0 引言

    信息隱藏是指通信雙方在有第三方的監(jiān)視下，將秘密信息以一種不可見的方式傳輸，常被應(yīng)用于軍事領(lǐng)域等一些重要場合。信息隱藏技術(shù)一直是信息安全領(lǐng)域的重要組成部分，在過去的20年內(nèi)，信息隱藏技術(shù)得到極大的發(fā)展。首先是隱藏域的擴(kuò)大，從剛開始的空域、頻域，到近些年新提出的加密域^[1]等，它們都是將載體做信號變換處理，然后將秘密信息嵌入到變換后的載體中，第三方無法輕易判斷出載體是否攜帶秘密信息；其次是隱藏算法的增加，最開始提出的是圖像空域LSB算法^[2]，該算法嵌入容量大且易實(shí)現(xiàn)，使用極為廣泛，但是容易被卡方檢驗(yàn)等統(tǒng)計(jì)分析方法判斷出是否攜帶有秘密信息；DE算法^[3]是最常見的可逆隱藏算法，但是由于嵌入容量較小，魯棒性較差，受到壓縮、變形等攻擊后不能無損的恢復(fù)，實(shí)際情況中依舊不被廣泛使用；最后是隱藏載體的增多，從被研究最早同時也是最徹底的圖像載體^[4]和音頻載體，到PowerPoint文件^[5]和TCP幀^[6]等載體中都可以實(shí)現(xiàn)信息隱藏。

    在游戲中隱藏信息以實(shí)現(xiàn)隱秘通信引起一些國內(nèi)外學(xué)者的注意，他們利用游戲的各種特點(diǎn)，在不改變游戲規(guī)則的前提下，同樣實(shí)現(xiàn)信息隱藏。吳軍等^[7]提出一種基于《七巧板》游戲的圖像信息偽裝算法，將機(jī)密數(shù)字圖像和載體圖像分成適當(dāng)?shù)男K，按一定的條件尋找匹配關(guān)系, 然后將描述匹配關(guān)系的參數(shù)經(jīng)編碼后隱藏在載體圖像之中,到接收方提取出描述匹配關(guān)系的參數(shù),然后利用這些匹配關(guān)系恢復(fù)出機(jī)密圖像。Hernandez-Castro等^[8]提出在游戲中實(shí)現(xiàn)信息隱藏的框架，并將其應(yīng)用于《圍棋》游戲中；Lee等^[9]提出在《迷宮》游戲中的隱藏方法，將信息隱藏在解密該迷宮的路徑中，只有知道這種方法的人才可以獲取到秘密信息。但是，它們的嵌入容量都受到游戲自身大小的限制；Zhan-He^[10]等在《俄羅斯方塊》游戲中實(shí)現(xiàn)信息隱藏，將游戲中7種不同的板塊抽象為數(shù)字0～6，采用了基于七進(jìn)制而非廣泛應(yīng)用的二進(jìn)制編碼秘密信息。

    本文同樣提出一種基于《俄羅斯方塊》游戲的信息隱藏方法，與文獻(xiàn)[10]不同的是，本文的方案適用于二進(jìn)制編碼表示的信息，且在嵌入容量方面優(yōu)于文獻(xiàn)[10]。

1 關(guān)于《俄羅斯方塊》游戲

    《俄羅斯方塊》是由俄羅斯人阿列克謝·帕基特諾夫發(fā)明的一款休閑游戲。該游戲由4個小方塊組成的不同形狀的板塊陸續(xù)從屏幕上方落下來，板塊可以旋轉(zhuǎn)和調(diào)整位置，使它們在屏幕底部拼出完整的一條或幾條，這些完整的橫條會隨即消失，給新落下來的板塊騰出空間，與此同時，玩家得到分?jǐn)?shù)獎勵。沒有被消除掉的方塊不斷堆積起來，一旦堆到屏幕頂端，玩家便告輸，游戲結(jié)束。

2 本文方案

    本文的核心思想是：在不改變游戲規(guī)則的前提下，將秘密信息加載到游戲中板塊的下落過程中，從而實(shí)現(xiàn)信息隱藏。

2.1 隱寫原理

    《俄羅斯方塊》游戲中共有7種不同的板塊，分別用ti(i∈[0，6]∩Z)表示，如圖1所示。

    其中每個板塊可以攜帶3 bit信息I={i₀ i₁ i₂|i₀，i₁，i₂∈{0，1}}，i_k(k=0，1，2)的取值分別如下：

    (1)i₀的取值：t₀板塊的落下不攜帶任何信息，其余6種板塊t_i(i=1，2，3，4，5，6)根據(jù)形態(tài)變化的數(shù)量分為兩個板塊組，其中，表示有兩種形態(tài)變化的組為M₀={t₁，t₂，t₃}，表示有4種形態(tài)變化的組為M₁={t₄，t₅，t₆}。如果本次落下的板塊t_i屬于M₀，i₀=0；否則，如果本次落下的板塊t_i屬于M₁，則i₀=1。

