多级秘密信息隐藏方法

曹敏 ，陈够喜

(中北大学 电子与计算机科学技术学院，山西 太原 030051)

0 引言

目前已有多种以彩色图像或灰度图像为宿主的信息隐藏方法，而二值图像的信息隐藏方法则相对较少。二值图像即黑白图像，在日常生活中的应用很广泛，随着全球信息数字化进程的日益加快，个人档案、医疗记录、学历证书、专利证件、手写签名、设计图样、馆藏图书、机要文件等大批的重要资料，已扫描成数字化文档以二值图像的方式备存。显然，与一般的灰度、彩色图像或音、视频相比，这些二值图像的价值要昂贵得多。因此，在其中隐藏保护性信息也就显得尤为重要[1]。

1 基于置乱变换的多级分块信息隐藏算法

1.1 算法流程

本文提出的信息隐藏基本思想是：首先将一级秘密信息通过MATLAB仿真成图像，将图像置乱并作为载体，将二级秘密信息通过特定的算法嵌入到载体中得到载密图像，秘密信息的提取即是嵌入过程的逆反过程。

具体流程图如图1所示。

图1 算法流程图

1.2 图像置乱

将实验得到的二进制数据（一级秘密信息）排列成M×N的矩阵A，使用MATLAB将矩阵A仿真成图像并显示出来，将图像A经过Arnold置乱得到图像B，此时的B即为本实验的载体图像。

Arnold置乱是俄国数学家Vladimir I.Arnold提出的一种变换，一幅N×N的数字图像的二维Arnold变换定义为：

其中x,y∈{0,1,2,…,N-1}表示变换前像素的位置，x',y'表示变换后的像素位置，mod为模运算。数字图像可以看为一个二维矩阵，经过Arnold变换之后图像的像素位置会重新排列，这样图像会显得杂乱无章，从而实现了对图像的置乱加密效果【3】。

经过一定次数的置乱后图像变得杂乱无章，和原始图像已经完全不同，然而对于合法的用户，需要还原出原始图像。Arnold变换之所以成为一种得到广泛应用的置乱算法，是因为Arnold变换具有周期性，如果重复地进行Arnold变换，经过一定的次数之后必然会还原出原始图像。如本文中所使用的Lena图像是256×256的二值图像，根据文献中计算Arnold变换周期的方法可得该图像的周期是192次，实验结果如图2所示。

1.3 分块处理并嵌入信息

将一级秘密信息经过置乱后的图像作为载体，向载体内嵌入二级秘密信息。将载体图像分成3×3的小模块，每块单独进行信息的嵌入与提取。如图3所示，中心像素记为a,其八邻域像素分别记为b1,b2,b3,b4,b5,b6,b7,b8；由于全“1”或全“0”的图像块为全白或全黑的平滑图像块，修改这类图像块中的像素容易被人眼察觉，所以不能用来隐藏信息，图像块在嵌入信息之后也不能变成全“1”或全“0”。在信息提取时也认为全“1”或全“0”的图像块内无隐藏信息。其他块要分情况看是否能嵌入信息，具体嵌入策略如下：

（1）将二进制秘密数据（一级秘密信息）用MATLAB仿真成二值图像A，并对该图像在密钥T1的控制下进行置乱处理，得到新的宿主图像B，这样便可以提高嵌入系统的抗检测性，使得系统更加稳定、安全。

（2）令二级秘密信息序列为M（k）,k=1,2,3,…对图像进行分块处理，按照密钥T2，将二值图像B按顺序分割成M×N个3×3的互不相交的图像块Bi,j：

（3）对数据块进行嵌入分析，根据本文的嵌入规则，有两种非法情况是不能嵌入信息的：

若模块Bu,v中X1+X2=0或8，则块内不能嵌入信息，不对块Bu,v做任何操作。

（4）当 :

(a) X1=X2,Y1=Y2；

(b) X1+X2≠8或0；

(c)Cu,v≠ 0 或 9时，G(l)=B(i,j)(2,2),l=1,2,3…；B(i,j)(2,2)=M(k)，完成对单个模块的嵌入操作。然后扫描剩下的模块，并按照此方法完成其他二级秘密信息的嵌入。

图3 3×3图像块像素位置标记

1.4 隐藏信息的提取

接收端提取秘密信息时按照如下步骤进行：

（1）按照嵌入时的分块方法，将图像分成3×3的数据块。

（2）在密钥的控制下按顺序找到可能嵌入信息的数据块。

此时，成功提取二级秘密信息，并得到完整的宿主图像。

（3）在密钥T1的指引下，将宿主图像恢复置乱，得到由一级秘密信息组成的矩阵图像，从而成功提取一级秘密信息。

2 实验结果分析

本文分别选取了非文本型二值图像、中文文本型二值图像、英文文本型二值图像为宿主图像，并使用本文算法和文献[2]中的算法做对比，嵌入前后的效果如图4-图6所示：图4是用非文本型二值图像嵌入信息前后对比，图5是中文文本型二值图像嵌入信息前后的对比，图6是英文文本型二值图像嵌入信息前后的对比。

图4 本文非文本型二值图像数据隐藏结果

图5 中文文本型二值图像数据隐藏结果

图6 英文文本型二值图像数据隐藏结果

PSNR是最普遍，最广泛使用的评鉴画质的客观量测法，psnr值越高，表明图像嵌入质量越高。计算公式如下：

所得实验数据如表1所示。

表1 几组实验数据比较

3 结论

本文根据二值图像的性质，提出了将一个秘密信息嵌入到由另 一个秘密信息构成的二值图像中的信息隐藏方法。该方法将置乱后的秘密信息图像进行分块处理，再按照一定的密钥嵌入信息，完全符合Kerckhoffs准则。实验表明，按照本方法得到的载密图像失真小，质量高，安全性强，信息提取率高达100%。本文主要讨论了低失真的信息隐藏方法，嵌入容量问题尚待进一步提高。

[1]孟妍妍,高宝健,强媛,等.信息隐藏技术及其在网络安全中的应用[J].计算机工程,2009，35（15）：146-148.

[2]钱振兴，程义民，谢春辉，等.基于嵌入矩阵的二值图像隐藏方法[J].电路与系统，2008,23（6）:128-133.

[3]谢建全，阳春华.一种大容量的二值图像信息隐藏[J].小型微型计算机系统,2008,29（10）:1874-1877.

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[5]黄仿元.基于Arnold变换的图像置乱算法及实现[J],贵州大学学报,2008,25(3):276-279.

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[9]Yu-An Ho,Yung-Kuan Chan.High-capacity reversible data hiding in binary images using pattern substitution[J].Computer Standards & Interfaces,2009,35(3):787-794.