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T3：最新技術研究發展資通安全專論T980041雙偽裝影像之可逆式資訊隱藏技術李金鳳1、趙宏林1、陳星琳21.朝陽科技大學資訊管理系2.朝陽科技大學資訊科技研究所博士班摘要隨著網際網路的快速發展，加上人們使用網路來傳送重要資訊的頻率增加，網路上有許多非法的使用者會利用網路安全性的漏洞來竊取或竄改傳輸中的重要訊息，使得訊息在傳遞過程中的安全性議題逐漸被重視。過去專家學者常利用加密技術來解決傳輸過程中資料的安全性問題，雖然加密技術可以增強機密資訊的安全性，但加密過的資料通常會變成一些沒有意義的文字符號，使得在傳輸的過程中容易引起有心人士的注意。有別於透過加密技術來對傳輸資料進行保護，近年來越來越多的學者致力於研究資訊隱藏的議題，在資訊隱藏中大致可以區分為可逆式資訊隱藏與不可逆式資訊隱藏，本文中將介紹近來較新穎的雙偽裝影像之可逆式資訊隱藏技術。關鍵詞：藏密學(Steganography)、資料隱藏(DataHiding)、可逆式資料隱藏(ReversibleDataHiding)、可逆式雙偽裝影像資訊隱藏法(ReversibleDualSteganographicHiding)一、簡介隨著數位資訊科技的發展與進步，透過網際網路任何資料都可以在任何時間、任意地點以數位化的方式呈現，並進行交換。然而在傳遞的過程中資訊如何安全的傳送是目前備受關注的議題。由於網際網路是一個公開的傳輸平台，非法的資訊竊取者會在資訊傳遞的過程中將所傳遞資訊竄改、竊取或偽造，使得傳遞資訊的完整性、可靠性及安全性備受威脅。為了解決資料在傳輸過程中的安全問題，學者們提出了各種方法加以解決，例如密碼學(Cryptography)中的加密演算T3：最新技術研究發展資通安全專論T980042法或是資訊隱藏技術(InformationHidingTechnique)等方法。在密碼學的研究領域中，傳送方會預先將傳送的機密資訊利用加密演算法（例如DES、RSA演算法等）加密後傳送給接收方。雖然這些加密過的機密資訊在傳送的過程中會以密文(Ciphertext)的方式呈現，但在一般公開的網路平台上傳輸這些無意義的密文常會引來非法的第三者針對該密文進行竄改與破壞。此外，密碼學的方法雖然能夠提供一定程度的保護，但加密演算法所需要的運算成本相當高，而且大部分應用皆侷限在數位文字領域上，在其他數位媒體則較少應用範例。有別於密碼學領域中所提供的方法，為了提升數位媒體在傳輸過程中的安全性，目前資訊隱藏技術已被廣泛地應用，所謂資訊隱藏技術是將數位媒體（如影像、聲音或視訊檔等）做些微的修改並當成掩護機密資訊的媒介(CoverMedia)之後，將具有意義的機密資訊嵌入其中，透過傳送這些藏有機密資訊所形成的偽裝媒體來達成傳遞機密資訊的目的。目前在資訊隱藏技術領域中有兩個主要的研究方向，分別為不可逆式資訊隱藏技術與可逆式資訊隱藏技術。不可逆式資訊隱藏技術是指當掩護媒體嵌入機密資訊後，接收方在取出先前所嵌入的機密資訊時，無法完全無失真地還原原始掩護媒體的內容。這種方法最大的優點是擁有極高的資訊嵌入量，對於一些較在乎訊息攜帶量、資訊傳輸效率或是較不在乎偽裝媒體品質的需求者，此種方法可帶來極高的效益。而可逆式資訊隱藏技術則是指掩護媒體嵌入機密資訊，在接收方取出所嵌入的機密資訊之後，能完全無失真的還原原始掩護媒體的內容，此種需求常應用於醫學、軍事或法律等相關領域中。但無失真資訊隱藏技術在嵌入機密資訊時多半會產生額外的資訊，以便將來可以輔助機密資訊的取出，故近年來許多專家學者紛紛投入研究如何提升可逆式資訊隱藏資訊嵌入量與降低額外資訊的議題。在過去的研究中，大致上可將資訊隱藏技術區分為空間域(SpatialDomain)、頻率域(FrequencyDomain)及壓縮域(CompressionDomain)等三個不同類型，以下將介紹空間域資訊隱藏技術。