基于混沌流密碼體制的信息隱藏算法研究

王 志

（鄭州工業應用技術學院，河南 鄭州 451100）

0 引 言

數字信息作為溝通與交流的主要載體，在網絡上傳播與共享時容易被復制和更改，可能會出現安全隱患，如混淆版權和影響真實性等問題，還會使重要信息被泄露，利用和泄露信息從事非法活動嚴重時甚至會對國家穩定和安全造成威脅[1]。因此信息安全問題受到了廣泛關注，信息技術的應用也對通信安全提出了更高的要求。

傳統的通信保密方式是使用密鑰或公鑰系統對通信內容加密，沒有密鑰的接收者就無法獲得明文，但是這種方法容易明顯分辨出被傳輸的信息，導致被監聽者破解，而且隨著計算機技術的提高，破解密鑰的速度也隨之加快[2]。加密信息被破解后，通信保密問題面臨嚴峻的考驗，因此信息隱藏技術應運而生。信息隱藏是將信息隱藏到不容易被注意的載體中，載體可以是文本、圖像、音頻以及視頻，信息隱藏能夠利用載體進行信息傳送和保護版權，起到信息保護的作用。混沌流密碼體制提供了多種混沌函數和參數，使信息編碼方式多樣化，提升了加密復雜性，有利于保障開放網絡中的信息安全[3]。因此，本文基于混沌流密碼體制研究信息隱藏算法，提高信息隱蔽性，降低被截取和破解的幾率，為促進通信安全提供一定理論基礎。

1 設計共享矩陣混沌加密算法

根據混沌流密碼體制特性，設計分存算法，將原始信息變成隨機序列，將密鑰隱藏其中，再利用共享矩陣對隱藏信息編碼。

1.1 混沌信息加密

混沌密碼體制利用隨機序列可以實現加密，提高共享安全性。將大小為W的原始信息轉變為數據矩陣U，利用隨機數產生密鑰K，可表示為：

式中，ki表示隨機數，ki∈{0,1}，；i為個數，1≤i≤192。利用密鑰K產生混沌序列的初始值，將混沌序列初值代入，取模運算,混沌信息加密公式為：

式中，Cx(1)表示序列。

1.2 加密信息共享編碼

通過共享矩陣對加密數據進行編碼，形成分存加密信息。將得到的共享矩陣S(k,n)進行重復列擴展，擴展為n×(W+24)。對E編碼，分析其中元素，若共享矩陣中為1，則保留E中該位置，若共享矩陣中為0，則刪除E中該位置，最終經過編碼得到降階矩陣，設定為Hi，i與共享矩陣的參數n有關，經過降階，數據量減少一半。將共享信息融合入降階矩陣中得到融合列矩陣，設定為Fi，融合方式可表示為：

式中，D和B與Ne有關，Ne為列提取矩陣；D表示1×2階矩陣；B表示列矩陣。融合后分別對應i個份額，分別存在每個接收者中，只有擁有一定數量份額才能實現數據恢復，從而產生加密作用。

1.3 信息重建

2 混沌密碼與整數變換相結合的可逆信息隱藏算法

為防止信息在傳播過程中被識別和攻擊，將加密與信息隱藏相結合得到加密偽裝信息。設計混沌密碼與整數變換相結合的算法，充分利用信息數據內部相關性和差異值達到信息隱藏目的，且算法是可逆的，具有較高的信息嵌入率。

判斷拓展算法得到的像素值、差異值以及設定的門限值，若A、B、C以及D均為奇數，則表明為可嵌入信息塊，若其中存在偶數，則利用原始像素計算差異擴展值。將機密信息w1、w2以及w3藏入差異像素值中，表示為：

若差異像素值≥252或≤3，則表明該矩陣不能隱藏信息，則把設置為奇數，其余位置不變，記錄原始像素A的最低有效位。判斷以及是否＞255或＜0，若其中的一個值符合該條件，則嵌入信息失敗，需重新計算，若都不符合條件，則表明能夠嵌入信息，可以繼續下一個分塊矩陣，直到將所有信息嵌入，得到最終的嵌入矩陣。

3 仿真實驗及分析

為驗證信息隱藏算法的有效性，以圖像作為隱藏信息載體進行測試，從信息熵和敏感性方面對算法進行評估。信息熵能夠反映信息隨機程度，可以表現出加密效果。分別計算4種明文圖像和加密后的密文圖像的信息熵值、壓縮度以及冗余度，明文和密文圖像信息如表1所示。

表1 明文、密文圖像信息熵、壓縮度和冗余度對比結果

由表1可知，與明文相比，密文的信息熵、壓縮度以及冗余度有顯著提升，密文信息熵值接近理論值8，冗余度均小于0.05%，說明加密效果較好，達到了信息熵標準，像素值隨機分布，沒有原始信息泄露。在圖像加密隱藏信息過程中應注意選擇合適的門限值，隨門限值變化，同一圖像的偽裝質量有微弱下降變化，藏入信息后與原始圖像的差別無法用人眼識別，說明有較好的抗信息識別能力。

將本文算法與文獻[2]方法和文獻[3]方法進行安全性能比較分析，對比加密、解密速度以及明文和密文敏感性，比較結果如表2所示。

表2 敏感性對比分析結果

由表2可知，經過對比分析，本文算法在加密、解密速度以及敏感性方面都較為優秀，因此適合用于實際應用。

4 結 論

通過研究混沌流密碼體制的信息隱藏算法可知，設計的算法加密和解密速度較快，且密鑰空間大，信息熵接近理論值，是一種安全性能優秀的信息隱藏算法，但本文研究還存在一定不足，因此后續應進行拓展性研究，設計出既可逆又高容量的信息隱藏算法。