基于信息隱藏技術的圖片無損水印研究

陳鵬文 高飛鵬 楊潔

DOI：10.16644/j.cnki.cn33-1094/tp.2021.11.014

摘? 要： 文章研究了基于LSB圖像信息隱藏技術的圖片無損水印。該方法所嵌的載體圖片，在水印寫入時以隨機間隔法嵌入，其間隔距離以偽隨機數來控制，偽隨機數的種子作為密鑰;在需要還原載體圖片時，只需輸入嵌入時所設置的密鑰，就可以通過該方法還原成原來的載體圖片。經過PSNR（Peak Signal to Noise Ratio，峰值信噪比）測試得出，該方法能很好地還原載體圖片，實現圖片的無損水印。

關鍵詞： 圖片; 無損水印; LSB圖像信息隱藏

中圖分類號：TP391? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2021）11-55-05

Research on picture lossless watermarking with information hiding technology

Chen Pengwen， Gao Feipeng， Yang Jie

（Jiyang College of Zhejiang A&F University， Zhuji， Zhejiang 311800， China）

Abstract： The image lossless watermarking studied in this paper is based on the LSB image information hiding technology. The carrier picture embedded in this method is embedded by random interval method when the watermark is written， the interval distance is controlled by pseudo-random number， and the seed of pseudo-random number is used as the key; When the carrier picture needs to be restored， just input the key set during embedding， and then the original carrier picture can be restored by this method. The PSNR （Peak Signal to Noise Ratio） test shows that this method can well restore the carrier picture and realize the lossless watermarking of the picture.

Key words： picture; lossless watermarking; LSB image information hiding technology

0 引言

隨著信息技術的飛速發展，信息的存儲、復制、處理和傳輸變得越來越便捷。在開放網絡環境中發送的任何類型的信息都可以很容易地被竊聽或攔截。其中圖片作為信息的載體，應用甚廣，如圖片中嵌入其他的圖片來傳播廣告，商家信息等。如果我們將嵌入圖片所覆蓋的區域用信息隱藏技術寫入到圖片中，就可以在我們所需時刻，做到隨時還原，做到圖片的無損水印的效果，同時還可以擁有版權，其中保證圖片的失真率低是關鍵。

在圖像信息隱藏技術方面，萬諾飛[1]對JPEG圖像的可逆隱藏算法進行了研究，在相同質量因子和同等比特流嵌入載體圖像的情形下，能夠得到更好的JPEG圖像的視覺質量，以及更少的圖像比特流擴展。王紫琪[2]對多圖像信息隱藏與加密算法進行了研究，有效提高傳統多幅圖像同步壓縮加密與重構恢復的計算效率，并且具有較高的密鑰敏感性，較大的密鑰空間以及良好的抗噪性和魯棒性。

1 基于信息隱藏技術系統構建

1.1 信息隱藏模型

信息隱藏與傳統的密碼學技術有所不同，密碼學技術主要研究的是將機密信息進行特殊的編碼，使其形成一種特殊的不易被識別的密碼進行傳遞;而信息隱藏則主要研究怎樣將機密信息秘密隱藏于公開的載體信息中，然后通過公共傳輸途徑進行傳輸并傳遞機密信息[4]。對加密通信而言，非法間諜可以通過截取密文，并對密文進行破解，或將密文破壞隨后再發送，從而影響機密信息的安全以及準確性;而對信息隱藏而言，非法攔截者則難以從公開信息中判斷機密信息是否存在，難以獲取機密信息，從而能保證機密信息的安全。

待隱藏的信息稱為秘密信息，它可以是秘密數據或是版權信息;而公開信息則稱為載體信息，如視頻、音頻片段、圖像、文本。這種信息隱藏過程，一般由密鑰來控制，通過嵌入算法將秘密信息隱藏于公開信息中，而隱蔽載體則通過公開信道傳遞，然后檢測器利用密鑰從隱蔽載體檢測隱蔽信息并恢復 。

1.2 信息隱藏特點

信息隱藏與傳統的加密有所不同，因為信息隱藏的目的不在于限制正常的資料存取，而在于保證隱藏數據不被發現。信息隱藏技術需要解決正常的信息操作對載體中所嵌入的隱藏信息造成的威脅，所以要使載體對正常的數據操作技術具有一定的抗性。這種抗性的關鍵是要使隱藏信息部分不易被正常的數據操作所破壞。根據信息隱藏的目的和技術要求，該技術存在以下特性。

