隱寫(xiě)術(shù)在信息安全中的應(yīng)用研究

黃恒一 付三麗

（三亞學(xué)院，海南 三亞 572022）

1 引言

信息隱藏的常用手段是利用密碼學(xué)，將明文信息加密成密文，非法用戶(hù)如想得到明文信息，只有破解加密算法才能得到目的信息。隨著高性能計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，理論上采用加密技術(shù)進(jìn)行信息隱藏的密文都很容易被非法用戶(hù)破解。論文在此背景下，對(duì)古今密碼學(xué)在信息隱藏中的應(yīng)用進(jìn)行了分析研究，結(jié)合數(shù)字水印技術(shù)，提出了一種結(jié)合圖像嵌入、DES加密算法、計(jì)算機(jī)MATLAB 程序和數(shù)學(xué)中隨機(jī)數(shù)特征值的信息隱藏方法[1]。

2 信息隱藏技術(shù)

在計(jì)算機(jī)出現(xiàn)之前信息隱藏的主要技術(shù)手段是密碼術(shù)、偽裝術(shù)。但隨著數(shù)字時(shí)代的來(lái)臨，通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)手段，信息隱藏的載體形式可為任何一種數(shù)字媒體，它不同于密碼學(xué)、偽裝術(shù)，密碼僅僅隱藏信息的內(nèi)容，偽裝術(shù)主要是將秘密信息隱藏到另一個(gè)看似普通的信息中，從而隱藏真實(shí)信息的存在，以達(dá)到安全通信的目的，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字化信息隱藏技術(shù)手段，從信息內(nèi)容及信息載體兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的有效隱藏[2]。

3 古代密碼學(xué)

古代密碼學(xué)基于字母信息的編碼操作，通信的雙方按照約定的規(guī)則進(jìn)行信息的移位編碼置換操作。古代密碼學(xué)中典型的案例，凱撒密碼正是基于字母的移位進(jìn)行信息的隱藏。凱撒密碼破解的起源于語(yǔ)言學(xué)家，基于英文字母在通信過(guò)程中留下的指紋特點(diǎn)進(jìn)行破解。但是傳統(tǒng)加密技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)信息隱藏的隱寫(xiě)術(shù)很難經(jīng)受攻擊者蠻力破解的攻擊方法，伴隨著技術(shù)的一次次更新，出現(xiàn)了一次一密的加密方式[3]。經(jīng)過(guò)實(shí)踐的數(shù)次測(cè)試，理論上而言，通信信息中信息字段一次一密的信息加密方式在應(yīng)用中具有完全的保密性。

4 現(xiàn)代密碼學(xué)

現(xiàn)代密碼學(xué)將信息的安全性建立于堅(jiān)實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上。對(duì)稱(chēng)密鑰算法和非對(duì)稱(chēng)密鑰算法是常見(jiàn)的兩種現(xiàn)代密碼學(xué)加密算法類(lèi)型。對(duì)稱(chēng)密鑰算法是通信的雙方共用同一個(gè)加密解密密鑰，非對(duì)稱(chēng)密鑰算法是通信雙方加密密鑰和解密密鑰不相同，雙方通信中用到的加密密鑰可以公開(kāi)，簡(jiǎn)稱(chēng)公鑰，解密密鑰必須保密，又稱(chēng)私人密鑰，簡(jiǎn)稱(chēng)私鑰[4]。典型的對(duì)稱(chēng)密鑰算法有DES加密算法，非對(duì)稱(chēng)密鑰算法有RSA加密算法，這兩種是當(dāng)下最常用的兩種現(xiàn)代密碼學(xué)加密算法。

5 數(shù)字水印技術(shù)

數(shù)字水印技術(shù)屬于信息隱藏理論的一個(gè)分支，將特定的信息隱藏在數(shù)字化載體中，載體可以是圖片、音頻等資源，隱藏的信息只有通過(guò)專(zhuān)用的檢測(cè)器或閱讀器才能提取。數(shù)字水印技術(shù)主要用于數(shù)字化產(chǎn)品的防止竊取、版權(quán)保護(hù)等方面。

6 圖像的隱藏原理

二值圖像是指將圖像上的每一個(gè)像素只有兩種可能的取值或灰度等級(jí)狀態(tài)，人們經(jīng)常用黑白、B&W、單色圖像表示二值圖像。二值圖像是指在圖像中，灰度等級(jí)只有兩種，也就是說(shuō)，圖像中的任何像素點(diǎn)的灰度值均為0或者255，分別代表黑色和白色。二值圖像中所有的像素只能從0和1中取值。本文應(yīng)用案例中，將二值圖像不為0的那個(gè)像素矩陣坐標(biāo)值使用MATLAB 程序通過(guò)嵌入算法嵌入到載體圖片中，實(shí)現(xiàn)載體圖片與嵌入水印的載體在視覺(jué)上無(wú)法分辨。提取水印信息的時(shí)候通過(guò)原載體圖片和嵌入水印的載體圖片每一像素進(jìn)行比對(duì)，從而得到水印二值圖與之對(duì)應(yīng)像素坐標(biāo)值的像素，從而還原得到水印的二值圖[5]。

7 隱藏圖像步驟

首先將明文數(shù)字文本信息通過(guò)DES加密形成密文，此外將密文信息圖片轉(zhuǎn)化為二值圖，通過(guò)MATLAB 程序?qū)⒍祱D嵌入到載體圖片中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果保存嵌入二值圖水印的載體圖片[6]。合法用戶(hù)要想得到隱藏的數(shù)字文本信息只有通過(guò)嵌入算法將二值圖水印通過(guò)MATLAB程序在載體圖片中提取出來(lái)。

