信息隱藏技術(shù)是信息安全領(lǐng)域的一門新興學(xué)科。信息隱藏主要研究如何將某一機(jī)密信息通過一定的算法隱藏于另一公開的信息中，然后通過公開信息的傳輸來傳遞機(jī)密信息。承載秘密信息的載體可以是靜止圖像、音頻、文本和視頻等數(shù)字媒體。
　　在信息隱藏技術(shù)中，透明性(即視覺的不可知性)、魯棒性(即隱藏的信息不易丟失及被破壞，可鑒別或恢復(fù))和安全性(不易被無關(guān)人員檢測、恢復(fù))等是評價信息隱藏算法性能的重要指標(biāo)，但這些指標(biāo)之間存在著一定的矛盾。解決這一矛盾的有效途徑之一是充分利用人類感覺系統(tǒng)的各種掩蔽特性，結(jié)合載體的局部特征，自適應(yīng)地隱藏秘密信息。
　　本文提出的信息隱藏算法以彩色靜止圖像為載體，以二值文字圖像" title="二值文字圖像">二值文字圖像為秘密信息，先用離散化、幻方置亂、位擴(kuò)展及混沌調(diào)制對文字圖像進(jìn)行預(yù)處理，再將經(jīng)過預(yù)處理的秘密信息根據(jù)人類視覺系統(tǒng)的感知特性以自適應(yīng)的方式嵌入到載體中。
1 隱藏方案
1.1基本原理
　　彩色靜止圖像每個像素點的顏色值由紅、綠、藍(lán)三個分量組成。將一幅彩色圖像分塊后對紅、綠、藍(lán)三個分量分別作DCT變換，每塊得到三個DCT系數(shù)矩陣，選擇系數(shù)矩陣中的低頻分量，根據(jù)待隱藏信息的值決定相應(yīng)的系數(shù)是否需要修改。當(dāng)值為0時，對應(yīng)的低頻系數(shù)保持不變；當(dāng)值為1時，修改對應(yīng)的低頻系數(shù)。修改系數(shù)時，先給出一個系數(shù)總改變量，然后適當(dāng)調(diào)整紅、綠、藍(lán)三個低頻系數(shù)的值。每種顏色系數(shù)的調(diào)整量與該顏色系數(shù)大小成正比，三種顏色系數(shù)調(diào)整值之和等于系數(shù)總改變量。假設(shè)系數(shù)總改變量為Δ₁，對應(yīng)的紅、綠、藍(lán)低頻系數(shù)分別為f_r、f_g和f_b，則得到各自的調(diào)整量分別為Δ₁*f_r/(f_r+f_g+f_b)、Δ₁*f_g/(f_r+f_g+f_b)及Δ₁*f_b/(f_r+f_g+f_b)。這樣可以兼顧透明性和魯棒性。
　　由于人眼對紅、綠、藍(lán)三種顏色的敏感程度不同，人眼對綠色敏感度最高，紅色次之，而藍(lán)色最低，因此可對紅、綠、藍(lán)三個低頻系數(shù)再作調(diào)整。假設(shè)二次調(diào)整的總改變量為Δ₂，則三個系數(shù)調(diào)整量分別為0.50×0.11×Δ₂、0.39×0.11×Δ₂及0.39×0.50×Δ₂。這樣總的嵌入強(qiáng)度為Δ₁與Δ₂之和。Δ₁與Δ₂可同為正或負(fù)，可任意指定。
1.2 文字圖像的預(yù)處理
　　為提高隱藏信息抗干擾的能力，在嵌入秘密信息前，先對二值文字圖像進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理步驟如下：
　　(1)文字圖像的離散化。將二值文字圖像映射成一維序列，映射時像素點的選取按一定間隔依次讀取。設(shè)二值文字圖像為W，大小為m×n，其二維像素點映射成一維序列為W₀={w₀(i)，i=1，2，3……m×n}，按照一定間隔dis1讀取像素點，如dis1為3，則先讀取序號為1、4、7、……n₁(n₁≤m×n)的點，再讀取序號為2、5、8、……n₂(n₂≤m×n)的點，最后讀取序號為3、6、9、……n₃(n₃≤m×)的點，離散化后得到一維序列W₁={w₁(i)，i=1，2，3，……m×n}。
　　離散化的目的是減少數(shù)據(jù)間的相關(guān)性，分散剪切攻擊對秘密信息的影響。
　　(2)混沌調(diào)制?；煦绗F(xiàn)象是在非線性動力系統(tǒng)中出現(xiàn)的確定性的、類似隨機(jī)的過程?；煦缦到y(tǒng)對系統(tǒng)的初值和系統(tǒng)參數(shù)較敏感。本算法中采用的混沌映射是具有良好隨機(jī)統(tǒng)計特性的Logistic映射，其定義為：
　　x_k+1=ux_k(1-x_k)
　　其中u為參數(shù)，x_k∈(0，1)，當(dāng)3.569 945 60通過Logistic映射所產(chǎn)生的序列{x_k，k=0，1，2，3，……}是非周期、不收斂的，且對初始值非常敏感。經(jīng)過量化可將混沌序列" title="混沌序列">混沌序列轉(zhuǎn)換為二值混沌序列，如當(dāng)x_k∈(0，0.1)∪(0.2，0.3)∪(0.4，0.5)∪(0.6，0.7)∪(0.8，0.9)時取1，而當(dāng)x_k∈(0.1，0.2)∪(0.3，0.4)∪(0.5，0.6)∪(0.7，0.8)∪(0.9，1)時取0。