⑴ 魯棒性：指不因圖像文件的某種改動而導致隱藏信息丟失的能力[3]。這里所謂“改動”包括傳輸過程中的信道噪音、濾波操作、重采樣、有損編碼壓縮等。

⑵ 不可檢測性：是指隱蔽載體與原始載體具有一致的特性。如具有一致的統計噪聲分布等，為了使非法間諜無法得知是否含有隱藏信息。

⑶ 透明性：利用人類視覺系統或人類聽覺系統屬性，經過一系列隱藏處理，使目標數據沒有明顯的降質現象，在正常情況下人無法看見或者聽見隱藏的數據。

⑷ 安全性：指隱藏算法有較強的抗攻擊能力，即它必須能夠承受一些對文件的正常操作和一些人為的破壞 ，而使隱藏信息不會被破壞。

⑸ 自恢復性：由于經過一些操作或變換后，可能會使原圖產生較大的破壞，如果只從留下的片段數據，仍能恢復隱藏信號，而且恢復過程不需要宿主信號，這就是所謂的自恢復性[5]。

⑹ 可糾錯性：為了保護隱藏信息的完整性，使其在經過各種操作和變換后仍能很好的地恢復，通常用于糾錯編碼方法。

1.3 LSB圖像信息隱藏技術

LSB圖像信息隱藏技術是將信息的每一位隱藏到圖片RGB單元的最后一位，改變這一位置對載體圖像的品質影響最小，人的肉眼難以識別，從而做到在公開圖像中隱藏信息的效果，其嵌入的容積最多為圖片文件大小的八分之一。

LSB圖像信息隱藏技術有如下優點：算法簡單，易實現，計算速度也快。在基礎算法上能夠很快的進行改進，并在脆弱性水印中應用廣泛。LSB圖像信息隱藏技術有如下缺點：嵌入消息較大時，所花時間較長。只能處理簡單的流格式的文件。為了滿足水印的不可感知性，允許嵌入的水印強度較低，對空間域的各種操作都很敏感。

嵌入：載體圖片所嵌入的區域圖片像素最低位全部置零如圖1所示，再將水印的二值序列依次加到各像素值上如圖2所示。

提取：對偽裝圖片的特定區域進行各像素值進行模2運算如圖3所示，并進行提取。

1.4 偽隨機數

絕對隨機的隨機數只是一種理想狀態下的隨機數，計算機的偽隨機數是由隨機種子根據計算方法算出來的數值，只要計算的方法一定，隨機種子一定，所產生的隨機數就是固定的。所以，偽隨機數的種子就可以作為信息隱藏的密鑰。在偽隨機數中其中m序列是最有名和最簡單的，也是研究的最透徹的序列，m序列是最長線性反饋移存器序列的簡稱，它是由帶線性反饋的移存器產生的周期最長的一種序列。設{ai}=（a1a2a3…）為集合，例如00110111，其前面兩個數字是00稱為2的游程，接著11是1的2游程，在接下來是0的1游程和1的3游程。GF（Galois Field，有限域）（2）是最簡單的有限域，只有0，1二元及異或運算、與運算，GF（2）上周期為T的序列R（t）為{ai}的自相關函數定義為⑴

當t=0，R（t）=T;當t≠0時，稱R（t）為異相自相關函數。GF（2）上的長為n的m序列{ai}具有以下特性：①在一個周期內，0、1出現的次數分別為2n-1-1和2n-1。②在一個周期內，總游程數為2n-1，對0

1.5 隱藏功能構建

圖像信息隱藏技術的核心在于將秘密信息隱藏在于公開的圖像信息之中，并將公開的圖像作為有效載體，實現機密信息的傳遞。信息隱藏技術將圖像媒體中的冗余信息進行有效利用，利用人眼對特定信息的隱蔽作用實現信息的隱蔽，基于水印技術的信息隱藏的優勢在于能夠保障信息的安全性，非法間諜難以從數字水印中獲取機密信息[6]。

信息隱藏技術的工作原理圖如圖4所示。

根據待嵌入圖片大小，來決定載體圖片是否能夠隱藏被待嵌入圖片所覆蓋的區域。其中，隱藏技術采用LSB圖像信息隱藏技術，通過改變最低位來實現信息隱藏，由于每一個像素點有R，G，B三層。考慮到能盡可能增大能夠隱藏數據的大小，所以將水印寫入到相對應的R，G，B層中即將R層中的像素值寫入R層中隱藏。由于每一個需要隱藏的像素值將被轉換為二進制，將每一位寫入載體圖片像素值的最低位，而且嵌入時采用隨機間隔法寫入，所以載體圖片大小至少為嵌入圖片的32倍。

本文中所嵌入方式是隨機間隔法。其原理是利用C++中自帶的偽隨機數函數，將偽隨機數的種子作為嵌入時的密鑰，并利用偽隨機數來控制前后兩個嵌入位的距離，且保證隨機嵌入選擇的像素位不重復，達到使信息嵌入點混亂，考慮到載體圖片的嵌入量將兩個嵌入位之間的距離控制在1-3個像素值，在保證一定混亂的情況下，提高圖片嵌入量。從而第三者在密鑰未知的前提下，很難從隱秘載體中得到或刪除，甚至發現秘密信息 。通過讀取載體圖片數據結構里像素值的與待嵌入圖片的像素值進行替換，在圖5（b）右下角嵌入圖5（b）得到圖5（c）所示。

