图像隐藏算法的MATLAB实现

宫海梅

摘要：根据HVS的特性，人类视觉系统对高位信号敏感，去掉图像最低几个位并不会造成画面质量的明显下降，视觉系统就无法感觉到信号的存在，提出了四比特图像信息替换算法实现图像隐藏，运用MATLAB软件进行算法实现，嵌入信息后的载体图像与原始图像视觉效果基本一致，有效解决了图像信息隐藏问题。

关键字：信息隐藏；HVS；MATLAB

中图分类号：TP391 文献标识码： A

Abstract： According to the characteristics of HVS， The human visual system is sensitive to the high signal. To remove the image of the least number of bits does not cause a significant decline in the quality of picture， The visual system can not feel the existence of the signal. In this paper， four bit image information replacement algorithm is proposed to realize the image hiding， MATLAB software is used to realize the algorithm. The carrier image after embedding information is basically consistent with the original image， effectively solve the problem of image information hiding.

Key words： image hiding； HVS； MATLAB；

0 引言

随着信息时代的到来，多媒体技术得到广泛应用，需要加密、认证和版权保护的图像数据越来越多。对数据实施加密处理，密文容易引起攻击者的注意，即使密码设定强大到攻击者无法破解明文，但攻击者可以采用破坏手段，干扰通信进行。因此，具有伪装特点的新兴的信息安全技术—信息隐藏应运而生。本文首先分析阐述了信息隐藏的定义、特征及分类，接着提出论述了四比特图像信息替换算法原理，最后给出了MATLAB仿真实现算法。

1 信息隐藏定义、特征及分类

信息隐藏技术是20世纪90年代中期发端遇国外，具体是利用人类感觉器官的不敏感，以及多媒体数字信号本身存在的冗余，将秘密信息隐藏在一个宿主信号中，不被人的感知系统察觉或未获注意与重视，而且不影响宿主信号的感觉效果[1]。

信息隐藏具有许多共同的特征。一是不可感知性，这是信息隐藏系统的必要条件。二是鲁棒性，即使宿主信号受到一定的扰动，仍然能恢复隐藏的信息。三是嵌入容量和强度，在保证不可感知性的前提下，应尽量在载体中传送更多的信息。四是密钥与安全性。在设计隐藏系统时要综合考虑密钥的产生、发放、管理等。

信息隐藏技术按照嵌入域分类主要分为时域信息隐藏技术和变换域信息隐藏技术。其中，LSB是时域数字水印信息隐藏技术中居于首位的常见算法，算法简单，嵌入速度快，而这些优点则是一些变换域水印隐藏算法无法比拟的[2]。相应地，对频域变换信息隐藏技术的特点是，安全性强，能够抵抗各种压缩处理，但隐藏容量不大。通常，变换域信息隐藏技术可以细分为DCT域、DFT域和小波域等。综上，信息隐藏分类如图1所示。

2 四比特图像信息替换算法原理

以图像为载体进行信息隐藏时，可看为在强背景（原始图像）下叠加一个弱信号（被隐藏的信息），只要叠加的信号低于对比度门限，视觉系统就无法感觉到信号的存在。根据 HVS的对比度特性，该门限值受背景照度、背景纹理复杂性和信号频率的影响。背景越亮，纹理越复杂（或者说边缘丰富），门限就越高，这类现象称为亮度掩蔽和纹理掩蔽[3]。

根据文献[4]，设背景照度为I，在均匀背景下，人眼刚好可以识别的物体照度为I+△I。其中△I≈0.02×I。视觉领域的进一步研究表明，△I与 I 的关系更接近指数关系[1]，提出了更准确的对比度敏感度函数：

设y为低位隐藏信息的位数，根据以上结论，y的取值为4～5时就可以基本满足视觉可见性要求。

结合如上理论所述，并根据HVS的特性可知，人类视觉系统对高位信号敏感，去掉图像最低几位并不会造成画面质量的明显下降，也可认为，高四位几乎含有图像的全部信息，由此提出了四比特图像信息替换算法，实现图像信息隐藏。彩色图像可由RGB这3个颜色矩阵表示，在这3种颜色分量上，可以选一像素点的任意一层，在低四位嵌入隐秘图像的高四位，实现信息隐藏目的。图2为像素点B层信息嵌入，表示用秘密图像的高四位替代载体图像低四位。

同时，也可以通过试验验证以上算法思想，图像是以512×512×24的Lena 图像为载体进行试验。对图像进行分层，分成3层，分别为红层图像、绿层图像、蓝层图像。取蓝层图像进行处理，去掉零位载体图像，去掉低2位载体图像，去掉低3位载体图像，去掉低4位载体图像，去掉低5位载体图像， 去掉低6位载体图像。实验过程及结果如图3所示。

由上面的对比图可以看出，高四位基本含有图像全部信息，图像矩阵的每个像素值去掉低4bit，改变后的图像和原图像在视觉上并没有太大的变化，因此可以认为低4bit是冗余空间，故可以直接用秘密图像像素值的高4bit去替换载体图像像素值的低4bit。

3 四比特图像信息替换算法实现

算法实现采用MATLAB软件，该软件由Math Works公司研创开发。在试验中载体图像采用512×512×24的Lena 图像，秘密图像采用512×512×24的peppers图像。隐藏算法过程包括2方面，一方面，在载体上嵌入秘密信息形成载密图像，即嵌入过程。另一方面，需要从载密图像中取出秘密信息，即提取过程，具体算法描述如下。

3.1 嵌入过程

试验得出，当载密图像无噪声时，即能完好提取出秘密图像，当对载密图像进行攻击实验时，如高斯噪声、泊松噪声攻击时，提取出来的信息很模糊，鲁棒性差，该算法仍需更为完善的拓展与改进。

4 结束语

信息隐藏技术作为信息安全领域的研究热点，发展潜力巨大，本文根据HVS的特性，提出了四比特图像信息替换算法实现图像隐藏，运用MATLAB软件进行算法实现，嵌入信息后的载体图像与原始图像视觉效果基本一致，有效解决了图像信息隐藏问题。但有噪声攻击时，鲁棒性略差，需做切实提升与改进。

参考文献

[1]王炳锡，陈琦，邓峰森.数字水印技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2003

[2]牛振喜.基于LSB及置乱的图像隐藏算法研究[J].西北工业大学学报，2013，31（2）：300-304.

[3]JAYANT N，JOHNSTON J，SAFRANEK R. Signal compression based on models of human perception[J].Proce-edings of the IEEE，1993，81（10）：385-395.

[4] GONZALEZ R C， WOODS R E. Digital image Processing[M]. NewJersey： Prentice Hall，2007.

[5] BANSAL N， DEOLIA K V ， BANSAL A Digital image watermarking using least significant bit technique in different bit positions[C]//Computational Intelligence and Communication Networks （CICN）， 2014 International Conference on. Bhopal： IEEE， 2014：813-818.

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[8]杨榆. 信息隐藏与数字水印实验教程[M]. 北京：国防工业出版社，2009.