宮海梅

（海南工商職業(yè)學(xué)院信息工程系，海南海口，570203）

基于不同圖層的LSB自適應(yīng)數(shù)字水印隱藏算法研究

宮海梅

（海南工商職業(yè)學(xué)院信息工程系，海南海口，570203）

針對(duì)時(shí)域的最低有效位（LSB）算法魯棒性低且抗攻擊能力弱的問(wèn)題，提出了一種時(shí)域范圍內(nèi)基于不同圖層的LSB自適應(yīng)數(shù)字水印隱藏算法，主要思想是圖像可由RGB三個(gè)顏色矩陣表示，在這三種顏色分量上，根據(jù)HVS的特性，在低位上動(dòng)態(tài)的嵌入隱藏信息，直到載體圖像所有像素點(diǎn)嵌入完畢。試驗(yàn)結(jié)果表明，該算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，嵌入、提取信息速度快，隱藏信息量大，具有很高的安全性。

空間域；最低有效位（LSB）；信息隱藏；數(shù)字水印

0　引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，人們主要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交流，網(wǎng)絡(luò)成為信息傳播的主要方式。媒體元素如文字、圖形、圖像、聲音、視頻及動(dòng)畫(huà)等很多種，其中圖像信息交流約占信息交流總量的70%，圖像交流在整個(gè)信息交流的過(guò)程中占比很高。采用何種方式對(duì)圖像進(jìn)行保密傳輸，尤其是關(guān)于企業(yè)計(jì)劃、乃至國(guó)家安全和未來(lái)發(fā)展的圖像，諸如此類(lèi)問(wèn)題是需要長(zhǎng)期研究的。

1　LSB隱藏現(xiàn)狀分析及算法提出

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外在LSB數(shù)字水印隱藏技術(shù)方面進(jìn)行了很多深入的研究，提出了許多LSB改進(jìn)算法。其中，文獻(xiàn)提出了在最低三位進(jìn)行信息隱藏，低三位是在6th、7th、8th上分別進(jìn)行的；文獻(xiàn)提出了通過(guò)一種有效的分存技術(shù)，先將秘密數(shù)字圖像進(jìn)行分解，可以得到若干圖像，然后將分解圖像隱藏到幾幅有意義的圖像中進(jìn)行傳輸，通過(guò)這種技術(shù)來(lái)保障秘密圖像的安全性；文獻(xiàn)通過(guò)對(duì)隱秘信息進(jìn)行預(yù)處理，首先置亂、加密，然后嵌入載體圖像最低位；文獻(xiàn)提出了一種亞仿射變換，對(duì)圖像進(jìn)行置亂，然后利用矩陣編碼思想來(lái)改進(jìn)圖像的嵌入方式；文獻(xiàn)提出了一種圖像隱藏算法，該方法是基于可逆矩陣乘法的，對(duì)秘密圖像進(jìn)行置亂，然后進(jìn)行隱藏；文獻(xiàn)提出了采用預(yù)置亂，用Arnold變換對(duì)秘密信息進(jìn)行置亂，然后進(jìn)行信息嵌入，嵌入過(guò)程中，調(diào)整載體信息最低兩個(gè)比特位，最后用邏輯運(yùn)算實(shí)現(xiàn)信息隱藏；文獻(xiàn)采用預(yù)先匹配方法，若匹配失敗再替換的原則，將秘密信息連續(xù)兩位分別依次隱藏于載體圖像中最低四位的兩位上；文獻(xiàn)提出了一種基于圖像向量索引奇偶性的新的置亂算法，首先進(jìn)行置亂再進(jìn)行信息隱藏，以上算法大多通過(guò)改變隱藏信息的最低位置、置亂、加密、來(lái)提高信息隱藏性能。