并且用一個空數據結構體其大小與待嵌入圖片大小相同來儲存被覆蓋的區域如圖6所示。

1.6 恢復功能構建

因為設置了密鑰，非法間諜沒有密鑰是無法還原載體圖片的。密鑰持有者只需輸入密鑰和需要還原的載體圖片，再根據偽隨機的間隔，特定的隱藏區域來提取隱藏信息，并還原載體圖片。根據特定區域的隱藏信息是以二進制的水印寫入。所以用模2法提取出水印并設計出了將其還原為十進制像素值的算法。然后再將其像素值寫入到嵌入圖片所覆蓋的區域，做到載體圖片還原的效果，實現圖片的無損水印。通過本算法的恢復算法還原圖片。首先輸入需要恢復的圖片圖7（a），之后輸入設定的密鑰，然后根據隨機間隔法的間隔為以密鑰設定的偽隨機數。對特定的隱藏區域做模2運算就可以提取水印如圖7（b）所示。通過研究，編寫出算法對每八個像素點的像素值進行模2算法，并根據提供正確的密鑰得出的偽隨機數進行隨機間隔提取，并進行了將二進制轉換為十進制的運算。最后再將像素值寫入對應的需要被還原的區域，即可做到恢復圖片的效果，如圖7（c）所示。對比圖7（d）達到的效果，從而實現圖片的無損水印。

2 仿真及實驗驗證

2.1 峰值信噪比計算

峰值信噪比是是一種評價圖像的客觀標準，本文采用PSNR計算公式如⑶所示其中MSE（Mean Square Error，均方差）為均方差。得出PSNR值越大，表示圖片的失真率越低。

然后對十張不同的載體圖片在密鑰和嵌入圖片相同的情況下進行隱藏，在嵌入后經過還原并進行PSNR測試，理論上假設所有像素改變1或者-1，最低的峰值信噪比約等于48.13dB，對十張圖片的PSNR值的進行求平均值處理得出PSNR值等于65.14dB。得出通過本算法，圖片的還原過程中導致圖片的失真可能性非常低。

2.2 安全性測試

此性能測試對密鑰錯誤時，以及在一些干擾下提取信息隱藏進行了測試。當圖 8（a）在密鑰錯誤時，圖片是無法讀取隱藏信息，此時恢復的區域如圖8（b）所示，正確的水印如圖8（c）所示。所以當非法間諜沒有正確的密鑰時是無法提取隱藏信息的。

2.3 干擾測試

首先對圖片進行了裁剪的干擾分別裁剪位置為左上角。如圖9（a）所示。當剪裁左上角時提取的水印有將近一半被破壞如圖9（b）所示。因為隱藏信息從左上角開始隨機間隔嵌入所以導致從左上角剪裁必然會影響提取信息，隨后分別用椒鹽系數為0.05，高斯濾波3*3，均值濾波3*3以及中值濾波進行干擾，分別如圖9（c），圖9（e），圖9（g），圖9（i）所示通過觀察提取出的水印，只有椒鹽干擾可以做到基本還原只有少許噪點如圖9（d）所示，其余三種濾波的干擾，讓提取的水印根本無法還原如圖9（f），圖9（h），圖9（j）所示。

3 結束語

本文圍繞基于信息隱藏技術的圖片無損水印，使用VS2013開發實現對嵌入圖片所覆蓋區域的隱藏以及恢復，通過算法還原的圖片PSNR平均值為65.14dB，圖片的失真率非常低，實現了一種能將嵌入圖片后的載體圖片還原，且可以作為版權維護的方法。

參考文獻（References）：

[1] 王若飛.基于排序選擇DCT系數對JPEG圖像的可逆隱藏算法的研究[D].安徽大學，2020.

[2] 王紫琪.基于混沌壓縮感知的多圖像信息隱藏與加密算法[D].北京郵電大學，2020.

[3] 馬咸綮.基于小波變換的數字圖像水印算法的研究[D].蘭州理工大學，2009.

[4] Sun J G，Liang K，Xia S Z. Research of Lossless Digital?Watermarking Technology[J].Applied Mechanics and Materials，2013.2490（1）：1219-1223

[5] 左偉明，秦姣華.信息隱藏技術研究[J].湖南城市學院學報（自然科學版），2005.1：65-68

[6] 馮柳.以數字水印為基礎的圖像信息隱藏技術[J].計算機光盤軟件與應用，2015.18（1）：223-225