密文域信息隐藏技术研究

论文总字数：32663字

目 录

1 绪论 1

1.1背景及意义 1

1.2研究现状 2

1.2.1加密算法研究现状 2

1.2.2隐写算法研究现状 2

1.2.3密文域可逆隐写研究现状 4

1.3论文的研究内容和结构 5

1.3.1研究内容 5

1.3.2组织结构 6

2 图像加密与隐写 7

2.1图像加密技术 7

2.1.1图像加密基本概念 7

2.1.2图像加密经典算法 7

2.1.3图像加密算法评价指标 9

2.2图像隐写技术 9

2.2.1图像隐写基本概念 9

2.2.2图像隐写经典算法 9

2.2.3图像隐写算法评价指标 10

2.3本章小结 11

3 密文域可逆隐写 11

3.1本文算法思想 11

3.2图像加密和秘密信息嵌入 12

3.2.1基于Arnold变换的置乱加密 12

3.2.2基于混沌序列的异或加密 13

3.2.3基于直方图平移的hash验证值嵌入 14

3.2.4基于差分扩展的信息嵌入 15

3.3图像解密与秘密信息提取 17

3.3.1哈希验证值提取 17

3.3.2秘密信息提取 17

3.3.3图像解密 18

3.4本章小结 19

4 实验结果分析 19

4.1算法耗时 20

4.2 嵌入容量 20

4.3算法安全性 21

4.3.1密文图像相关性 21

4.3.2密文图像直方图 22

4.3.3含密图像相似性 23

4.3.4篡改检测能力 23

4.4本章小结 25

5 总结与展望 26

5.1本文总结 26

5.2工作展望 26

参考文献 27

致谢 30

密文域信息隐藏技术研究

夏皖

，China

Abstract：As the computer communication technology developing, digital images have gradually become the main medium in multimedia communication. In view of the security problems that images are easily intercepted and tampered by third parties in the process of their transmission, this paper studies the implementation of data reversible steganography in the ciphertext image domain. Firstly, the background and current status of existing encryption algorithms and reversible steganography algorithms are studied. Secondly, according to the characteristics of the existing encryption algorithms and steganographic algorithms, combined with the applicability of the two, a new ciphertext domain reversible steganographic algorithm is proposed, which embeds ciphertext information using differential expansion and embeds tamper-proof hash values using histogram translation. Finally, it is proved that the proposed algorithm can compare the advantages of the existing partial encryption domain reversible steganography algorithm with fast encryption, large embedded capacity, and detectable tamper attacks. The ciphertext domain information hiding scheme in this paper combines the encryption technology with the steganographic technology to achieve efficient data protection in important areas such as military and medical care.

Key words：encryption; reversible steganography; difference expansion; Huffman coding；histogram shifting

1 绪论

1.1背景及意义

进入21世纪之后随着信息编码技术和计算机网络技术迅速发展，由此带来了信息传播手段的巨大改变：从文字交流到图片交流，从语音通话到视频交谈。日益发展的编码技术和压缩技术使得人与人之间的信息交流变得愈来愈方便快捷，也越来越依赖于使用基于多媒体分享的社交平台。多媒体的发展极大满足了人们表达欲的同时也因其便于分享获取的特性带来了安全、隐私等方面的隐患。这也是一久以来伴随互联网发展过程中难以避免的问题。尤其是近几年来，信息传播的方式越来越多样化、立体化，当传播的信息涉及到个人隐私、公司机密、行业秘密、国家机密等其他秘密数据时，安全问题首当其冲。当前普遍的做法是，在传输数据之前先对数据进行加密，最后在接收端解密。然而此种做法会牺牲一定的便捷性，因此如何在利用多媒体其便捷性的同时保证数据的安全性是在数据传输、接受、存储、处理等过程中不可避免的问题。

加密是保护重要数据不被泄露和窃取的重要手段之一，其主要流程是将原始明文数据通过特定算法一一映射成新的随机无规律的密文数据，在第三方视角下，经过加密的数据根本无法识别，在未知加密算法所使用密钥的情况下，破解密文极其困难，而在接收方，只需要知道对应的算法和解密密钥即可顺利提取原始明文数据。考虑到当前数字多媒体领域中图像、音频、视频等体积较大，直接套用现有的文本加密算法会出现加密时间过长，加密效果不理想等问题，因此如何如何选择、改进、设计新的适合于多媒体数据的加密算法也是当下的热点之一。

隐写技术一种可以将额外信息嵌入到正常数据之中实现秘密通信的技术，例如数字水印，将版权信息嵌入到数字产品中是数字隐写最为广泛的应用。此类隐写利用人眼对视觉图像微小变换的不敏感性，将秘密信息隐藏在对图像部分像素的微小改动中，达到隐秘通信。目前主流的隐写技术根据应用场合的不同又分为两个不同的方向，在大多数场合比如数字作品版权保护领域，采用不可逆隐写即可，但在一些同时注重秘密信息安全性和原始数据完整性的领域例如军事地图勘测、商业机密存储等，基本使用可逆隐写。不可逆隐写则在提取秘密信息后无法恢复原始图像，而可逆隐写即接收方提取秘密信息后可将原始载体数据几乎完全复原。

