基于数字图像的隐蔽通信技术研究

一、背景介绍随着信息技术的不断发展，通信安全成为了一个很重要的课题，一个国家信息系统的失控和崩溃将导致整个国家经济瘫痪，进而影响到国家安全。显然，传统的信息加密已被时代淘汰，取而代之的是隐蔽通信技术，它确保了通信的安全性和隐蔽性。为此，它得到了国内外的研究人员的高度关注，并在这方面有了一个长足的发展。二、隐蔽通信技术简介隐蔽通信的基本模型隐蔽通信的分类隐蔽通信的特点隐蔽通信技术的应用2.1隐蔽通信的基本模型嵌入运算提取运算密钥生成与分配隐秘攻击秘密信息秘密信息原始数据嵌入密钥合成数据提取密钥图1隐蔽通信的基本模型2.2信息隐藏的分类隐蔽信道隐写术水印数字水印消息隐藏语义隐写技术隐写稳健水印脆弱水印数字指纹匿名通信不可见水印可见水印图2信息隐藏的分类三、图像信息及隐蔽通信算法的简介图像信息的特点图像信息处理的主要内容图像质量的评价方法隐蔽通信算法3.1空域算法空域隐蔽技术是指将秘密信息嵌入数字图像的空间域中，即对像素灰度值进行修改以隐藏秘密信息。它包括LSB算法和基于统计的信息隐藏算法。特点：算法简单、计算速度快、隐藏信息量大，且一般可以实现盲提取，但鲁棒性较差，对于载体图像的压缩、噪声扰动等攻击的抵抗力较弱。3.2变换域隐蔽通信算法图3变换域秘密信息的嵌入模型原始信息（原始图像）秘密信息（秘密图像）正交变换正交变换感知分析数据嵌入感知分析逆正交变换隐藏秘密信息的载体图像（隐密图像）图4变换域秘密信息提取模型原始信息（原始图像）隐藏秘密信息的载体图像（隐密图像）正交变换正交变换感知分析数据提取逆正交变换恢复的秘密信息（秘密图像）特点：变换域信息隐藏技术是在频域嵌入信息的，其具有很好的鲁棒性四、基于数字图像的隐蔽通信技术的DCT算法DCT算法的实现流程图及其算法运行结果及分析4.1DCT算法的实现流程图及其算法DCT量化嵌入反量化逆DCT原始图像量化表秘密信息量化表隐密图像图5基于图像DCT变换嵌入隐藏信息的流程图DCT量化提取量化表秘密信息隐秘图像图6基于图像DCT变换提取隐藏信息的流程图10(,),0,1,1(,)(,),0,8kkkkfxykkfxyfxyxy（2）对于每个图像子块进行DCT变换，得到：(,)(,),0,8,0,8kkFuvDCTfxyxyuv具体的算法实现过程：（1）先将原始图像的分割为互不重叠的8x8子块，记为（3）选择部分DCT系数嵌入秘密信息。常用的方式有直接修改DCT系数和采用数学公式变换修改DCT系数。公式变换的嵌入方式有三种方法：(,)(,)(,)(,)(,)1(,)(,)(,)(,)kkkkGmnkkFuvFuvGmnFuvGmnFuvFuvFuve（4）对每个图像块做IDCT变换，拼接所有的图像块后得到含有秘密信息的隐密图像。10(,)(,)kkkfxyIDCTFuv提取过程为上述嵌入秘密信息算法的逆运算：先将隐密图像分割为互不重叠的8×8子块；对每一个子块进行DCT变换；然后对DCT变换后的系数进行嵌入算法的相反运算，得到提取的图像子块；最后将上面得到的所有图像子块合并成一个完整的图像即得到的秘密图像。其中为需要嵌入的秘密信息经过分块处理后的子块，a为嵌入强度因子。三式分别为加性嵌入、乘性嵌入和指数嵌入方式。(,)Gmn4.2运行结果及分析（a）原始载体图像（b）秘密信息（c）隐密图像（d）提取的秘密图像图78×8分块嵌入下秘密信息的嵌入和提取上图中，载体图像为512×512的灰度图像，秘密信息为64×64的灰度图像，进行了8×8分块嵌入和提取的结果。从主观上看隐秘图像和载体图像基本上没什么区别，隐藏效果较好。提取的秘密信息效果同样是理想的。且从运行结果中峰值信噪比PSNR=42.769，NC=1得此算法的性能较好。（a）原始载体图像的直方图（b）嵌入秘密信息的图像的直方图图8嵌入信息前后的直方图比较由此直方图可知，从客观上说明了隐密图像和原始载体图像具有相同的能量分布，它们无明显区别，此算法具有较好的隐蔽性。（a）原始载体（b）秘密信息（c）隐秘图像（d）提取的图像图94×4分块嵌入和提取的秘密信息图中原始载体图像为512×512，秘密信息为128×128，NC=0.9997，PSNR=35.3328显然，其信息隐藏量变成了原来的4倍（512×512÷（8×8）=64×64,512×512÷（4×4）=128×128），但它的PSNR和NC值都减小了，但从主观上看其效果还是可以的。