全性好，可抗 RS 攻击等特性。

大部分灰度图像自适应隐写算法是利用像素间的差值，进行嵌入，结合二值

图像寻找边缘像素的方法，提出灰度图像相邻像素间差值进行秘密信息嵌入的隐

写算法，这种算法具有主观视觉性好。

灰度图像像素差值算法大部分是对图像进行分块，根据每块像素间的差值进

行嵌入。而本文利用灰度图像像素块之间的像素特征，定义图像的边缘差分值，

对图像分块，根据每个像素块的纹理特征，嵌入不同比特的秘密信息，这种算法

实验证明嵌入量大，图像失真小，可抗 RS 攻击等特点。

本文主要研究了自适应图像隐写，在空域中利用图像本身的特性隐藏秘密信

息，提出了基于灰度图像的三种自适应图像隐写算法，算法仍有许多不足之处，

有待于进一步的研究。

关键词：数字图像隐写自适应隐写方向编码 RS 检测

ABSTRACT

Adaptive steganographic of images uses the texture characteristics of itself and

human visual senses, in the condition of that not affect a person visual, embedded a lot

of seceret information under the premise of image texture in the region which is also

human visual not sensitive and in the image smooth area which is also human visual

sensitive area not embedded or embedded information less as far as possible.

Based on the study of the existing adaptive image steganographic algorithm, three

adaptive steganographic algorithms ware put forward on this paper, and further analysis

of those algorithms, the proposed algorithms mainly include the following aspects:

Binary images can be hidden information, in the alternate edge of black and white

area of a binary image to embedded secret information, not easy to cause the human eye

on the vision abnormalities. Gray images can be segmented to eight planes, each plane

can regard as a binary image, combining matrix code we presents a gray image double

steganographic algorithm, the first layer embedded in the gray image plane using a

binary image hidden information method, the second is to embed image direction

coding embedded information. The algorithm addressed in the paper shows the good

performance of simple implementation, large information capacity and high resolution

picture, and also can fight RS attacks.

Most of the gray images steganographic adaptive algorithms is use the difference

value between of pixels to embedded information, combined with the method of the

binary images edge look for the edge of pixels, we puts forward the gray image

steganographic algorithm use the difference value between adjacent pixels to hiding

secret information , this algorithm has good subjective visual .

Gray image pixels difference algorithms are most of based on image block,

according to the difference values between each block to embedded information. And

this paper using gray image pixels piece of characteristics between pixels, define image

edges different value on image block, according to each pixel blocks of the texture

characteristics, embedded different bit secret information. The algorithm addressed in

the paper shows the good performance of simple implementation, large information

capacity and high resolution picture, and also can fight RS attacks.

This dissertation mainly studies the adaptive image steganographic, use the images

characteristics of itself to hidden secret information in the airspace of image, put

forward three adaptive image steganographic algorithms based on gray images, the

algorithm is still has many shortcomings, which needs to be further research.

