一種基于移動(dòng)終端的最佳匹配隱寫(xiě)系統(tǒng)

丁石磊，鄭紫微，楊任爾

（寧波大學(xué)通信技術(shù)研究所，浙江寧波315211）

一種基于移動(dòng)終端的最佳匹配隱寫(xiě)系統(tǒng)

丁石磊，鄭紫微，楊任爾

（寧波大學(xué)通信技術(shù)研究所，浙江寧波315211）

針對(duì)移動(dòng)智能終端信息傳遞中存在的安全性問(wèn)題，提出一種基于最小直方圖失真（LHA）的匹配隱寫(xiě)方案（M-LHA），并設(shè)計(jì)一種基于Android移動(dòng)平臺(tái)的信息隱藏系統(tǒng)。M-LHA隱寫(xiě)算法采用置換的方式對(duì)秘密信息進(jìn)行預(yù)處理，選擇與載體圖像最佳匹配的置換方案實(shí)現(xiàn)隱寫(xiě)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，相比傳統(tǒng)的LHA算法，M-LHA算法具有更好的相對(duì)熵以及更穩(wěn)定的直方圖分布，能有效提高隱寫(xiě)系統(tǒng)的不可感知性。設(shè)計(jì)的信息隱藏系統(tǒng)可滿足終端用戶的安全需求。

信息隱藏；移動(dòng)終端；最小直方圖失真；置換算法；相對(duì)熵

1 概述

現(xiàn)代科技水平的快速發(fā)展推動(dòng)著移動(dòng)終端設(shè)備的不斷更迭，智能手機(jī)已逐漸替代傳統(tǒng)功能機(jī)而成為大眾消費(fèi)者的標(biāo)準(zhǔn)化移動(dòng)設(shè)備，人們對(duì)智能手機(jī)的需求已不僅是通訊功能的使用，更多的是與互聯(lián)網(wǎng)的無(wú)縫接入［1］來(lái)實(shí)現(xiàn)生活和工作中的業(yè)務(wù)需求，應(yīng)用范圍甚至已經(jīng)擴(kuò)展到工業(yè)和旅游等領(lǐng)域［2］。目前，智能手機(jī)的操作系統(tǒng)主要集中在谷歌的Android、蘋(píng)果的iOS以及微軟的W indow s Phone等，其中Android因其開(kāi)放性和豐富的硬件選擇，使其在國(guó)內(nèi)外智能手機(jī)市場(chǎng)上擁有最龐大的占有率，具有無(wú)限廣闊的發(fā)展前景［3］。

然而，由于Android系統(tǒng)的開(kāi)源性，在有效降低了開(kāi)發(fā)成本和難度［4］的同時(shí)，也帶來(lái)了信息傳輸?shù)陌踩[患，系統(tǒng)的開(kāi)源使得攻擊者比較容易破解管理員權(quán)限，從而攔截用戶傳送的消息或者通話的記錄等［5］，這就帶動(dòng)著用戶對(duì)于信息傳輸?shù)陌踩Ｗo(hù)功能的迫切需求，信息隱藏正是信息安全傳輸?shù)囊环N方式。

信息隱藏技術(shù)是將秘密信息通過(guò)算法嵌入到公共載體（如視頻、音頻、圖像等）中，再通過(guò)傳輸通道傳遞給接收方［6］。與傳統(tǒng)的信息加密傳輸相比，信息隱藏技術(shù)的側(cè)重點(diǎn)在于秘密信息的不可感知性［7］，即以不引起第三方的注意（包括感官上和信息統(tǒng)計(jì)分析上）為目的來(lái)傳輸秘密信息。

圖像隱寫(xiě)算法大致可分為空域隱寫(xiě)算法［8］和頻域隱寫(xiě)算法［9］。頻域算法一般是通過(guò)DCT或DW T等數(shù)學(xué)變換的方法，在變換域中嵌入秘密信息，然后再逆變換成載有秘密信息的圖像，該算法具有很好的魯棒性但可嵌入容量較小，不適用于大容量的信息隱藏。空域算法是用秘密信息替換載體圖像像素的不重要位，在有效地嵌入大量的秘密信息同時(shí)還能保證人眼的不可感知性，但是一般的空域算法會(huì)影響載體圖像的統(tǒng)計(jì)直方圖，無(wú)法抵抗如Harman提出的直方圖函數(shù)質(zhì)心計(jì)算［10］、文獻(xiàn)［11］提出的λ2分析等基于直方圖的隱寫(xiě)分析算法。