由上表可知：对于8×8分块算法，其载体的相对容量虽然较小，但其隐蔽性好，恢复的图像也很好，其在无干扰情况下NC值大都为1，PSNR值也都在38-46之间。在受到各种攻击后其NC值也都变化不大，都在0.9左右，说明其具有很好的鲁棒性。表18×8分块下隐蔽通信中各性能的比较载体图像Lena1.bmpJiaotang.jpgpeppers400.jpgLena_gray.bmpcameraman.tif载体大小512×512512×512logo40.tif256×256256×256秘密图像Logo64Logo64400×400Logo32Logo32秘密图像大小64×6464×6440×4032×3232×32NC值1.000.96541.001.001.00PSNR42.76938.124546.254739.222338.8693添加白噪声后的NC值0.94940.90330.94480.95040.9571添加白噪声后的PSNR42.76938.124546.254739.222338.8693滤波后的NC值0.94550.87950.94850.91080.9107滤波后的PSNR值42.76938.124546.254739.222338.8693剪切后的NC值0.95070.91680.88590.91330.8792剪切后的PSNR值42.76938.124546.254739.222338.8693JPEG压缩有的NC值0.92860.85030.84380.91450.8689JPEG压缩有的PSNR值42.76938.124546.254739.222338.9875由上表可知:4×4分块的算法中，在载体相同，分块嵌入像素点相同的情况下，其嵌入秘密信息的容量较大，但通过实验也表明在载体相同，秘密图像相同的情况下，4×4分块算法的NC值较小，即使不受任何干扰恢复出的图像上也是有很多的白点，其在受到各种干扰后提取的图像上遍布白点，但其NC值都在0.7以上，并没有影响图像的认知。但其在嵌入信息量较大时明显看出其分块边缘性很强。同时也可以看出同样的秘密图像嵌入不同特性、不同大小的载体图像其NC值和PSNR值都是不同的，说明隐蔽通信的保真度、隐蔽性、鲁棒性及容量与载体图像的图像特征、大小都有关系。表24×4分块下隐蔽通信中各性能的比较载体图像lena1.bmplena1.bmpjiaotang.jpglena_gary.bmpcameraman.tif载体大小512×512512×512512×512256×256256×256秘密图像Logo128Logo64Logo128Logo64Logo64秘密图像大小128×12864×64128×12864×6464×64NC值0.99970.99950.95961.000.9980PSNR35.332842.363532.588831.348031.639添加白噪声后NC值0.89260.88280.84440.89450.8894添加白噪声后PSNR35.332842.363532.588831.348031.639滤波后的NC值0.74050.77050.71350.68790.7557滤波后的PSNR值35.332842.363532.588831.348031.639剪切后的NC值0.94660.96890.91120.91120.9092剪切后的PSNR值35.332842.363532.588831.348031.639JPEG压缩有的NC值0.74590.72630.68790.77190.7313JPEG压缩有PSNR值35.332842.363532.588831.348031.639结论通过对上述实验数据的分析得出：8×8分块算法具有更好的隐蔽性、逼真度及更好的鲁棒性，但在载体一定，分块嵌入的像素点数一样的情况下较4×4分块的容量小。同时还表明了，隐蔽通信的保真度、隐蔽性、鲁棒性及容量与载体图像的图像特征、大小都有关系，即在进行隐蔽通信之前选好一个适当的载体是非常重要的。谢谢大家！