一種基于ＲＧＢ分量排序的索引替代信息隱藏算法

摘要：提出了一種基于調色板圖像的信息隱藏算法。該算法根據人眼視錐細胞對不同顏色分量的敏感度不同，通過對調色板顏色分量進行三次排序，得到最接近的像素顏色集及顏色孤立像素集，在像素顏色極為接近的集合中利用像素索引的最低有效位與嵌入比特位的一致性進行顏色替代來實現對信息的隱藏。分析了該算法的安全性及信息隱藏量。通過實驗可看到在GIF圖片中隱藏信息后人眼無法察覺，具有良好的隱蔽性。

關鍵詞：信息隱藏；調色板圖像；RGB分量；像素索引；顏色孤立像素

中圖分類號：TP391文獻標志碼：A

文章編號：1001－3695(2007)05－0312－02

在古代，希臘人將秘密的消息文刺在剃光頭發的頭皮上，再等頭發長起來后蓋住密文來達到消息的秘密傳遞；到了二戰期間，使用隱寫墨水等工具（如米粥）來書寫密文，再用碘酒顯示秘密信息[1]；再到2001年，恐怖分子利用在圖片中隱藏要傳遞的秘密信息來策劃并制造了“911”恐怖事件[2]，可見信息隱藏技術歷來就是實現保密通信的重要手段。現在信息隱藏技術的發展不但有特定的隱藏和提取算法，而且已經囊括了數據壓縮、密碼學、圖形圖像處理等技術。但信息隱藏技術使用的安全性受到使用者、載體和隱藏算法的制約。目前廣泛選擇將基于調色板的圖片作為隱藏載體，該圖片所占空間較小，可以在很多環境下使用，本文所介紹的算法采用GIF圖片作為載體。

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調色板圖像主要由調色板和圖像像素索引構成，圖像像素索引是一個指向調色板的指針?？梢酝ㄟ^修改調色板圖像的調色板、調色板和索引以及像素索引來達到信息隱藏的目的。

基于調色板圖像的具體信息隱藏算法主要有傳統的修改圖像最低有效位（LSB）算法、最高有效位（MSB）算法、利用像素的統計特性將信息隱藏到亮度值中的算法、EZ Stego所采用的修改索引LSB的算法以及Fridrich所提出的算法等。這些算法各有優缺點，其中傳統的修改圖像最低有效位（LSB）算法已經能夠檢測，因此已無安全性可言[3]；對于MSB的算法因為最高有效位包含了顏色的主要信息，所以該算法容易引起圖像較大失真[4]。

1EZ Stego與Fridrich算法

在EZ Stego算法中，首先是根據亮度式（1）對調色板排序，這樣就有了一個排好序的調色板和一個原始的調色板。在排好序的調色板中找到一個指向新顏色的索引，從要隱藏的二進制比特流中選擇一位替換掉索引的LSB位。然后，在排好序的調色板中尋找被替換掉LSB位的索引所指向的新的顏色。最后在原始的調色板中找到新顏色的索引，并用該新的索引代替原來的索引。

(2) 還可能存在對于某些顏色相對孤立的像素，其RGB距離與其他像素差距很大，這種情況下找一個RGB距離最近的顏色來代替當前像素對圖像的質量會產生較大的影響。

(3) 在RGB距離差距最小的的集合中尋找與要嵌入的比特奇偶性相一致的像素時，將計算每一個顏色（R+G+B mod 2），其計算量較大。基于上述存在的問題，本文提出了改進的信息隱藏算法。

2新的基于RGB分量排序的索引替代算法

新的算法首先根據亮度對調色板排序，并確定顏色孤立點像素。對每一個像素根據RGB距離對調色板進行排序，然后再依據RGB的紅色分量進行排序（在RGB距離排序的前提下R分量距離越小則認為顏色越接近），再按G分量排序。具體步驟如下：

3分析

使用EZ Stego算法僅根據亮度對調色板進行排序，然后用相鄰的顏色替代當前的顏色，然而在根據亮度排好序的調色板中亮度接近的顏色其顏色并不一定接近，所以算法實現容易出現較大失真。在本文中所提出的技術，在基于亮度排好序的調色板的基礎上，找出了顏色相對孤立的像素；又依據顏色分量距離公式進行排序，最后再根據顏色分量進行排序，充分遵從了人眼的視覺特性，因而嵌入信息后圖片保真度優于EZ Stego和Fridrich算法。在嵌入的信息容量方面，當不存在顏色孤立像素時，由于每個像素的索引的最低位只能代表一位嵌入信息，所以嵌入的信息容量小于或等于圖片像素的數量。在安全性方面，由于在對調色板排序過程中找出了顏色孤立的像素，相互替換的顏色也更為接近，因而對圖像顏色的更改的差量更小，其安全性優于EZ Stego。在算法時間復雜度方面，當嵌入和提取一個比特位時不需要計算每個顏色的奇偶性，僅需要計算索引的最低位，這一點優于Fridrich算法。

4實驗

本文所提出的算法用VC++6.0實現，直方圖由Photoshop生成。筆者收集了200幅圖片進行測試，其中100幅是網絡上下載的圖片，100幅為數碼攝像機所拍攝，經由格式轉換為GIF格式的圖片。限于篇幅，這里以騰訊QQ的圖像作為例子，圖1為載體圖片，圖2為載密圖片，圖3、4分別為載體圖像和載密圖像的直方圖。

從圖1、2的對比觀察，人眼根本看不出有何差別?？梢娫撍惴◣缀醪皇д?，保密性好。分析圖3、4可知，載體圖像和載密圖像在統計上沒有明顯變化，統計檢測對該算法無效。

5結束語

本文提出了一種新的基于顏色分量排序的索引替代算法，不同于傳統的LSB算法，也不同于EZ Stego算法，引入了Fridrich算法中的依據向量距離對調色板進行排序的思想并對其擴展，因而具有EZ Stego所不可比擬的優越性。該算法的主要優勢在于：①使用該算法圖片嵌入信息后失真度??；②算法使用的是基于像素索引的替代，傳統的針對LSB的檢測算法和統計算法無法檢測，安全性較高；③嵌入和提取比特位時無需計算每個像素的奇偶性，從而提高了嵌入和提取的速度。該算法的其他特性及如何進一步將像素顏色的每一個分量都嵌入信息還需要作更進一步的研究。 

參考文獻：

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[2]CAPT J， JACKSON T.Blind steganography detection using a computational immune system approach:a proposal[EB/OL].[2006－03－03].http:// www.csa.syr.edu/Jacob_Jackson.ppt.

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[7]楊成，楊義先，蔡滿春，有效的調色板圖像水印算法[J].中山大學學報，2004，43(2):128－131.

[8]色彩視覺原理及色彩設備對顏色的影響[EB/OL].[2006－03－03].http://www.cndgn.cn/design/print/Article_Show.asp?Article ID =42.

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文”