    (2)i₁的取值：不同的板塊組有不同的形態(tài)變化，如圖1所示，其中t₀板塊沒有變化，M₀中的板塊有兩種形態(tài)的變化，分別用a、b表示；M₁中的板塊有4種形態(tài)的變化，分別用a、b、c、d表示。每個板塊t_i的形態(tài)變化都是從a形態(tài)開始，順時針旋轉(zhuǎn)n×90°(n∈[0，3]∩Z)后得到。假設(shè)每個板塊初始落下的形態(tài)用v=0表示，每經(jīng)過一次旋轉(zhuǎn)v+1(mod2)，i₁的值為該板塊最終落到屏幕底部時的v值。例如，設(shè)某板塊落下的初始形態(tài)為t₄.b，最終形態(tài)為t₄.a，期間需要順時針旋轉(zhuǎn)3×90°，其形態(tài)與v值如表1所示。

    (3)i₂的取值：每個板塊都是從游戲區(qū)域的中間落下。d為板塊最終落到屏幕底部的位置相對于初始位置的距離，如果d%2(%為取余運(yùn)算)=1，則i₂=1，否則如果d%2=0，i₂=0。如圖2、圖3所示，板塊最終落到屏幕底部的位置相對于初始位置的距離d=1，d%2=0,則此時i₂=0。

    綜上所述，一個板塊的從游戲區(qū)域的頂部落到區(qū)域底部可以攜帶3 bit秘密信息，規(guī)則如表2所示。

2.2 隱秘通信方案

    一個完整的隱秘通信系統(tǒng)必須包括表示信息傳輸?shù)拈_始及結(jié)束的標(biāo)識，這部分將介紹它們，并就基于2.1的算法提供一個完整的方案。

    該方案可以用元組表示：Ω＝{P，W，R，I，G}。P表示游戲雙方，P={Sender，Receiver}；W是第三方攻擊者，Wendy，他有能力破解該通信系統(tǒng)；R表示規(guī)則的集合，包括傳輸信息的開始規(guī)則、板塊下落攜帶信息規(guī)則以及信息傳輸?shù)耐瓿梢?guī)則等；I是秘密信息，I的內(nèi)容不能被W獲取到；G表示該《俄羅斯方塊》游戲。

    該隱秘通信的方案如下：

    (1)Sender和Receiver之間共享一對公鑰和私鑰，Sender通過RSA非對稱加密算法，將隨機(jī)種子Rs加密，Rs的作用是生成偽隨機(jī)序列K(K_i∈{0，1})，i∈0，1，2，…，M)，Sender利用該序列以按位異或的方式加密欲傳輸?shù)拿孛苄畔(I_i∈{0，1})，i∈0，1，2，…，M)，得到C，C是Sender在游戲中實(shí)際傳輸?shù)男畔ⅰ=c_i=I_ik_i(i=0，1，2，…，M)。

    (2)Sender將加密后的R_s（長度為L，且Receiver已提前知悉）與M bit信息按如下方式組合：R_s+C，并將其分為(M+L)/3組，分別用T₁，T₁，…，T_k(k∈[1，(M+L)/3])表示。對于每組T_k，第一個比特的值決定該攜帶該組信息的板塊t_i∈M₀還是t_i∈M₁，Sender重新編程實(shí)現(xiàn)《俄羅斯方塊》游戲，特點(diǎn)如下：

    ①游戲G接收到Sender開始傳輸信息的信號之前，G中板塊落下規(guī)則與普通游戲相同。

    ②G接收到Sender開始傳輸信息的信號后，根據(jù)選擇下落板塊t_i∈M₀或t_i∈M₁，并從它們中隨機(jī)選擇某個板塊t_i落下。

    ③G接收到Sender完成信息傳輸?shù)男盘栔?，G將板塊下落規(guī)則恢復(fù)成正常游戲的規(guī)則。Sender將重新編程后的游戲上傳到在線游戲網(wǎng)站中。

    (3)Sender邀請Receiver參與在線《俄羅斯方塊》游戲，模式為雙人競賽模式。

    (4)當(dāng)Sender第一次消去完整的橫條時，表示下一次落下的板塊中攜帶有信息。

    (5)Receiver收到Sender開始傳輸信息的信號后，開始記錄Sender端每一個板塊的下落、旋轉(zhuǎn)和移動等相關(guān)信息。

    (6)當(dāng)Sender將某個板塊快速地落到屏幕最底層，表示他已經(jīng)完成R_s+C的傳輸。Receiver收到此信號后，停止記錄板塊的信息，并根據(jù)2.1所述原理，得到與Sender相同的種子R_s和加密后的信息C，生成與Sender相同的偽隨機(jī)序列K，解密后得到秘密信息I：c_ik_i=I_ik_ik_i=I_i(i=0，1，2，…，M)。