鑒此，本文提出了一種時(shí)域范圍內(nèi)的基于不同圖層的LSB自適應(yīng)數(shù)字水印隱藏法，主要思想是圖像可由RGB三個(gè)顏色矩陣表示，可以在這三種顏色分量上，根據(jù)HVS的特性，在低位上動(dòng)態(tài)的嵌入隱藏信息，直到載體圖像所有像素點(diǎn)嵌入完畢。嵌入信息不固定在最低位，本身就將信息置亂了，當(dāng)載體圖像足夠大時(shí)，數(shù)字水印的隱蔽信息可以被冗余嵌入，提高抗攻擊能力。

2　基于不同圖層的LSB自適應(yīng)數(shù)字水印隱藏算法

進(jìn)行信息隱藏過(guò)程中，以圖像作為隱蔽信息的載體時(shí)，可以理解為在強(qiáng)背景(載體圖像)下附加一個(gè)弱信號(hào)(秘密信息)，這個(gè)附加的弱信號(hào)需要滿足某個(gè)條件，即需要低于某個(gè)對(duì)比度門(mén)限，只有這樣視覺(jué)系統(tǒng)才能無(wú)法感知到信號(hào)的存在。在具體實(shí)踐過(guò)程中，根據(jù) HVS的對(duì)比度特性，該門(mén)限值受多種因素影響，如背景的照度、背景的紋理復(fù)雜性以及信號(hào)頻率等。背景越亮，紋理越復(fù)雜(或者說(shuō)邊緣豐富)，門(mén)限就越高，這類(lèi)現(xiàn)象稱為亮度掩蔽和紋理掩蔽。

在文獻(xiàn)中，設(shè)背景的照度為I，假設(shè)在背景照度為均勻的情況下，則人眼恰好能夠識(shí)別物體需要的背景照度為I+△I。其中，△I的大小約等于0.02×I。根據(jù)HVS特性，做進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，△I與 I 的關(guān)系更接近指數(shù)關(guān)系，他們具體的關(guān)系如下：

其中，I0為對(duì)比度門(mén)限，當(dāng)取I=0時(shí)的值，a為常數(shù)，取值范圍為∈(0.6, 0.7)。

設(shè)y為載體圖像低位隱藏信息的位數(shù)，根據(jù)以上結(jié)論，y的取值基本滿足視覺(jué)系統(tǒng)需求，取值為常數(shù)，4～5時(shí)就可以需求。

以上是理論基礎(chǔ)，同時(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，故本算法載體圖像低位隱藏信息的有效位數(shù)取低四位，在該范圍內(nèi)進(jìn)行動(dòng)態(tài)嵌入隱藏信息。

具體算法如下：設(shè)圖像每個(gè)像素RGB三種顏色分量分別為（ri，gi，bi），其中，i= 7,6……0，將秘密圖像依次嵌入到載體圖像的每個(gè)像素點(diǎn)RGB三個(gè)圖層中，信息在每一圖層中進(jìn)行單獨(dú)嵌入處理。首先對(duì)紅色圖層分量進(jìn)行處理，假設(shè)圖像某一像素點(diǎn)的紅色圖層由高位到低位的排列順序?yàn)?r7,r6,r5,r4,r3,r2,r1,r0)，從低四位起從高位到低位逐位進(jìn)行檢查，當(dāng)?shù)趚（x小于或等于4）位不為0時(shí)，則從第x-1位開(kāi)始嵌入信息，一直嵌到最低位。處理完該像素點(diǎn)的紅色圖層分量后，再處理該像素點(diǎn)的綠色圖層和藍(lán)色圖層。處理完這一像素點(diǎn)后，再用同樣方法處理下一個(gè)像素點(diǎn)，總之，依次分別對(duì)紅色圖層、綠色圖層及藍(lán)色圖層自低四位起從高位到低位逐位進(jìn)行秘密圖像嵌入處理，直到所有像素點(diǎn)處理完畢。

3　試驗(yàn)與分析

在本文中，載體圖像采用了以512×512×24的原始 Lena圖像為載體進(jìn)行試驗(yàn)，秘密圖像是231×21×24 BMP 格式“中華人民共和國(guó)成立”的圖像。其中以下圖像分別為L(zhǎng)ena原圖像，即載體圖像； BMP 格式的秘密圖像；隱藏后的圖像；檢測(cè)提取的秘密圖像。