本文研究的隱寫(xiě)系統(tǒng)是以圖像為公共載體的，是目前最常用的傳輸介質(zhì)［12］，先對(duì)Android智能平臺(tái)的隱寫(xiě)系統(tǒng)方案的實(shí)現(xiàn)過(guò)程給出詳細(xì)介紹，然后對(duì)M-LHA置換隱寫(xiě)算法與傳統(tǒng)LHA隱寫(xiě)算法［13］相比較，并給出詳盡的結(jié)果分析，最后介紹Android端隱寫(xiě)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與算法實(shí)現(xiàn)

本文隱寫(xiě)系統(tǒng)基于Android移動(dòng)終端平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，包括信息隱藏模塊和信息提取模塊。系統(tǒng)模塊如圖1所示。

圖1 信息嵌入流程

在信息隱藏模塊中，首先通過(guò)采集系統(tǒng)提取Android手機(jī)圖庫(kù)中的相關(guān)圖像，篩選出適合嵌入秘密信息的圖像，再通過(guò)圖像處理模塊對(duì)圖像進(jìn)行灰度化處理，然后將秘密信息進(jìn)行置換預(yù)處理，找到與載體圖像的最佳匹配值，最后將最佳匹配值的置換預(yù)處理結(jié)果通過(guò)LHA算法嵌入到載體圖像中。LHA算法是LSB隱寫(xiě)的改進(jìn)算法，該算法采用直方圖補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)LSB隱寫(xiě)前后引起的直方圖改變進(jìn)行統(tǒng)計(jì)修復(fù)。

M-LHA置換算法的詳細(xì)嵌入過(guò)程如下：

Step 1選擇秘密信息文本，轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制bit流，例：011100110110011100011010。

Step 2將二進(jìn)制比特流每8位分為一組，如此每組的對(duì)應(yīng)位取反則有28=256種組合，例如對(duì)上面字節(jié)流分組并在第1、2位取反可得到：1011001 11010011111011010。

Step 3將256種置換后的二進(jìn)制比特流分別順序嵌入到載體圖像中，計(jì)算嵌入前后圖像的直方圖改變量。

Step 4比較256個(gè)直方圖改變量，取出最小改變值，并記錄該值對(duì)應(yīng)的置換指數(shù)，例如上述的1和2。將以最小改變量嵌入的圖像做為載密圖像。

在信息提取模塊中，Android手機(jī)首先接收到載密圖像，根據(jù)密鑰進(jìn)行算法提取和信息反置換，密鑰是最佳匹配值對(duì)應(yīng)的嵌入量和置換指數(shù)，最后將二進(jìn)制字節(jié)流轉(zhuǎn)化為秘密信息文本，系統(tǒng)模塊如圖2所示。

圖2 信息提取流程

提取方法是不需要原始載體的盲提取算法，詳細(xì)提取過(guò)程如下：

Step1 選擇載密圖片，根據(jù)嵌入信息的大小取出載密圖像像素的最后一位，組成二進(jìn)制比特流，例如上述的101100111010011111011010。

Step 2根據(jù)置換指數(shù)取反各組的對(duì)應(yīng)位，例如上述的置換指數(shù)1和2，那么取反后將會(huì)得到：011100110110011100011010。

Step 3將二進(jìn)制比特流轉(zhuǎn)換成文本即為秘密信息文本。

3 結(jié)果分析與設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)隨機(jī)選擇3 000幅自然圖像作為載體，并轉(zhuǎn)換為512×512的灰度圖像，嵌入信息是隨機(jī)產(chǎn)生的英文文本，分別采用LHA和M-LHA算法對(duì)載體圖像進(jìn)行100%滿嵌入隱寫(xiě)，根據(jù)隱寫(xiě)結(jié)果比較直方圖絕對(duì)差hmod、相對(duì)熵D（P‖Q）等密寫(xiě)分析參數(shù)，詳細(xì)說(shuō)明如下：

直方圖絕對(duì)差hmod表示圖像嵌入前后直方圖的改變量，hmod的值越小，表示直方圖的改變?cè)叫。豢筛兄栽胶谩?/p>

其中，hc（n），hs（n）分別是載體圖像、載密圖像在灰度值為n的直方圖。

相對(duì)熵是用來(lái)衡量2幅圖像之間差異的標(biāo)準(zhǔn)，相對(duì)熵值越小，說(shuō)明載密圖像與原始圖像的差異性越小。

其中，p（n），q（n）分別是原始圖像和載密圖像在灰度值為n時(shí)的概率分布。

選取4幅圖像作為載體，如圖3所示，分別采用LHA和M-LHA算法隱寫(xiě)，結(jié)果如表1所示，對(duì)比數(shù)據(jù)可以看出，M-LHA隱寫(xiě)的直方圖絕對(duì)差和相對(duì)熵均遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的LHA隱寫(xiě)，說(shuō)明M-LHA算法對(duì)載體圖像直方圖的改變較小，隱寫(xiě)圖像的差異性更小，有效地提高了隱寫(xiě)系統(tǒng)的不可感知性。

