基于數(shù)字圖像的隱蔽通信技術(shù)研究

蘭州理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯基于數(shù)字圖像的隱蔽通信技術(shù)研究姓名：祝小利學(xué)號(hào)：07250435

指導(dǎo)老師：晏燕一、背景介紹隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，通信安全成為了一個(gè)很重要的課題，一個(gè)國(guó)家信息系統(tǒng)的失控和崩潰將導(dǎo)致整個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)癱瘓，進(jìn)而影響到國(guó)家安全。顯然，傳統(tǒng)的信息加密已被時(shí)代淘汰，取而代之的是隱蔽通信技術(shù)，它確保了通信的安全性和隱蔽性。為此，它得到了國(guó)內(nèi)外的研究人員的高度關(guān)注，并在這方面有了一個(gè)長(zhǎng)足的發(fā)展。二、隱蔽通信技術(shù)簡(jiǎn)介

隱蔽通信的基本模型隱蔽通信的分類隱蔽通信的特點(diǎn)隱蔽通信技術(shù)的應(yīng)用2.1隱蔽通信的基本模型嵌入運(yùn)算提取運(yùn)算密鑰生成與分配隱秘攻擊秘密信息秘密信息原始數(shù)據(jù)嵌入密鑰合成數(shù)據(jù)提取密鑰

圖1隱蔽通信的基本模型2.2信息隱藏的分類隱蔽信道隱寫術(shù)水印數(shù)字水印消息隱藏語(yǔ)義隱寫技術(shù)隱寫穩(wěn)健水印脆弱水印數(shù)字指紋匿名通信不可見(jiàn)水印可見(jiàn)水印

圖2信息隱藏的分類三、圖像信息及隱蔽通信算法的簡(jiǎn)介圖像信息的特點(diǎn)圖像信息處理的主要內(nèi)容圖像質(zhì)量的評(píng)價(jià)方法隱蔽通信算法3.1空域算法空域隱蔽技術(shù)是指將秘密信息嵌入數(shù)字圖像的空間域中，即對(duì)像素灰度值進(jìn)行修改以隱藏秘密信息。它包括LSB算法和基于統(tǒng)計(jì)的信息隱藏算法。特點(diǎn)：算法簡(jiǎn)單、計(jì)算速度快、隱藏信息量大，且一般可以實(shí)現(xiàn)盲提取，但魯棒性較差，對(duì)于載體圖像的壓縮、噪聲擾動(dòng)等攻擊的抵抗力較弱。3.2變換域隱蔽通信算法

圖3變換域秘密信息的嵌入模型原始信息（原始圖像）秘密信息（秘密圖像）正交變換正交變換感知分析數(shù)據(jù)嵌入感知分析逆正交變換隱藏秘密信息的載體圖像（隱密圖像）

圖4變換域秘密信息提取模型原始信息（原始圖像）隱藏秘密信息的載體圖像（隱密圖像）正交變換正交變換感知分析數(shù)據(jù)提取逆正交變換恢復(fù)的秘密信息（秘密圖像）特點(diǎn)：變換域信息隱藏技術(shù)是在頻域嵌入信息的，其具有很好的魯棒性四、基于數(shù)字圖像的隱蔽通信技術(shù)的DCT算法DCT算法的實(shí)現(xiàn)流程圖及其算法運(yùn)行結(jié)果及分析4.1DCT算法的實(shí)現(xiàn)流程圖及其算法DCT量化嵌入反量化逆DCT原始圖像量化表秘密信息量化表隱密圖像圖5基于圖像DCT變換嵌入隱藏信息的流程圖DCT量化提取量化表秘密信息隱秘圖像圖6基于圖像DCT變換提取隱藏信息的流程圖（2）對(duì)于每個(gè)圖像子塊進(jìn)行DCT變換，得到：具體的算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程：（1）先將原始圖像的分割為互不重疊的8x8子塊，記為（3）選擇部分DCT系數(shù)嵌入秘密信息。常用的方式有直接修改DCT系數(shù)和采用數(shù)學(xué)公式變換修改DCT系數(shù)。公式變換的嵌入方式有三種方法：

