基于數字圖像的信息隱藏技術探究

任師遷

（河南大學計算機與信息工程學院，河南開封,475004）

0 引言

隨著網絡技術的快速發展，互聯網成為當今社會最為重要的信息傳送渠道，各種形式的多媒體數字作品紛紛以網絡形式傳送和發表。互聯網在為人們帶來巨大方便的同時，也帶來了了風險與隱患。盜版活動日益猖獗，產權保護問題和個人信息的保密成為信息安全行業首要解決的問題。

信息安全系統的意義在于保持信息的保密性、完整性和真實性。傳統信息安全的主要研究領域是信息加密技術。信息加密的主要思想是隱藏信息的內容，使非法攔截者不能輕松獲取機密信息，以達到信息安全的目的，但它在保護版權及個人隱私信息方面存在致命弱點。一方面，看似不可識別的密文也容易在信息傳遞過程中被截獲，即使不能被破解，也能破壞和干擾信息傳遞的過程。另一方面，加密的作用范圍僅僅存在于傳輸過程中，當接收者接收到加密信息并將之解密后，機密信息將變得完全透明，與普通文檔無異。也就是說，當數字作品一旦被接收者解密后，信息加密也將失去其對數字作品的保護作用。

信息隱藏是一種嶄新的信息安全技術，它有別于傳統的信息加密技術，利用載體信息中具有隨機特性的冗余部分，將機密信息嵌入到某一公開信息中，隱藏其存在性，進而通過公開信息的傳輸來傳遞機密信息，使監測者和非法攔截者難以察覺。

1 基于數字圖像的信息隱藏技術綜述

1.1 基于數字圖像的信息隱藏技術概念

基于數字圖像的信息隱藏技術的實現是利用數字圖像的數據冗余。信息隱藏的原理是利用人類的視覺感知系統在不同背景下會受到不同的影響，當背景較強時，如果疊加信息的信號較弱且低于對比度門限，則人類視覺無法感覺到疊加的信息。

信息隱藏系統的一般化模型如圖1所示

圖1 信息隱藏系統模型

圖2 所示為信息隱藏系統模型。信息隱藏者首先通過嵌入密鑰將需要隱藏的嵌入對象藏入掩體對象中，接收方收到包含嵌入對象的信息后，再利用相應的算法和密鑰，從中提取還原嵌入對象。

1.2 圖像信息隱藏技術的分類

1996年倫敦會議上，對信息隱藏技術的術語進行了統一和規范，提出了信息隱藏科學的框架和分支，如圖2所示，并對術語給出了相應的解釋。

圖2 信息隱藏技術分類

信息隱藏的四個主要分支包括：隱寫術(Steganography)、掩蔽信道(Covert Channels)、數字水印（Copyright Marking）和匿名技術（Anonymity）。

在信息隱藏技術的分支中，應用最廣泛的兩個技術是隱寫術和數字水印技術。隱寫術主要是為了隱藏實際存在的機密信息，側重于利用掩體來隱藏機密信息，一般分為基于語義的隱寫和基于技術的隱寫。數字水印技術是保護版權信息的有效手段，通過向數字作品中嵌入版權信息來保證數字作品不被非法復制或盜版。

2 基于矢量量化的信息隱藏技術

由于原始圖像在藏入機密信息后會使得數據量增大而不利于傳輸，近年來，國內外諸多學者都把研究的重心聚焦到壓縮領域機密信息的嵌入。這是因為壓縮后的數字圖像不僅能夠藏入秘密信息，還能夠縮短數據在網絡中傳送的時間、減少存儲空間。但是，和沒有壓縮的圖片相比，壓縮后的圖片更難以藏入信息。矢量量化編碼（Vector Quantization）是一種基于區塊的壓縮方法，該方法對空間中的每一個矢量進行矢量量化，只傳輸或存儲該矢量的索引值，因此該方法與傳統的信息隱藏方法相比能夠達到更高的壓縮率，同時節約了存儲空間。圖3給出了VQ編碼和解碼的過程。

圖3 VQ編碼和解碼過程

在編碼前，原始圖像被分成了不重復的區塊，每個區塊大小都是r×l像素，所以每一個區塊都能用r×l像素的空間向量表示。VQ基本方法就是用一個從r×l像素的歐幾里得空間到它的有限子集的映射函數Q來關聯每一個區塊，并且以此來建立一個碼書。

在VQ的編碼過程中，計算出原圖像中每一個向量X到碼書中的編碼Y i的最小歐幾里得距離，計算公式如下。

上述公式中，Xj ，Yi,j分別是X和Yi的第j個元素，當找到對應的最小歐幾里得距離之后，索引i就用來編碼向量X。按此方法循環進行，最終原始圖像全部被索引值編碼。解碼的過程只需要查詢索引表中的索引值來重建原始圖像。VQ解碼必須使用和編碼時相同的碼書。正因為如此，碼書的優劣直接影響了VQ壓縮圖像的質量。

作為一個新興的技術，信息隱藏還有很大的發展空間。在理論方面，對信息隱藏技術的理論研究僅停留在一般性描述上，真正能夠指導信息隱藏技術實踐的理論成果并不多，且沒有統一的國際標準。在技術發展方面，如何減少嵌入算法的計算量，增強安全性都將是信息隱藏領域下一步研究急需解決的問題。

4 結論

本文介紹了基于數字圖像信息隱藏技術的研究背景、基本概念和研究現狀，并從信息隱藏技術的系統模型、基本分類入手，介紹了基本的圖像信息隱藏技術并著重介紹了基于矢量量化的信息隱藏技術。通過與傳統信息加密技術的對比，指出了圖像信息隱藏技術在信息安全領域具有更好的隱蔽性和不可識別性。文章的最后指出了圖像信息隱藏技術的發展趨勢，為后續的深入研究打下了良好的基礎。

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