基于不同圖層的LSB自適應數字水印隱藏算法研究

宮海梅

（海南工商職業學院信息工程系，海南海口，570203）

基于不同圖層的LSB自適應數字水印隱藏算法研究

宮海梅

（海南工商職業學院信息工程系，海南海口，570203）

針對時域的最低有效位（LSB）算法魯棒性低且抗攻擊能力弱的問題，提出了一種時域范圍內基于不同圖層的LSB自適應數字水印隱藏算法，主要思想是圖像可由RGB三個顏色矩陣表示，在這三種顏色分量上，根據HVS的特性，在低位上動態的嵌入隱藏信息，直到載體圖像所有像素點嵌入完畢。試驗結果表明，該算法實現簡單，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；數字水印

0　引言

隨著互聯網技術的快速發展，人們主要通過網絡進行信息交流，網絡成為信息傳播的主要方式。媒體元素如文字、圖形、圖像、聲音、視頻及動畫等很多種，其中圖像信息交流約占信息交流總量的70%，圖像交流在整個信息交流的過程中占比很高。采用何種方式對圖像進行保密傳輸，尤其是關于企業計劃、乃至國家安全和未來發展的圖像，諸如此類問題是需要長期研究的。

1　LSB隱藏現狀分析及算法提出

近年來，國內外在LSB數字水印隱藏技術方面進行了很多深入的研究，提出了許多LSB改進算法。其中，文獻提出了在最低三位進行信息隱藏，低三位是在6th、7th、8th上分別進行的；文獻提出了通過一種有效的分存技術，先將秘密數字圖像進行分解，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行傳輸，通過這種技術來保障秘密圖像的安全性；文獻通過對隱秘信息進行預處理，首先置亂、加密，然后嵌入載體圖像最低位；文獻提出了一種亞仿射變換，對圖像進行置亂，然后利用矩陣編碼思想來改進圖像的嵌入方式；文獻提出了一種圖像隱藏算法，該方法是基于可逆矩陣乘法的，對秘密圖像進行置亂，然后進行隱藏；文獻提出了采用預置亂，用Arnold變換對秘密信息進行置亂，然后進行信息嵌入，嵌入過程中，調整載體信息最低兩個比特位，最后用邏輯運算實現信息隱藏；文獻采用預先匹配方法，若匹配失敗再替換的原則，將秘密信息連續兩位分別依次隱藏于載體圖像中最低四位的兩位上；文獻提出了一種基于圖像向量索引奇偶性的新的置亂算法，首先進行置亂再進行信息隱藏，以上算法大多通過改變隱藏信息的最低位置、置亂、加密、來提高信息隱藏性能。

鑒此，本文提出了一種時域范圍內的基于不同圖層的LSB自適應數字水印隱藏法，主要思想是圖像可由RGB三個顏色矩陣表示，可以在這三種顏色分量上，根據HVS的特性，在低位上動態的嵌入隱藏信息，直到載體圖像所有像素點嵌入完畢。嵌入信息不固定在最低位，本身就將信息置亂了，當載體圖像足夠大時，數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自適應數字水印隱藏算法

進行信息隱藏過程中，以圖像作為隱蔽信息的載體時，可以理解為在強背景(載體圖像)下附加一個弱信號(秘密信息)，這個附加的弱信號需要滿足某個條件，即需要低于某個對比度門限，只有這樣視覺系統才能無法感知到信號的存在。在具體實踐過程中，根據 HVS的對比度特性，該門限值受多種因素影響，如背景的照度、背景的紋理復雜性以及信號頻率等。背景越亮，紋理越復雜(或者說邊緣豐富)，門限就越高，這類現象稱為亮度掩蔽和紋理掩蔽。

在文獻中，設背景的照度為I，假設在背景照度為均勻的情況下，則人眼恰好能夠識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HVS特性，做進一步研究發現，△I與 I 的關系更接近指數關系，他們具體的關系如下：

其中，I0為對比度門限，當取I=0時的值，a為常數，取值范圍為∈(0.6, 0.7)。

設y為載體圖像低位隱藏信息的位數，根據以上結論，y的取值基本滿足視覺系統需求，取值為常數，4～5時就可以需求。

以上是理論基礎，同時結合實驗驗證，故本算法載體圖像低位隱藏信息的有效位數取低四位，在該范圍內進行動態嵌入隱藏信息。

具體算法如下：設圖像每個像素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像素點RGB三個圖層中，信息在每一圖層中進行單獨嵌入處理。首先對紅色圖層分量進行處理，假設圖像某一像素點的紅色圖層由高位到低位的排列順序為(r7,r6,r5,r4,r3,r2,r1,r0)，從低四位起從高位到低位逐位進行檢查，當第x（x小于或等于4）位不為0時，則從第x-1位開始嵌入信息，一直嵌到最低位。處理完該像素點的紅色圖層分量后，再處理該像素點的綠色圖層和藍色圖層。處理完這一像素點后，再用同樣方法處理下一個像素點，總之，依次分別對紅色圖層、綠色圖層及藍色圖層自低四位起從高位到低位逐位進行秘密圖像嵌入處理，直到所有像素點處理完畢。

3　試驗與分析

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

圖像隱藏性能主要有三個技術指標衡量，分別是隱蔽性、隱藏容量和魯棒性。這三個指標具有矛盾性，不能同時取最優，一般而言，重要性排序為安全性、容量、魯棒性，本文分別從以上三個方面進行分析。

1)安全性分析。對載體圖像和隱藏后的圖像進行比較分析，可以發現載密圖像與原載體圖像在視覺上沒有變化，沒有造成畫面質量的明顯下降，視覺系統無法感知到信號的存在。為了對圖像的隱藏效果進行分析，采用了峰值信噪比（PSNR），PSNR是一種比較接近人眼視覺效果的評價，用來衡量載體圖像C和秘密圖像M之間的保真度，PSNR越高說明算法性能越好，運算按照如下公式（2）進行計算（2）

2)該空間域的基于不同圖層的LSB自適應數字水印隱藏算法，在低四位上動態的嵌入隱藏信息，圖像隱藏量大，嵌入隱蔽信息時信息可以被冗余嵌入，便于準確提取水印化的秘密信息。隱藏位數和信息隱藏比的關系，傳統算法8bit位，隱藏1bit信息，信息隱藏比為0.125，該算法一個像素點最少可以隱藏3bit信息隱藏比為0.375，隱藏量大。

3)對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LSB算法時，對圖像進行高斯白噪聲、泊松噪聲攻擊時，基本檢測不到隱藏的信息，算法魯棒性比傳統LSB算法好。

下圖展示了圖像經過無噪聲、有高斯噪聲和泊松噪聲攻擊后本文算法與傳統LSB算法比較。通過圖形可以看出本文算法優于傳統LSB算法。

圖像經過噪聲攻擊PSNR比較圖

4　結束語

本文根據圖像低4bit是冗余空間，圖像矩陣的每個像素值去掉低4bit，仍能滿足人類視覺系統的需求，在低四位上動態嵌入信息。根據以上研究提出了一種基于不同圖層的LSB自適應數字水印隱藏算法，試驗證明該算法實現簡單，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，通信與信息系統碩士。海南工商職業學院講師。主要研究方向：移動通信、通信與信息系統、圖像處理。