    (7)如果信息傳輸完成時，Sender或Receiver還未完成游戲，則繼續(xù)完成游戲即可，此后的游戲并不影響信息傳輸；若Sender的游戲已經(jīng)結(jié)束，但信息還未完成傳輸，Sender要重新開始下一局游戲，重復(fù)步驟(3)～(6)，直到所有的信息傳輸完成。

    注意：為提高方案的安全性，在攜帶信息的板塊中，每7個至少有一個t₀板塊。同時，要保證每局游戲的R_s均不同。

3 安全性分析

    信息隱藏技術(shù)最重要的指標(biāo)是其安全性。信息隱藏的安全性分為兩類^[11]：

    第一類：信息隱藏技術(shù)是S1安全的，是指攻擊者W沒有合理的理由證明經(jīng)過傳輸信息的通訊信息S中隱藏有秘密信息I。

    第二類：信息隱藏技術(shù)是S2安全的，是指攻擊者W無法破壞經(jīng)過傳輸信道的通信信息S中隱藏的所有秘密信息I。

4 實(shí)驗(yàn)

    從《俄羅斯方塊》官方網(wǎng)站中選擇3種不同種類的游戲，每種游戲落下的板塊均總數(shù)超過10 000，分別記錄7種板塊出現(xiàn)的次數(shù)，并計(jì)算其頻率。同時，選取不同大小的3組比特序列，分別用本文提到的算法和文獻(xiàn)[10]的算法傳輸，記錄3局游戲中每個板塊出現(xiàn)的頻率，如圖4所示。

    從圖中可以看出，普通《俄羅斯方塊》游戲的板塊頻率出現(xiàn)在[0.135,015]內(nèi)，接近1/7（約為0.143），而本文提到的算法中板塊的頻率同樣浮動在1/7上下，由此可證明該算法是S1安全的。

    在上述實(shí)驗(yàn)的同時，同時記錄下文獻(xiàn)[10]的算法與本文提到的算法中的核心板塊的數(shù)量，如表3所示。

    由表中數(shù)據(jù)可知，本算法在嵌入容量方面高于文獻(xiàn)[10]。

5 結(jié)論

    本文提出了一種新穎的安全隱寫方法，在《俄羅斯方塊》游戲中隱藏信息，首先依據(jù)板塊的變化數(shù)量，將板塊分類，然后通過板塊的移動、旋轉(zhuǎn)等方式，在板塊的落下過程中攜帶信息，每個板塊都可以攜帶3 bit的信息。本文從理論和實(shí)驗(yàn)方面，分別證明了本算法可達(dá)到S1安全，同時分析證明了本方案在嵌入容量方面得到提升。由于本文的方案在嵌入容量方面依賴于游戲本身的大小，所以接下來的研究重點(diǎn)是改進(jìn)該方案，增大嵌入容量以及在其他游戲載體中嵌入秘密信息，實(shí)現(xiàn)隱秘通信。

參考文獻(xiàn)

[1] ZHANG X.Reversible data hiding in encrypted image[J].Signal Processing Letters，IEEE，2011，18(4)：255-258.

[2] 劉粉林.數(shù)字圖像隱寫分析[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[3] TIAN J.Reversible data embedding using a difference expansion[J].IEEE Trans.Circuits Syst.Video Techn.，2003，13(8)：890-896.

[4] 陳夠喜，伍玉良，張鵬程，等.二值圖像中的安全隱寫[J].小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，2012，33(7)：1625-1628.

[5] YANG W C，CHEN L H.A steganographic method via various animations in PowerPoint files[J].Multimedia Tools and Applications，2013，74(3)：1003-1019.

[6] WENDEZL S，ZANDER S，F(xiàn)ECHNER B，et al.Pattern-based survey and categorization of network covert channel techniques[J].ACM Computing Surveys(CSUR)，2015，47(3)：50.

[7] 吳軍，吳秋新.一種基于七巧板游戲的數(shù)字圖像信息偽裝方法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2004，24(6)：125-128.

[8] HERNANDEZ-CASTRO J C，BLASCO-LOPEZ I，ESTEVEZ-TAPIADOR J M，et al.Steganography in games：A general methodology and its application to the game of Go[J].Computers & Security，2006，25(1)：64-71.

[9] LEE H L，LEE C F，CHEN L H.A perfect maze based steganographic method[J].Journal of Systems and Software，2010，83(12)：2528-2535.

[10] OU Z H，CHEN L H.A steganographic method based on tetris games[J].Information Sciences，2014，276：343-353.

[11] 林代茂，胡嵐，郭云彪，等.廣義信息隱藏技術(shù)的安全問題[J].中山大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，43(A02)：14-16.