圖像隱藏性能主要有三個(gè)技術(shù)指標(biāo)衡量，分別是隱蔽性、隱藏容量和魯棒性。這三個(gè)指標(biāo)具有矛盾性，不能同時(shí)取最優(yōu)，一般而言，重要性排序?yàn)榘踩?、容量、魯棒性，本文分別從以上三個(gè)方面進(jìn)行分析。

1)安全性分析。對(duì)載體圖像和隱藏后的圖像進(jìn)行比較分析，可以發(fā)現(xiàn)載密圖像與原載體圖像在視覺(jué)上沒(méi)有變化，沒(méi)有造成畫(huà)面質(zhì)量的明顯下降，視覺(jué)系統(tǒng)無(wú)法感知到信號(hào)的存在。為了對(duì)圖像的隱藏效果進(jìn)行分析，采用了峰值信噪比（PSNR），PSNR是一種比較接近人眼視覺(jué)效果的評(píng)價(jià)，用來(lái)衡量載體圖像C和秘密圖像M之間的保真度，PSNR越高說(shuō)明算法性能越好，運(yùn)算按照如下公式（2）進(jìn)行計(jì)算（2）

2)該空間域的基于不同圖層的LSB自適應(yīng)數(shù)字水印隱藏算法，在低四位上動(dòng)態(tài)的嵌入隱藏信息，圖像隱藏量大，嵌入隱蔽信息時(shí)信息可以被冗余嵌入，便于準(zhǔn)確提取水印化的秘密信息。隱藏位數(shù)和信息隱藏比的關(guān)系，傳統(tǒng)算法8bit位，隱藏1bit信息，信息隱藏比為0.125，該算法一個(gè)像素點(diǎn)最少可以隱藏3bit信息隱藏比為0.375，隱藏量大。

3)對(duì)隱藏后的圖像加入高斯白噪聲、泊松噪聲攻擊。本文算法仍能提取信息，而采用傳統(tǒng)LSB算法時(shí)，對(duì)圖像進(jìn)行高斯白噪聲、泊松噪聲攻擊時(shí)，基本檢測(cè)不到隱藏的信息，算法魯棒性比傳統(tǒng)LSB算法好。

下圖展示了圖像經(jīng)過(guò)無(wú)噪聲、有高斯噪聲和泊松噪聲攻擊后本文算法與傳統(tǒng)LSB算法比較。通過(guò)圖形可以看出本文算法優(yōu)于傳統(tǒng)LSB算法。

圖像經(jīng)過(guò)噪聲攻擊PSNR比較圖

4　結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)圖像低4bit是冗余空間，圖像矩陣的每個(gè)像素值去掉低4bit，仍能滿足人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)的需求，在低四位上動(dòng)態(tài)嵌入信息。根據(jù)以上研究提出了一種基于不同圖層的LSB自適應(yīng)數(shù)字水印隱藏算法，試驗(yàn)證明該算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，嵌入、提取信息速度快，隱藏信息量大，具有很高的安全性。

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Research on LSB adaptive digital watermarking algorithm based on different layers

Gong Haimei
(Department of information Engineering, Hainan Technology And Business College,Hainan Haikou，570203)

The least significant bit(LSB) algorithm in the spatial domain has low robustness and weak anti attack ability.A LSB adaptive digital watermarking algorithm based on different layers in spatial domain is proposed,The main idea is that the image can be represented by RGB three color matrix,in these three kinds of color components,According to the characteristics of HVS,Hidden information can be embedded dynamically in the low position.Until all the pixels of the cover image are embedded,Experimental results show that the algorithm is simple,can hide large amount of information and has high security.

spatial domain;least significant bit (LSB);information hiding;digital watermarking

TP391

A

宮海梅(1983—)，女，漢族，山東威海人，通信與信息系統(tǒng)碩士。海南工商職業(yè)學(xué)院講師。主要研究方向：移動(dòng)通信、通信與信息系統(tǒng)、圖像處理。