一種基于移動終端的最佳匹配隱寫系統

丁石磊，鄭紫微，楊任爾

（寧波大學通信技術研究所，浙江寧波315211）

一種基于移動終端的最佳匹配隱寫系統

丁石磊，鄭紫微，楊任爾

（寧波大學通信技術研究所，浙江寧波315211）

針對移動智能終端信息傳遞中存在的安全性問題，提出一種基于最小直方圖失真（LHA）的匹配隱寫方案（M-LHA），并設計一種基于Android移動平臺的信息隱藏系統。M-LHA隱寫算法采用置換的方式對秘密信息進行預處理，選擇與載體圖像最佳匹配的置換方案實現隱寫。實驗結果證明，相比傳統的LHA算法，M-LHA算法具有更好的相對熵以及更穩定的直方圖分布，能有效提高隱寫系統的不可感知性。設計的信息隱藏系統可滿足終端用戶的安全需求。

信息隱藏；移動終端；最小直方圖失真；置換算法；相對熵

1 概述

現代科技水平的快速發展推動著移動終端設備的不斷更迭，智能手機已逐漸替代傳統功能機而成為大眾消費者的標準化移動設備，人們對智能手機的需求已不僅是通訊功能的使用，更多的是與互聯網的無縫接入［1］來實現生活和工作中的業務需求，應用范圍甚至已經擴展到工業和旅游等領域［2］。目前，智能手機的操作系統主要集中在谷歌的Android、蘋果的iOS以及微軟的W indow s Phone等，其中Android因其開放性和豐富的硬件選擇，使其在國內外智能手機市場上擁有最龐大的占有率，具有無限廣闊的發展前景［3］。

然而，由于Android系統的開源性，在有效降低了開發成本和難度［4］的同時，也帶來了信息傳輸的安全隱患，系統的開源使得攻擊者比較容易破解管理員權限，從而攔截用戶傳送的消息或者通話的記錄等［5］，這就帶動著用戶對于信息傳輸的安全保護功能的迫切需求，信息隱藏正是信息安全傳輸的一種方式。

信息隱藏技術是將秘密信息通過算法嵌入到公共載體（如視頻、音頻、圖像等）中，再通過傳輸通道傳遞給接收方［6］。與傳統的信息加密傳輸相比，信息隱藏技術的側重點在于秘密信息的不可感知性［7］，即以不引起第三方的注意（包括感官上和信息統計分析上）為目的來傳輸秘密信息。

圖像隱寫算法大致可分為空域隱寫算法［8］和頻域隱寫算法［9］。頻域算法一般是通過DCT或DW T等數學變換的方法，在變換域中嵌入秘密信息，然后再逆變換成載有秘密信息的圖像，該算法具有很好的魯棒性但可嵌入容量較小，不適用于大容量的信息隱藏?？沼蛩惴ㄊ怯妹孛苄畔⑻鎿Q載體圖像像素的不重要位，在有效地嵌入大量的秘密信息同時還能保證人眼的不可感知性，但是一般的空域算法會影響載體圖像的統計直方圖，無法抵抗如Harman提出的直方圖函數質心計算［10］、文獻［11］提出的λ2分析等基于直方圖的隱寫分析算法。

本文研究的隱寫系統是以圖像為公共載體的，是目前最常用的傳輸介質［12］，先對Android智能平臺的隱寫系統方案的實現過程給出詳細介紹，然后對M-LHA置換隱寫算法與傳統LHA隱寫算法［13］相比較，并給出詳盡的結果分析，最后介紹Android端隱寫系統的實現過程。

2 系統設計與算法實現

本文隱寫系統基于Android移動終端平臺實現，包括信息隱藏模塊和信息提取模塊。系統模塊如圖1所示。

圖1 信息嵌入流程

在信息隱藏模塊中，首先通過采集系統提取Android手機圖庫中的相關圖像，篩選出適合嵌入秘密信息的圖像，再通過圖像處理模塊對圖像進行灰度化處理，然后將秘密信息進行置換預處理，找到與載體圖像的最佳匹配值，最后將最佳匹配值的置換預處理結果通過LHA算法嵌入到載體圖像中。LHA算法是LSB隱寫的改進算法，該算法采用直方圖補償的方法對LSB隱寫前后引起的直方圖改變進行統計修復。

M-LHA置換算法的詳細嵌入過程如下：

Step 1選擇秘密信息文本，轉換成二進制bit流，例：011100110110011100011010。

Step 2將二進制比特流每8位分為一組，如此每組的對應位取反則有28=256種組合，例如對上面字節流分組并在第1、2位取反可得到：1011001 11010011111011010。

Step 3將256種置換后的二進制比特流分別順序嵌入到載體圖像中，計算嵌入前后圖像的直方圖改變量。

Step 4比較256個直方圖改變量，取出最小改變值，并記錄該值對應的置換指數，例如上述的1和2。將以最小改變量嵌入的圖像做為載密圖像。

在信息提取模塊中，Android手機首先接收到載密圖像，根據密鑰進行算法提取和信息反置換，密鑰是最佳匹配值對應的嵌入量和置換指數，最后將二進制字節流轉化為秘密信息文本，系統模塊如圖2所示。

