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一种基于LSB的图像信息隐藏算法
作者：魏佳圆 周诠
来源：《现代电子技术》2013年第17期
摘 要： 分析了压缩算法以及LSB算法对图像的影响，发现压缩效果存在块差异，因此，隐藏在图像中的秘密信息在图像有损压缩后，不同分块中的提取效果也是存在好坏差别，利用这种差别，提出一种图像信息隐藏新算法，即把秘密信息嵌入在抗压缩性能较好的分块上，从而实现具有一定抗压缩性能的空域信息隐藏算法。仿真实验证明：算法不仅嵌入提取简单，对JPEG和JPEG 2000具有一定抵抗性，而且算法嵌入容量大，能满足大图像中嵌入小图像的需求。
关键字： 信息隐藏； 图像； 抗压缩算法； LSB
中图分类号： TN919.8?34； TP918.91 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）17?0075?03 0 引 言
信息隐藏技术是将秘密信息隐藏在公开的宿主信号中，且不影响宿主信号的感觉效果和使用价值的一种数据保护手段[1]。数字图像由于其冗余空间大，是目前使用最多的信息隐藏载体，信息隐藏算法主要有基于变换域和基于空域的。空间域算法是直接改变图像元素的值[2?3]，具有算法简便，信息隐藏容量大，信息嵌入和提取速度快等特点；变换域算法是利用某种数学变换[4?5]，将图像用频域表示，通过更改图像的某些变换域系数来加入待隐藏信息，再利用反变换来生成隐藏有其他信息的图像的隐藏方式，其特点是隐蔽性好，但是嵌入信息量小、算法复杂、嵌入和提取信息速度较慢[6]。所以，变换域方法一般用于水印信息的嵌入而空间域方法则多用于机密信息的通信。
LSB（Least Significant Bit） 是最典型的空间域算法，利用图像的最低有效位来嵌入秘密信息。该算法实现简单，隐藏容量大，有很好的不可感知性，近年来，也出现了针对不同需求的LSB改进算法。文献[7]是对安全性能上的改进算法，文献[8]改进了LSB算法的嵌入容量。本文讨论的是算法的抗压缩性能，主要针对图像压缩中常见的JPEG和JPEG 2000算法，之前一些研究人员也做过类似的工作，文献[9]中提出的MSB算法，把原先需要8位表示的256色图像量化到需要7位来表示的128色图像，剩余的那位（高位）作为冗余空间来存储隐藏信息，这种方法解决了压缩等鲁棒问题，但图像的质量不高，文献[10]则是把空间域算法和变换域算法相结合，提出频域LSB定义，文章利用频域的最低有效位来隐藏信息，这种算法提高了鲁棒性能，但其隐藏容量较小。本文在考虑容量的基础上提出了基于分块隐藏的LSB算法，该算法利用不同分块之间错误分布的差异，把秘密信息隐藏在抗压性能表现好的分块上，从而实现了秘密信息的正确提取，同时，由于嵌入位选择在不重要的位平面上，隐藏后图像质量依然很好，算法的不可见性能良好。
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1 图像压缩前后的块效应分析
传统LSB算法是把信息隐藏在载体最低位，采用直接替换或者秘密信息调制的方式进行嵌入，含密图像一旦经过压缩解压，图像的最低位极易发生变化，也就是说秘密信息将被损坏，图1给出隐藏在第4位平面时算法经过JPEG 2000压缩后提取秘密信息图像情况，可以看出，算法在3倍压缩时已不能识别出秘密信息。
提取秘密信息图像情况为保证秘密信息在压缩后能够正确的提取，分析图像压缩前后的变化有如下结论：
（1）一定压缩倍数下，像素点的误差大都分布在0值的两侧，图2为Lena图像经过Q=85的JPEG压缩（压缩倍数为5.82）时的误差分布曲线。图中可以计算出错误值在[-3，3]内的像素点个数达到总像素点的83%，即大部分像素点的误差值较小。
（2）图像压缩前后存在不同的错误效果，即同一幅图像，不同块中的错误情况各有不同，图3为在Q=85的JPEG压缩后，不同8×8分块中的错误个数，可以看出，有的分块在压缩后错误少，甚至没有错误，有的错误个数则较多。 2 提出的算法 3 实验结果及讨论
由以上实验结果可知，本文算法在灰度载体图像上可嵌入多种不同大小的秘密信息图像，算法可依据秘密信息的大小调整嵌入参数，含密图像在经过JPEG和JPEG 2000压缩后，秘密信息可以较好的恢复。 4 结 语
空域算法是目前广泛用于隐蔽通信中的隐藏算法，LSB更是空域算法中最为常见的算法，其主要不足就是算法的鲁棒性差。因为图像本身含有大量冗余，所以图像一般经过压缩后进行传输，本文对图像中最常用的压缩算法JPEG和JPEG 2000进行分析，发现在压缩前后图像的块差异，根据这一特征，选取在压缩中变化较小的分块来隐藏信息，从而使算法对有损压缩具有一定的抗压缩性。实验结果表明，本文算法在保证一定容量的前提下，可以实现图像在JPEG和JPEG 2000压缩下较好地提取秘密信息，可应用于隐秘通信。 参考文献
[1] 王也隽.信息隐藏技术及其军事应用[M].北京：国防工业出版社，2011.
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[2] KEKRE H B， MISHRA D， KHANNA R， et al. Comparison between the basic LSB replacement technique and increased capacity of information hiding in LSB’s method for images [J]. International Journal of Computer Applications， 2012， 45（1）： 33?38.
[3] 王丽娜，郭迟，李鹏.信息隐藏技术试验教程[M].武汉：武汉大学出版社，2004. [4] MILLER M L， DOERR G J， COX I J. Applying informed coding and embedding to design a robust high?capacity watermark [J]. IEEE Transactions on Image Processing， 2004， 13（6）： 792?807.
[5] COX I J， KILIAN J， LEIGHTON F T， et al. Secure spread spectrum watermarking for multimedia [J]. IEEE Transactions on Image Processing， 1997， 6（12）： 1673?1687. [6] 谢建全，阳春华，黄大足，等.一种大容量的DCT域信息隐藏算法[J].中国图象图形学报，2009，14（8）：1542?1546.
[7] 刘红翼，王继军，韦月琼，等.一种基于LSB 的数字图像信息隐藏算法[J].计算机科学，2008（11）：100?102.
[8] 李钢，张国良，张仁斌.一种基于分块大容量的LSB算法[J].合肥工业大学学报：自然科学版，2006（6）：707?711.
[9] 任志斌，隋永新，杨英慧，等.以图像为载体的最大意义位（MSB）信息隐藏技术的研究[J].光学精密工程，2002（4）：182?187.
[10] 胡东，刘晓云.使用频域LSB水印算法的鲁棒性分析[J].电子科技大学学报，2006（10）：770?773.
作者简介：魏佳圆 女，1988年出生，陕西西安人，硕士。研究方向为通信与信息处理、信息安全。