Key Word: information hiding, Adaptive steganographic, EMD, RS

第一章绪论 ....................................................... 1

§1.1 研究背景 .................................................. 1

§1.2 研究现状 .................................................. 2

§1.3 信息隐藏技术 .............................................. 5

§1.4 论文的主要内容和组织结构 .................................. 8

第二章灰度图像双层隐写算法 ........................................ 10

§2.1 二值图像隐写算法简介 ..................................... 10

§2.2 灰度图像的位平面分割 ..................................... 11

§2.3 灰度图像双层隐写算法 ..................................... 12

§2.3.1 双层隐写嵌入算法模型 ................................ 12

§2.3.2 第一次嵌入——二值图像边缘像素嵌入 .................. 13

§2.3.3 第二次嵌入——方向编码 .............................. 15

§2.4 双层隐写的提取算法 ....................................... 16

§2.5 实验结果与性能分析 ....................................... 17

§2.5.1 嵌入性能分析 ........................................ 17

§2.5.2 抗 RS 性能分析 ....................................... 20

§2.6 本章总结 ................................................. 25

第三章灰度图像相邻像素差值隐写算法 ................................ 26

§3.1 灰度图像隐写算法简介 ..................................... 26

§3.1.1 位平面复杂度分割隐写算法 ............................ 26

§3.1.2 PVD 隐写算法 ........................................ 27

§3.1.3 边缘匹配隐写算法 .................................... 28

§3.1.4 其它隐写算法 ........................................ 30

§3.2 嵌入算法 ................................................. 30

§3.2.1 随机嵌入信息的讨论 .................................. 30

§3.2.2 算法描述 ............................................ 31

§3.3 提取算法 ................................................. 33

§3.4 实验结果与分析 ........................................... 33

§3.4.1 嵌入性能分析 ........................................ 33

§3.4.2 抗 RS 性能分析 ....................................... 35

§3.5 本章总结 ................................................. 35

第一章绪论

第四章基于图像像素块差值隐写算法 .................................. 36

§4.1 算法原理 ................................................. 36

§4.2 嵌入过程 ................................................. 38

§4.3 提取过程 ................................................. 39

§4.4 实验结果及性能分析 ....................................... 40

§4.4.1 嵌入性能分析 ........................................ 40

§4.4.2 抗 RS 性能分析 ....................................... 42

§4.5 本章总结 ................................................. 43

第五章总结 ......................................................... 44

参考文献 ............................................................ 46

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 51

一、论文 ........................................................ 51

二、科研项目 .................................................... 51