在空間域中最常見的不可逆式資訊隱藏技術為修改T3：最新技術研究發展資通安全專論T980043影像像素值中最不重要位元(LeastSignificantBit,LSB)的方法，2001年Wang等人提出結合LSB替代法與基因演算法進行資訊隱藏的方法，此方法是運用基因演算法來選擇LSB位元與機密資訊之間的最佳化匹配模式，以提升嵌入機密資訊後的偽裝影像品質[1]。然而使用基因演算法在選擇最佳化的嵌入模式時會耗費許多時間，增加機密資訊嵌入過程的複雜度，所以2004年Chan與Cheng兩人提出最佳化像素調整程序(OptimalPixelAdjustmentProcess,OPAP)加以改善[2]。運用Chan等人所提出的最佳化像素調整公式調整經LSB替代法處理過的像素值，使得嵌入機密資訊後的像素值更為接近原始影像像素值，不但提升了偽裝影像的品質，也大幅降低藏密運算時所需的處理時間。2005年Wu等人提出結合像素值差異法(Pixel-ValueDifference)與LSB取代法的資訊隱藏法，Wu等人則利用修改兩像素之間的差異值進行資訊隱藏，目的是為了增加影像的資訊負載量[3]。2008年Yang等人則改善Wu等人所提出的像素值差異法，將兩個像素所產生的差值加以分類，並根據不同類別的差距值來嵌入不同長度的機密資訊，以提升偽裝影像的資訊負載量[4]。另外，2006年Zhang與Wang兩人提出模數函式藏匿法(ExploitingModificationDirection,EMD)[5]，此方法是利用餘數循環的概念進行資訊隱藏，由於具有良好的影像視覺品質與資訊嵌入量，故有許多研究都參考模數函式的概念提出改良式模數函式資訊隱藏法[6,7,8,9]。2007年Zhang等人提出針對像素值進行加／減1運算的雙層資訊隱藏法(Double-LayeredEmbeddingScheme,DLE)[10]，因為只針對影像像素值進行加1或減1的修改，故此方法具有極佳的影像品質，並可維持一定的嵌入效率。不同於前述空間域中的方法，可逆式資訊隱藏技術能在取出機密資訊之後，還能無失真的還原成原始數位媒體內容，常見的可逆式隱藏法如2003年Tian提出之可逆式差異擴張法[11]及2006年Ni等人提出的直方圖資訊隱藏法[12]。由於可逆式資訊隱藏法必須具有可逆的特性，而且必須對掩護媒體進行更大幅度的修改或耗費更多的額外資源來儲存這些媒體回復時所需的特徵資訊，故目前可逆T3：最新技術研究發展資通安全專論T980044式資訊隱藏技術的資訊嵌入量皆低於不可逆式資訊隱藏技術。資訊嵌入量與偽裝影像品質是用來衡量一項資訊隱藏技術優劣的重要指標，近年來資訊隱藏技術發展已逐漸朝向以可逆式資訊隱藏技術為目標，由於可逆式資訊隱藏技術最大的瓶頸在於資訊嵌入量不高（約為1bpp），並且需要額外資訊輔助媒體還原成原始狀態，文中將介紹一些新的雙影像資訊隱藏技術，這些嵌入技術在執行時不會產生大量的額外資訊，即可將媒體還原。有鑑於此，2007年Chang等人提出一個創新的可逆式資訊隱藏概念，此方法是以兩張掩護影像做為機密資訊的載體，如此一來，除了可以增加資訊的嵌入量及保有良好的偽裝影像視覺品質之外，亦可增加機密資訊在傳送過程中的安全性[7]。2009年Lee等人提出以空間座標為基礎的可逆式雙偽裝影像資訊隱藏技術，在平均每個像素值變動量為四分之三的情況下，保有高達52dB以上的偽裝影像的視覺品質[13]。我們希望保留上述優點，並提出一個具有更高嵌入量的可逆式雙偽裝影像資訊隱藏法(ReversibleDualSteganographicEmbedding,RDSE)，我們的靈感來自於Chang等人與Lee等人所提出的方法[7,13]，此RDSE法不僅擁有高資訊嵌入量，並且能維持偽裝影像的品質在平均水準之上。我們將於第二節探討相關的可逆式資訊隱藏方法，第三節介紹雙偽裝影像之可逆式資訊隱藏技術，最後於第四節提供研究心得分享與結論。