圖2 信息提取流程

提取方法是不需要原始載體的盲提取算法，詳細提取過程如下：

Step1 選擇載密圖片，根據嵌入信息的大小取出載密圖像像素的最后一位，組成二進制比特流，例如上述的101100111010011111011010。

Step 2根據置換指數取反各組的對應位，例如上述的置換指數1和2，那么取反后將會得到：011100110110011100011010。

Step 3將二進制比特流轉換成文本即為秘密信息文本。

3 結果分析與設計

本實驗隨機選擇3 000幅自然圖像作為載體，并轉換為512×512的灰度圖像，嵌入信息是隨機產生的英文文本，分別采用LHA和M-LHA算法對載體圖像進行100%滿嵌入隱寫，根據隱寫結果比較直方圖絕對差hmod、相對熵D（P‖Q）等密寫分析參數，詳細說明如下：

直方圖絕對差hmod表示圖像嵌入前后直方圖的改變量，hmod的值越小，表示直方圖的改變越小，不可感知性越好。

其中，hc（n），hs（n）分別是載體圖像、載密圖像在灰度值為n的直方圖。

相對熵是用來衡量2幅圖像之間差異的標準，相對熵值越小，說明載密圖像與原始圖像的差異性越小。

其中，p（n），q（n）分別是原始圖像和載密圖像在灰度值為n時的概率分布。

選取4幅圖像作為載體，如圖3所示，分別采用LHA和M-LHA算法隱寫，結果如表1所示，對比數據可以看出，M-LHA隱寫的直方圖絕對差和相對熵均遠小于傳統的LHA隱寫，說明M-LHA算法對載體圖像直方圖的改變較小，隱寫圖像的差異性更小，有效地提高了隱寫系統的不可感知性。

圖3 實驗圖像

表1 LHA與M-LHA的隱寫分析

同時相對熵的降低會直接影響原始圖像的直方圖分布，圖4分別顯示了傳統的LHA和M-LHA隱寫對原始圖像的直方圖影響，可以看出M-LHA隱寫對原始圖像的像素分布影響更小，并且有著更加穩定平滑的直方圖包絡，LHA隱寫對像素影響的峰值接近400，而M-LHA隱寫的峰值只有100，說明M-LHA隱寫不會造成圖像的某些像素集中，故M-LHA隱寫更加接近于原始的直方圖分布，能抵抗一些基于直方圖的隱寫分析。

圖4 隱寫對圖像1的直方圖影響

隱寫系統是在Android智能移動終端平臺上實現的，圖5對手機圖庫中的圖像進行選擇，再對符合嵌入條件的圖像進行灰度化處理，選定好載體圖像進入圖6界面。

圖5 載體圖像選擇

圖6選擇秘密信息文本分別進行LHA隱寫和M-LHA隱寫，并對不同隱寫方法進行效果評估。圖7對接收到的載密圖像分別進行解密算法提取，恢復出秘密信息文本。

圖6 秘密信息嵌入

圖7 秘密信息提取

4 結束語

直方圖的影響直接關系到一個隱寫算法的優良,同時直方圖的差異統計也是隱寫分析的依據之一。本文研究的結果表明,基于LHA的置換算法能大幅減少對原始直方圖的改變,還擁有更好的直方圖絕對差和相對熵,可以抵抗一些基于直方圖統計的隱寫分析算法,故能有效提高隱寫系統的不可感知性能。另外,移動終端隱寫系統的實現有著比PC端更高便攜性和傳輸多樣性等優勢,但該系統還有待完善,后續還將在隱寫算法的復雜性上繼續研究,以彌補算法在智能終端上計算能力的不足。

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編輯 顧逸斐

A Best M atching Steganography System Based on M obile Term inal

DING Shilei，ZHENG Ziw ei，YANG Ren’er
（Institute of Communication Technology，Ningbo University，Ningbo 315211，China）

Regarding the security problem of information transm ission inmobile terminal，this paper proposes a bestmatching steganography scheme，Matching steganography scheme Least Histogram Abnormality（M-LHA）based on Least Histogram Abnormality（LHA），and amodel of information hiding system based on Android platform．M-LHA steganography preprocesses the secret information by replacementalgorithm，and selects the swap that bestmatches the carrier image for steganography．It is proven that M-LHA algorithm has better relative entropy and more stable histogram distribution in comparison with the traditional LHA steganography algorithm，which can bring the effective improvement in the imperceptibility of steganography system．The information hiding system also meets the safety requirements formobile term inal users．

information hiding；mobile term inal；Least Histogram Abnormality（LHA）；replacement algorithm；relative entropy

丁石磊，鄭紫微，楊任爾．一種基于移動終端的最佳匹配隱寫系統［J］．計算機工程，2015，41（3）：303-305，311．

英文引用格式：Ding Shilei，Zheng Ziw ei，Yang Rener．A Best M atching Steganography System Based on M obile Term inal［J］．Computer Engineering，2015，41（3）：303-305，311．

1000-3428（2015）03-0303-03

A

TP391.41

10．3969/j．issn．1000-3428．2015．03．057

國家科技重大專項基金資助項目（2011ZX 03002-004-02）；浙江省杰出青年科學基金資助項目（R1110416）；教育部高等學校博士學科點專項科研基金資助項目（20113305110002）；寧波市科技創新團隊基金資助項目（2011B81002）。

丁石磊（1992-），男，碩士研究生，主研方向：信息安全；鄭紫微，教授；楊任爾，副教授。

2014-03-31

：2014-04-27E-m ail：15258230407@163．com