　　以密鑰key1為初值生成一個二值混沌序列P，P={p(i)，i=1，2，3，……m×n}，對W₁進(jìn)行混沌序列調(diào)制，得到W₂={w₂(i)|w₂(i)=w₁(i)⊕p(i)，i=1，2，3，……m×n}。
　　混沌調(diào)制的目的是提高秘密信息的安全性。由于在不知道密鑰的情況下無法產(chǎn)生相同的混沌序列，因此可以防止非法用戶提取秘密信息。
　　(3)幻方置亂。采用4階標(biāo)準(zhǔn)幻方對W2進(jìn)行幻方置亂，置亂次數(shù)為key2，置亂后得到W₃={w₃(i)，i=1，2，3，……m×n}?；梅街脕y的目的是進(jìn)一步減少數(shù)據(jù)間的相關(guān)性及分散秘密信息在傳輸和提取過程中可能引起的錯誤。
　　(4)位擴(kuò)展。位擴(kuò)展是將代表二值文字圖像一個像素點值由一位二進(jìn)位擴(kuò)展成若干位。其目的是提供一定程度的信息冗余。冗余度由位擴(kuò)展因子Cr控制，Cr一般取奇數(shù)，提取時采用大多數(shù)投票制度以提高隱藏信息抗基本攻擊的能力。對W₃進(jìn)行位擴(kuò)展，得到W₄={w₄(i)，i=1，2，3，……m×n×Cr}。
　　(5)二次混沌調(diào)制。以密鑰key3為初值生成另一個二值混沌序列P′，P′={p′(i)，i=1，2，3，……m×n×Cr}，再次對W₄進(jìn)行混沌序列調(diào)制得到W₅。
　　(6)二次離散。以dis2為間隔，再次對W₅進(jìn)行離散化得W6。二次離散可以將位擴(kuò)展得到的攜帶一個像素點信息的相同數(shù)據(jù)分散，進(jìn)一步提高隱藏信息抗基本攻擊的能力。
1.3 秘密信息嵌入過程
　　(1)DCT變換：將原始圖像F分為N個8×8的像素塊，記為B_q=f_q(x，y)，q=1，2，……N，即F=(x，y)(1≤x，y≤8)，對每個像素塊紅、綠、藍(lán)三個分量分別作DCT變換，三種顏色分量經(jīng)變換后各得到N個8×8 DCT系數(shù)矩陣，即
　　B_qred′=F_q(u，v)=DCT{f_q(x，y)，1≤x，y≤8}
　　B_qgreen′=F_q(u，v)=DCT{f_q(x，y)，1≤x，y≤8}
　　B_qblue′=F_q(u，v)=DCT{f_q(x，y)，1≤x，y≤8}
　　其中，q=1，2，……N。
　　(2)DCT系數(shù)修改：用Z型掃描讀取每個系數(shù)矩陣的個低頻系數(shù)作為秘密信息的嵌入系數(shù)，為保證透明性，不選取直流系數(shù)。具體嵌入規(guī)則如下：
　　
　　將經(jīng)過預(yù)處理的二值文字圖像嵌入到B_qred′、B_qgreen′、B_qblue′的低頻系數(shù)中，得到B_qred″、B_qgreen″和B_qblue″。
　　(3)DCT反變換：對B_qred″、B_qgreen″和B_qblue″分別進(jìn)行離散余弦反變換，重構(gòu)嵌入秘密信息后的圖像，即
　　
　　需要注意Δ₁與Δ₂的選取。通常Δ₁與Δ₂越大，則嵌入秘密信息的魯棒性越好，但Δ₁與Δ₂過大，將影響透明性。可根據(jù)嵌入秘密信息后圖像的主觀質(zhì)量和對隱藏信息抗干擾能力的要求適當(dāng)選取。
1.4 秘密信息的提取和恢復(fù)
　　秘密信息提取過程如下：
　　(1)把含有秘密信息的圖像F′分成互不覆蓋的8×8塊，并分別對紅、綠、藍(lán)三個分量分別進(jìn)行離散余弦變換，得到：
　　
　　其中c取0.5。
　　秘密信息的恢復(fù)過程與預(yù)處理過程相反。
2 實驗結(jié)果及性能分析
　　本文算法在Microsoft Visual C++.NET平臺上實現(xiàn)，攻擊平臺為Photoshop8.0。實驗中原始圖像采用512×512的真彩色24位BMP圖像，文字圖像采用64×64的二值BMP圖像，離散間隔dis1=3，dis2=3，擴(kuò)展因子Cr=5，u=3.77，DCT低頻系數(shù)調(diào)整量Δ₁=8，Δ₂=10。嵌入秘密信息時，在每個8×8 DCT系數(shù)矩陣中按“Z”字形掃描順序選取前5個低頻系數(shù)進(jìn)行水印嵌入。

　　圖1(a)和圖1(b)分別為原始圖像和嵌入秘密信息圖像。加入秘密信息后圖像變化很小，人眼基本感覺不到圖像的變化，這說明該算法具有很好的透明性。

　　二值文字圖像和提取恢復(fù)的圖像如圖2所示。其中，圖2(a)為二值文字圖像，圖2(b)為輸入正確密鑰后提取恢復(fù)的二值文字圖像。可以看出2個圖像無差別。圖2(c)為輸入錯誤密鑰時提取恢復(fù)的二值文字圖像?？梢姡斎脲e誤密鑰時，不能提取恢復(fù)隱藏的秘密信息，這說明算法具有很好的安全性。

　　剪切后的隱密圖像和提取恢復(fù)的文字信息如圖3所示。其中，圖3(a)是將圖1(b)剪切左上角1/4后提取恢復(fù)的文字信息，圖3(b)為剪切中間1/4后提取恢復(fù)的文字信息，圖3(c)為不規(guī)則剪切后提取恢復(fù)的文字信息。實驗結(jié)果說明算法抗剪切攻擊的能力很強(qiáng)。