（4）對(duì)每個(gè)圖像塊做IDCT變換，拼接所有的圖像塊后得到含有秘密信息的隱密圖像。提取過(guò)程為上述嵌入秘密信息算法的逆運(yùn)算：先將隱密圖像分割為互不重疊的8×8子塊；對(duì)每一個(gè)子塊進(jìn)行DCT變換；然后對(duì)DCT變換后的系數(shù)進(jìn)行嵌入算法的相反運(yùn)算，得到提取的圖像子塊；最后將上面得到的所有圖像子塊合并成一個(gè)完整的圖像即得到的秘密圖像。其中為需要嵌入的秘密信息經(jīng)過(guò)分塊處理后的子塊，a為嵌入強(qiáng)度因子。三式分別為加性嵌入、乘性嵌入和指數(shù)嵌入方式。4.2運(yùn)行結(jié)果及分析（a）原始載體圖像（b）秘密信息（c）隱密圖像（d）提取的秘密圖像圖78×8分塊嵌入下秘密信息的嵌入和提取

上圖中，載體圖像為512×512的灰度圖像，秘密信息為64×64的灰度圖像，進(jìn)行了8×8分塊嵌入和提取的結(jié)果。從主觀上看隱秘圖像和載體圖像基本上沒(méi)什么區(qū)別，隱藏效果較好。提取的秘密信息效果同樣是理想的。且從運(yùn)行結(jié)果中峰值信噪比PSNR=42.769，NC=1得此算法的性能較好。（a）原始載體圖像的直方圖（b）嵌入秘密信息的圖像的直方圖圖8嵌入信息前后的直方圖比較由此直方圖可知，從客觀上說(shuō)明了隱密圖像和原始載體圖像具有相同的能量分布，它們無(wú)明顯區(qū)別，此算法具有較好的隱蔽性。（a）原始載體（b）秘密信息（c）隱秘圖像（d）提取的圖像圖94×4分塊嵌入和提取的秘密信息圖中原始載體圖像為512×512，秘密信息為128×128，NC=0.9997，PSNR=35.3328顯然，其信息隱藏量變成了原來(lái)的4倍（512×512÷（8×8）=64×64,512×512÷（4×4）=128×128），但它的PSNR和NC值都減小了，但從主觀上看其效果還是可以的。

由上表可知：對(duì)于8×8分塊算法，其載體的相對(duì)容量雖然較小，但其隱蔽性好，恢復(fù)的圖像也很好，其在無(wú)干擾情況下NC值大都為1，PSNR值也都在38-46之間。在受到各種攻擊后其NC值也都變化不大，都在0.9左右，說(shuō)明其具有很好的魯棒性。表18×8分塊下隱蔽通信中各性能的比較載體圖像Lena1.bmpJiaotang.jpgpeppers400.jpgLena_gray.bmpcameraman.tif載體大小512×512512×512logo40.tif256×256256×256秘密圖像Logo64Logo64400×400Logo32Logo32秘密圖像大小64×6464×6440×4032×3232×32NC值1.000.96541.001.001.00PSNR42.76938.124546.254739.222338.8693添加白噪聲后的NC值0.94940.90330.94480.95040.9571添加白噪聲后的PSNR42.76938.124546.254739.222338.8693濾波后的NC值0.94550.87950.94850.91080.9107濾波后的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壓縮有的NC值0.92860.85030.84380.91450.8689JPEG壓縮有的PSNR值42.76938.124546.254739.222338.9875

由上表可知:4×4分塊的算法中，在載體相同，分塊嵌入像素點(diǎn)相同的情況下，其嵌入秘密信息的容量較大，但通過(guò)實(shí)驗(yàn)也表明在載體相同，秘密圖像相同的情況下，4×4分塊算法的NC值較小，即使不受任何干擾恢復(fù)出的圖像上也是有很多的白點(diǎn)，其在受到各種干擾后提取的圖像上遍布白點(diǎn)，但其NC值都在0.7以上，并沒(méi)有影響圖像的認(rèn)知。但其在嵌入信息量較大時(shí)明顯看出其分塊邊緣性很強(qiáng)。同時(shí)也可以看出同樣的秘密圖像嵌入不同特性、不同大小的載體圖像其NC值和PSNR值都是不同的，說(shuō)明隱蔽通信的保真度、隱蔽性、魯棒性及容量與載體圖像的圖像特征、大小都有關(guān)系。

表24×4分塊下隱蔽通信中各性能的比較載體圖像lena1.bmplena1.bmpjiaotang.jpglena_gary.bmpcameraman.tif載體大小512×512512×512512×512256×256256×256秘密圖像Logo128Logo64Logo128Logo64Logo64秘密圖像大小128×12864×64128×12864×6464×64NC值0.99970.99950.95961.000.9980PSNR35.332842.363532.588831.348031.639添加白噪聲后NC值0.89260.88280.84440.89450.8894添加白噪聲后PSNR35.332842.363532.588831.348031.639濾波后的NC值0.74050.77050.71350.68790.7557濾波后的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壓縮有的NC值0.74590.72630.68790.77190.7313JPEG壓縮有PSNR值35.332