图像信息隐藏算法研究与实现

摘要 随着计算机网络技术的飞速发展及人们版权保护意识的逐渐增强，数字媒体的安全问题日益成为人们关注的焦点。信息隐藏技术研究的目标就是在图像、音视频等数字媒体中植入不可觉察的信息，实现隐蔽通信。 本文学习、研究了静止图像中常见的数字信息的隐藏技术。主要工作是研究基于空间域和DCT域的数字图像信息隐藏技术。基于空间域的信息隐藏直接修改图像信息，简单易行，效率高。DCT是图像处理中的常见变换，能去除数据的相关性，在图像压缩、重建中应用广泛。DCT将空域转换到频域，用频率分量来表示图像。Arnold是一种置乱算法，用它处理图像，可以起到加密作用，运算次数为其密钥。 本文利用MATLAB实现了空域和DCT域的静止图像信息隐藏，实验表明，这两种方法能有效地实现隐蔽通信，并能对抗简单的噪声攻击。 关键词：信息隐藏，静止图像，空域，DCT，Arnold 引言 目前，随着因特网的普及、信息处理技术和通信手段的飞速发展，使图像、音频、视频等多媒体信息可以在各种通信网络中迅速快捷的传输，给信息的压缩、存储、复制处理等应用提供了更大的便利。同时，也为信息资源共享提供了条件，目前网络已经成为主要的通讯手段。各种机密信息，包括国家安全信息、军事信息、私密信息（如信用卡账号）等都需要通过网络进行传输，但互联网是一个开放的环境，在其上传输的秘密关系着国家安全、经济发展和个人稳私等方方面面的安全，所以信息安全在当今变得越来越重要。 数字图像可分为静止图像和动态图像两种，后者一般称为视频图像。视频图像的每一帧均可看作是一幅静止图像，但是这些静止图像之间并不是相互孤立的，而是存在时间轴上的相关性。静止图像是像素（Pixel）的集合，相邻像素点所对应的实际距离称为图像的空间分辨率。根据像素颜色信息的不同，数字图像可分为二值图像、灰度图像以及彩色图像。数字图像的最终感受者是人的眼睛，人眼感受到的两幅质量非常相同的数字图像的像素值可能存在很大的差别。这样，依赖于人的视觉系统（Human Visual System，HVS）的不完善性，就为数字图像的失真压缩和信息隐藏提供了非常巨大的施展空间。 信息隐藏（Information Hiding），也称作数据隐藏（Data Hiding），或称作数字水印（Digital Watermarking）。简单来讲，信息隐藏是指将某一信号（一般称之为签字信号，Signature Signal）嵌入（embedding）另一信号（一般称之为主信号，Host Signal，或称之为掩护媒体，cover-media）的过程。 信息隐藏的发展历史可以一直追溯到“匿形术（Steganography）”的使用。“匿形术”一词来源于古希腊文中“隐藏的”和“图形”两个词语的组合。虽然“匿形术”与“密码术（Cryptography）”都是致力于信息的保密技术，但是，两者的设计思想却完全不同。“密码术”主要通过设计加密技术，使保密信息不可读，但是对于非授权者来讲，虽然他无法获知保密信息的具体内容，却能意识到保密信息的存在。而“匿形术”则致力于通过设计精妙的方法，使得非授权者根本无从得知保密信息的存在与否。相对于现代密码学来讲，信息隐藏的最大优势在于它并不限制对主信号的存取和访问，而是致力于签字信号的安全保密性。 1.2? 国内外研究现状 在人类历史中，信息的隐藏伴随着人类的发展而发展。被人们誉为历史学之父的古希腊历史学家希罗多德(Herodotus，486-425)，在其著作中讲述了这样一则故事：一个名叫Histaieus的人筹划着与他的朋友合伙发起叛乱，里应外合，以便推翻波斯人的统治。他找来一位忠诚的奴隶，剃光其头发并把消息刺在头皮上，等到头发义长起来了，把这人派出去送“信”，最后叛乱成功了。 现代基于多媒体的信息隐藏技术则在20世纪获得飞跃发展。信息隐藏技术是20世纪90年代中期从国外必起的一门集多学科理论与技术于一身的新兴技术领域，它涉及感知科学、信息论、密码学等多个学科领域，涵盖信号处理、扩频通信、图像处理等多种专业技术的研究方向。 1.3? 本文主要研究内容 本文先简要介绍了信息隐藏的概念和意义，综述了几种常见的图像信息隐藏算法。随后重点介绍基于空域和DCT域的信息隐藏技术，以及相应的辅助算法——Arnold置乱算法。最后在MATLAB平台中实现了这两张算法，并进行实验。本文的结构安排如下： 第一章? 绪论。介绍了信息隐藏的概念、意义和原理。并说明了本文的主要研究内容和结构安排。 第二章? 空域信息隐藏算法。学习信息隐藏系统的基本框架，介绍了空域下经典的LSB数字水印算法。 第三章? DCT域信息隐藏算法。介绍了DCT变换及其系数，并介绍了DCT域下进行信息隐藏的方式。介绍了相关的辅助算法——Arnold置乱算法。 第四章? 算法实现。在MATLAB中实现了两种算法，并通过实验验证。结果表明，效果良好，能在一定程度上抵抗普通的噪声。 第五章? 总结与展望。对本文的工作进行了总结并提出了未来工作研究的方向。 Normal 0 7.8 磅 0 2 false false false EN-US ZH-CN X-NONE /* Style Definitions */ table.MsoNormalTable {mso-style-name:普通表格; mso-tstyle-rowband-size:0; mso-tstyle-colband-size:0; mso-style-noshow:yes; mso-style-priority:99; mso-style-parent:""; mso-padding-alt:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt; mso-para-margin:0cm; mso-para-margin-bottom:.0001pt; mso-pagination:widow-orphan; font-size:10.5pt; mso-bidi-font-size:11.0pt; font-family:"Times New Roman","serif"; mso-font-kerning:1.0pt;} Normal 0 7.8 磅 0 2 false false false EN-US ZH-CN X-NONE /* Style Definitions */ table.MsoNormalTable {mso-style-name:普通表格; mso-tstyle-rowband-size:0; mso-tstyle-colband-size:0; mso-style-noshow:yes; mso-style-priority:99; mso-style-parent:""; mso-padding-alt:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt; mso-para-margin:0cm; mso-para-margin-bottom:.0001pt; mso-pagination:widow-orphan; font-size:10.5pt; mso-bidi-font-size:11.0pt; font-family:"Times New Roman","serif"; mso-font-kerning:1.0pt;}