加密技术与隐藏技术的结合互补在一些对隐私性比较高，又高保密要求的领域有着光明的前景。例如：为了保护病人的隐私，数据库接收到的病人医学影像既是经过加密的又含有病人的相关信息在其内，不仅方便管理和查看，更是极大地保护了病人的隐私；同理，在军事方面，前线进行地图测绘传回时，一副经过加密含有附注信息的图像降低了因为分开传送图像和附注信息而被敌军和不法分子拦截破解的不安全性，在没有图像解密密钥和信息提取密钥的情况下，即使拦截到了图像，也是一副全是噪点的无意义图像，既无法恢复图像原貌也无法提取任何有价值信息。

因此在当前的互联网时代研究密文域的可逆信息隐藏不仅具有一定的理论意义还有重要的现实意义。

1.2研究现状

1.2.1加密算法研究现状

图像作为当前使用最广泛的多媒体交流形式有着数据量大、易于传输、内容抗压缩等性质，但传统应对于文本的加密算法例如DES、AES等在处理图像格式数据时总是会凸显出，加密速度慢、耗费大量资源与内存空间、加密后图像特征依旧存在等问题。因此涉及到图像加密时，为了保证密文图像的安全性和算法运行的效率，需要我们设计研究出适用于图像的加密算法。

置乱加密算法通过打破相邻像素的相关性，从而扰乱图像传达的信息是线对图像内容的加密。例如Maniccam在文献^[1]中提出了基于SCAN语言的置乱加密算法，齐旭东和丁玮等人实现了基于Arnold变换、幻方变换、Fass曲线等矩阵变换的加密算法，为了完善前者的研究孔涛等人在置乱加密中率先使用Arnold反变换作为图像解密方法。林雪辉等人提出了基于Hilbert变换的置乱加密，万里红也研究提出了基于三维Hilbrt曲线的图像置乱方法。虽然置乱方法有着操作便捷、运行占用空间小、加密效果显著等优点，但加密后的图像直方统计图并未改变，很有可能会遭到基于已知明文的统计分析攻击。

为了解决置乱加密后图像易暴露出直方图统计特征的缺陷，Ye在文献^[2]中提出了可以同时修改像素点位置及其对应像素值的加密算法，Wang等人^[3]提出了利用细胞自动生成机生成加密序列再用混沌映射加密图像的置乱算法。而另一种经典的压缩编码加密算法通过先对图像压缩操作再进行加密操作，有效降低了图像体积的同时也修改了图像的直方统计图。

近几年来逐渐兴起的混沌加密技术则利用混沌系统的周期不稳定性、结果不准确性、初值敏感性等特征对图像进行加密，具有实现简单、能够抗统计分析等特点，十分适用于图像加密工作，具有很大的研究潜力。

1.2.2隐写算法研究现状

数据隐写兴起于二十世纪九十年代，依靠于数字图像自身的冗余性和人类视觉系统对图像像素微小变化的不敏感性，通过修改图像中的部分像素值来额外传递信息。隐写按照能否无损恢复原始载体图像又分为可逆隐写和不可逆隐写，可逆是指在提取嵌入数据之后可以无损恢复载体图像，不可逆即是不可恢复。主要的数据隐写算法介绍如下：

（1）最低有效位嵌入算法简称LSB（Least Significant Bit）算法,该算法将最低位平面的值直接置换成待嵌入比特值实现信息的嵌入，该算法具有易操作，高载荷，运算快等优点，但安全性较差，之后陆续有研究人员不断在LSB算法基础上改进，不断优化该算法。Das等人^[4]提出先对待嵌入信息进行哈夫曼编码再嵌入到载体图像中变相提高了嵌入容量。Chan等人^[5]也提出的最佳像素适应OPAP算法，该算法在LSB算法的结果图像质量方面进行了优化，提高含密载体视觉上的图像质量。之后随着可逆隐写技术RDH的兴起，Zhang^[6]于2011年，首次阐述了“密文可逆隐写”的基本思路，该算法在LSB算法的基础上先使用加密比特流对空域图像的8个位平面进行异或加密，并通过依次改变每个像素块中的3个最低有效位实施信息嵌入，提取时先通过波动函数计算每个像素块对应的平滑度再恢复像素值，此算法的缺陷在于，当像素较小时恢复的正确率比较低，且此算法未考虑边缘像素的情况，此情况下同样会降低正确率。之后Hong^[7]、刘^[8]等人也分别在Zhang的基础上，使用波动测量函数、边缘检测算法以及图像有效位分块技术对其进行了改进。

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