二、資訊隱藏技術以下將介紹兩個常在空間域使用的可逆式資訊隱藏技術，分別為2003年Tian等人與2004年Alattar所提出的植基於差異擴張概念的資訊隱藏法[14]，以及2006年Ni等人提出的植基於直方圖操作資訊隱藏技術[12]。(一)植基於差異擴張法2003年Tian等人提出以差異擴張(DifferenceExpansion)的方式進行可逆式資訊隱藏。差異擴張法的基本概念是利用鄰近像素值具有相似的特性，計算出兩像T3：最新技術研究發展資通安全專論T980045素之間的差距值，將差距值擴大兩倍使其差距成為偶數，再將機密資訊嵌入至兩倍差值之中。假設機密資訊以二進制表示，如欲嵌入的資料是「0」，則擴張後的差距值還是偶數，若嵌入的資料是「1」，則擴張後的差距值將會變成奇數。利用此原理，當接收方在接收到偽裝影像後，只要判別相鄰兩像素之差距值的LSB值為偶數或奇數，便能得知當初所嵌入的機密資訊為「0」或「1」。Tian等人所提出的差異擴張法於每二個相鄰的像素值間可以嵌入一個機密資訊，故平均資訊負載量為0.5bpp，但由於Tian等人的方法必須記錄一些額外的資訊，才能達到可逆式資訊隱藏的效果，所以實際嵌入的機密資訊之純負載量(PurePayload)必須扣除此額外的資訊量，故實際資訊嵌入量不到0.5bpp。為了增加差異擴張法的資訊負載量，Alattar提出以向量的概念來改善Tian等人以二個像素值配對的可逆式資訊隱藏法[14]。此方法是以多個像素值為一組向量，並計算其向量的權重平均值(WeightedAverage)，以差異擴張法的方式將機密資訊嵌入至像素值中，此方法可將資訊負載量提升到0.75bpp。(二)植基於直方圖操作有別於Tian等人與Alattar所提出的植基於差異擴張法，2006年Ni等人提出利用統計影像中的像素值所產生出的直方圖(Histogram)，透過位移特定像素值的位置進行可逆式資訊隱藏。Ni等人的直方圖位移法由於像素的位移量不多，所以偽裝影像可保持在相當良好的視覺品質，然而其缺點是資訊的嵌入量太低。此方法主要嵌入過程是將整張灰階影像以由左至右、由上至下的方式統計出影像中的像素值，並作成直方圖。在直方圖中出現次數最多的像素值稱為峰值，而直方圖中統計量為0的像素值就稱為零點，當找不到零點時，則找出像素值中數量最少的低點。將峰值與零值之間的每一個像素值皆進行位移，進而產生可以嵌入機密資訊的額外空間，峰值的數量即為資訊的最大可嵌入量。以大小為512512×的Lena灰階影像為例，經統計其峰值為2,745，則代表最大可嵌入量為2,745bits。2006年Hsieh與Tseng兩人提出一個改良式的直方圖修改法，將整張灰階影像切割成44×區塊，針對區塊作直方圖，統計完每個區塊像素值後可以發現峰值，再將區塊內像素值大於峰值的值往右移一個單位，即像素值加1；而像素值T3：最新技術研究發展資通安全專論T980046小於峰值的值往左移一個單位，即像素值減1，如此可在峰值左右創造出兩個零點，因為此方法會在位移的過程中產生溢位（上溢／下溢）的問題，所以必須額外記錄這些溢位的資訊[15]。2007年Fallahpour與Sedaaghi兩人提出改善Ni等人的直方圖位移法，將掩護影像切割成4或16個區塊，再利用Ni等人的方法進行嵌入，當區塊切割數量越多時，嵌入量也越多[16]。目前常見可逆式資訊隱藏法之視覺品質與最大嵌入量的比較如表1所示。表1常用可逆式資訊隱藏法之比較表PSNR(dB)最大資訊負載量(bpp)上溢／下溢Tian(2003年)36.15dB0.50bppYesAlatter(2004年)35.80dB0.75bppYesNi等人(2006年)48.70dB0.20bppYesFallahpour等人(2007年)48.80dB0.37bppYes由表1中可知，常用可逆式資訊隱藏法皆有上溢／下溢的問題。其中，直方圖位移法較簡單，其最大資訊負載量較小，但其相對能保有較佳的影像品質；此外，亦介紹我們所提出的三、雙偽裝影像之可逆式資訊隱藏技術本節將介紹三個雙偽裝影像之可逆式資訊隱藏技術，分別為2007年Cha