7.1 獲取數(shù)字信息的DES密文

首先通過(guò)DES在線單向加密的方式，將待加密的信息加密形成密文，明文信息為：明日正午12時(shí)刻發(fā)起攻擊。為了提高數(shù)據(jù)的安全性及穩(wěn)定性，明文信息的后面添加隨機(jī)特征值“123456”，DES加密密鑰為“111111”，DES加密密文如圖1所示。

圖1 數(shù)字信息的DES在線加解密

圖2 數(shù)字信息的DES密文嵌入圖片

如圖1所示，DES加密算法為對(duì)稱(chēng)加密體制，通信收發(fā)雙方使用同樣一把加密、解密的密鑰，文中此處對(duì)應(yīng)的收發(fā)雙方密鑰為“111111”，圖1 中DES 在線加密網(wǎng)站中的上面方框中為明文待加密的信息，當(dāng)輸入加密密鑰后，點(diǎn)擊圖中的黃色加密按鍵，即可在圖中下方的方框中顯示出DES加密后的密文。解密的過(guò)程則是對(duì)加密過(guò)程的逆變換即可實(shí)現(xiàn)。此處可以得知明文信息后的添加的隨機(jī)特征值及收發(fā)雙方約定的密鑰，提高了明文信息被非法用戶(hù)破解的難度[7]。

7.2 數(shù)字水印實(shí)驗(yàn)步驟

文中通過(guò)Photoshop軟件獲得數(shù)字信息的二值圖。Photoshop軟件打開(kāi)文字信息圖片，在Photoshop菜單欄單擊【圖像】，選中圖像中的“模式”選項(xiàng)，即可得到數(shù)字信息圖片的二值圖。實(shí)際傳遞的文字信息存儲(chǔ)的格式為bmp，二值圖命名為flag，生成的二值圖像flag.bmp 的像素是200*200，數(shù)字信息DES密文的二值圖的顯示效果如圖3。

圖3 DES密文信息二值圖

水印信息二值圖圖片在制作的過(guò)程中，通過(guò)Photoshop軟件進(jìn)行圖像“閾值”的調(diào)整，形成的水印信息二值圖信息也會(huì)形成不同清晰度的一個(gè)視覺(jué)效果。一個(gè)不包含文字信息的200*200 像素的載體圖像中，圖像命名為lena.jpg，如圖4所示。

圖4 水印載體圖像

7.3 數(shù)字水印嵌入與提取算法

本文實(shí)現(xiàn)數(shù)字水印嵌入與提取算法是通過(guò)MATLAB軟件中將二值圖像不為0的那個(gè)像素矩陣坐標(biāo)值通過(guò)嵌入算法嵌入到載體圖片中，實(shí)現(xiàn)載體圖片與嵌入水印的載體在視覺(jué)上無(wú)法分辨[7]。提取水印信息的時(shí)候通過(guò)MATLAB 軟件從原載體圖片和嵌入水印的載體圖片每一像素進(jìn)行比對(duì)，從而得到水印二值圖與之對(duì)應(yīng)像素坐標(biāo)值的像素，從而得到水印的二值圖[8]。

圖5 水印嵌入載體圖

圖6 水印提取圖

8 圖像隱藏效果

水印信息在MATLAB 下從載體圖片嵌入與提取，但在嵌入算法中，當(dāng)改變水印嵌入到載體數(shù)據(jù)中的嵌入系數(shù)數(shù)值時(shí)，嵌入的水印信息效果會(huì)發(fā)生變化。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果測(cè)試表明：嵌入系數(shù)越大，嵌入水印后的效果越差，嵌入系數(shù)越小，水印信息嵌入載體后的效果越好，越有利于隱藏信息。

通過(guò)圖7、圖8 可知通信中信息的安全性取決于水印嵌入系數(shù)及Photoshop軟件進(jìn)行圖像“閾值”的調(diào)整度。

圖7 嵌入系數(shù)0.2較小后的水印效果圖

圖8 嵌入系數(shù)0.9變大后的水印效果圖

9 創(chuàng)新點(diǎn)

論文提出的信息隱藏方法，經(jīng)過(guò)數(shù)次測(cè)試表明，為了取得較好的水印信息測(cè)試效果，水印信息DES密文二值圖在制作過(guò)程中可以通過(guò)Photoshop 軟件進(jìn)行圖像“閾值”的調(diào)整，從而更好地取得信息隱藏的唯一性。文中的混合信息隱藏的方法可以進(jìn)一步結(jié)合當(dāng)下偽隨機(jī)數(shù)等加密工具進(jìn)行技術(shù)方面的拓展，可進(jìn)一步提高隱藏信息數(shù)據(jù)的安全性。

1 0 結(jié)語(yǔ)

論文設(shè)計(jì)了一種通過(guò)MATLAB 軟件仿真并結(jié)合數(shù)字水印技術(shù)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字信息隱藏方法。文中實(shí)驗(yàn)用到的水印信息在嵌入到載體圖像中，在感官上人眼是無(wú)法區(qū)別的，從而起到更好的隱藏信息的效果[9]。隨著數(shù)字化產(chǎn)品應(yīng)用的廣泛，未來(lái)數(shù)字水印技術(shù)必將是隱藏信息采用的主要技術(shù)趨勢(shì)[10]。