致谢 ................................................................ 52

第一章绪论

§1.1 研究背景

现代信息产业的发展，以及计算机多媒体技术和网络技术的飞速发展，使得互

联网成为了最普遍的传送信息的渠道。普遍来说，在互联网上传输的信息一般以

文本、数字图片、视频和音像等多媒体信息为主。每天在国际互联网上传送的多

媒体信息中，这些信息就占据了国际互联网流量的绝大部分。尽管在互联网上传

输这些信息很方便，人们很容易就能获取到这些信息，但同样，这些信息也很容

易被一些非法获得者盗用或者被一些冒名者用于一些非法途径。有相当一部分对

国家、企业甚至个人非常重要的私密信息是通过互联网传送的，这些信息有可能

是文件、图片、音频或者视频等多媒体信息。现代国防、军事、科技的发展也对

信息传输的安全性提出了挑战。国防、军事、科技的发展是关系国计民生的大事，

如何防止这些保密信息不被敌对国或者别有用心的人获取，被非法利用，并保证

这些信息在传输过程中的安全，是一项艰巨的任务，但更重要的是，信息安全保

密者首先要解决的是，如何能够从技术上做到不让未经授权的第三方提取和破坏

需要保密的信息。

一直以来，人们一般采用对信息加密来实现信息的安全。加密技术是最常用

的安全保密手段，但是采用传统的加密体系，不论是采用公钥还是私钥的加密系

统，都是把要隐藏的秘密消息加密成表面看上去没有什么含义的文字或者字母，

使得那些非法获得者无法看懂或者读懂要传输的秘密消息，从而实现传递或者隐

藏秘密消息的目的。但是这种隐藏消息的技术也有很多的缺点，其中一个最大的

缺陷是：传统意义上的加密系统是把秘密信息转化为别人看不懂的文字或者是一

堆乱码，从一定意义上讲，它很明白的告诉那些非法目的的人，要隐藏的是那些

信息，从而引起那些非法截获者的好奇和警觉，从而使得加密的信息遭受攻击和

破坏。随着现代科学技术的快速发展，计算机软件和硬件发展越发成熟，利用计

算机技术实现加密技术的破解也并非不可能，加密算法的安全性也并不能保证信

息的一定安全，也有一些版权保护采用加密技术，但是这种技术并不能从根本上

解决版权保护问题，因为一旦加密的数据被破解，解密者就可以对数据进行完全

控制，任意的进行复制和传播，这是加密技术的另一个潜在缺点。

为了避免出现密码技术的上述缺点，近些年来，国际上开始提出了一种信息

安全的新的技术——信息隐藏技术，该技术不同于传统意义上的密码学技术。密

码学技术要隐藏的是秘密本身，不在乎告诉非法拦截者秘密消息存在的事实，而

信息隐藏技术则注重于隐藏秘密消息存在的这个事实，将加密的信息隐藏于那些

自适应图像隐写技术

普通的文件中，这些文件与网络中正常传输的没有加密信息的文件看起来没有任

何的区别，从而混淆那些非法拦截者的视听，以至于不能区分究竟那些文件隐藏

有秘密信息，大大降低被攻击和破坏的概率，达到传递秘密消息的目的。

§1.2 研究现状

现代的信息隐藏技术来源于古老的隐写术[1]，其历史可追溯到古希腊。历史

记载的古希腊战争中，就曾有奴隶主利用奴隶来传递军事情报，在剃光了头发的

奴隶头皮上刺伤秘密消息，等头发长长了掩盖住消息，然后再派奴隶出去传递秘

密消息。

在我国古代的文化历史当中，也曾出现过以藏头诗、藏尾诗以及绘画等隐藏

一些消息的。比如我国四大名著的《水浒传》，就利用藏头诗，口占四句卦歌：

“路花丛中一扁舟，俊杰俄从此地游。

义士若能知此理，反躬难逃可无忧。”

其中每句话的第一个字组成“卢俊义反”四字，广为散播，利用卢俊义害怕

“血光之灾”的惶恐心理，“智多星”吴用和宋江成功的把卢俊义逼上了梁山。

关于隐写术的应用，现代也有一个真实的应用实例[2]，发生在八十年代撒切

尔夫人执政的英国。因为机密文件被泄露，而又不知道具体是那位内阁大臣泄露

的，撒切尔夫人就利用隐写原理，将不同的序列号隐藏在相同的文件内容当中，

发给每个人，因为序列码是唯一的，通过这种方法，最终发现了泄露秘密的大臣。

这跟在电子出版物中嵌入的隐写标记相类似。

“隐写术(Steganography)”在古希腊语中就是“隐藏的图形”的意思，事实

上，这个词就是来源于“隐藏”和“图像”这两个词语的结合，它的使用，可以

说标志着信息隐藏历史的正式开始。虽然"隐写术"与"密码术(Cryptography)"都是

信息保密的技术，但是他们隐藏信息的目的却并不完全相同，对于“密码术”来

说，加密的目的主要是为了给秘密信息上一把“锁”，只有授权者才有“钥匙”，

能够看到加密的信息，而非授权者虽然能够看到这把“锁”的存在，没有“钥匙”

也不能读取加密的信息。而“隐写术”的目的却在于隐藏这把“锁”的存在，以

至于非授权者不知道究竟有没有秘密信息的存在。现代的信息隐藏技术，相对于

密码学来说，不限制对载体对象的存取和访问，而主要致力于对载体对象中隐藏

的秘密信息的安全保密性。

隐写术在上世纪九十年代得到了快速的发展，主要是通过网络上传输的一些

数字媒体，比如图像、视频、音频等文件，将秘密信息隐藏于这些多媒体信息中，

实现隐秘信息的传输。隐写技术与数字水印技术是信息隐藏技术的两个主要分支，

但它们的侧重点却有所不同，隐写技术注重于隐藏消息存在的事实，对安全性要

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摘要：

摘要自适应图像隐写利用图像本身的纹理特性和人眼视觉的感官性，在不影响人视觉的前提下，在图像纹理丰富的区域也即人眼视觉不敏感的区域嵌入大量的信息，在图像平坦的区域也即人眼视觉敏感的区域不嵌或者尽量少嵌入信息。本文在研究现有的自适应图像隐写算法的基础上，提出了本文的自适应隐写算法，并对算法做进一步分析，主要提出的算法包括如下几个方面：二值图像可以隐藏信息，在二值图像黑白交替的边缘区域嵌入秘密信息，不容易引起人眼视觉上的异常。灰度图像可以多个位平面分割，每个平面都可以看做二值图像，再结合矩阵编码提出一种灰度图像的双层隐写算法，第一层嵌入在灰度图像的位平面利用二值图像隐藏信息的方法，第二层嵌入则对灰度...

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