圖3 實(shí)驗(yàn)圖像

表1 LHA與M-LHA的隱寫(xiě)分析

同時(shí)相對(duì)熵的降低會(huì)直接影響原始圖像的直方圖分布，圖4分別顯示了傳統(tǒng)的LHA和M-LHA隱寫(xiě)對(duì)原始圖像的直方圖影響，可以看出M-LHA隱寫(xiě)對(duì)原始圖像的像素分布影響更小，并且有著更加穩(wěn)定平滑的直方圖包絡(luò)，LHA隱寫(xiě)對(duì)像素影響的峰值接近400，而M-LHA隱寫(xiě)的峰值只有100，說(shuō)明M-LHA隱寫(xiě)不會(huì)造成圖像的某些像素集中，故M-LHA隱寫(xiě)更加接近于原始的直方圖分布，能抵抗一些基于直方圖的隱寫(xiě)分析。

圖4 隱寫(xiě)對(duì)圖像1的直方圖影響

隱寫(xiě)系統(tǒng)是在Android智能移動(dòng)終端平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的，圖5對(duì)手機(jī)圖庫(kù)中的圖像進(jìn)行選擇，再對(duì)符合嵌入條件的圖像進(jìn)行灰度化處理，選定好載體圖像進(jìn)入圖6界面。

圖5 載體圖像選擇

圖6選擇秘密信息文本分別進(jìn)行LHA隱寫(xiě)和M-LHA隱寫(xiě)，并對(duì)不同隱寫(xiě)方法進(jìn)行效果評(píng)估。圖7對(duì)接收到的載密圖像分別進(jìn)行解密算法提取，恢復(fù)出秘密信息文本。

圖6 秘密信息嵌入

圖7 秘密信息提取

4 結(jié)束語(yǔ)

直方圖的影響直接關(guān)系到一個(gè)隱寫(xiě)算法的優(yōu)良,同時(shí)直方圖的差異統(tǒng)計(jì)也是隱寫(xiě)分析的依據(jù)之一。本文研究的結(jié)果表明,基于LHA的置換算法能大幅減少對(duì)原始直方圖的改變,還擁有更好的直方圖絕對(duì)差和相對(duì)熵,可以抵抗一些基于直方圖統(tǒng)計(jì)的隱寫(xiě)分析算法,故能有效提高隱寫(xiě)系統(tǒng)的不可感知性能。另外,移動(dòng)終端隱寫(xiě)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)有著比PC端更高便攜性和傳輸多樣性等優(yōu)勢(shì),但該系統(tǒng)還有待完善,后續(xù)還將在隱寫(xiě)算法的復(fù)雜性上繼續(xù)研究,以彌補(bǔ)算法在智能終端上計(jì)算能力的不足。

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編輯 顧逸斐

A Best M atching Steganography System Based on M obile Term inal

DING Shilei，ZHENG Ziw ei，YANG Ren’er
（Institute of Communication Technology，Ningbo University，Ningbo 315211，China）

Regarding the security problem of information transm ission inmobile terminal，this paper proposes a bestmatching steganography scheme，Matching steganography scheme Least Histogram Abnormality（M-LHA）based on Least Histogram Abnormality（LHA），and amodel of information hiding system based on Android platform．M-LHA steganography preprocesses the secret information by replacementalgorithm，and selects the swap that bestmatches the carrier image for steganography．It is proven that M-LHA algorithm has better relative entropy and more stable histogram distribution in comparison with the traditional LHA steganography algorithm，which can bring the effective improvement in the imperceptibility of steganography system．The information hiding system also meets the safety requirements formobile term inal users．

information hiding；mobile term inal；Least Histogram Abnormality（LHA）；replacement algorithm；relative entropy

丁石磊，鄭紫微，楊任爾．一種基于移動(dòng)終端的最佳匹配隱寫(xiě)系統(tǒng)［J］．計(jì)算機(jī)工程，2015，41（3）：303-305，311．

英文引用格式：Ding Shilei，Zheng Ziw ei，Yang Rener．A Best M atching Steganography System Based on M obile Term inal［J］．Computer Engineering，2015，41（3）：303-305，311．

1000-3428（2015）03-0303-03

A

TP391.41

10．3969/j．issn．1000-3428．2015．03．057

國(guó)家科技重大專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目（2011ZX 03002-004-02）；浙江省杰出青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目（R1110416）；教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目（20113305110002）；寧波市科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)基金資助項(xiàng)目（2011B81002）。

丁石磊（1992-），男，碩士研究生，主研方向：信息安全；鄭紫微，教授；楊任爾，副教授。

2014-03-31

：2014-04-27E-m ail：15258230407@163．com