基于坐标轴的双重置乱数字图像隐藏算法与实现

杨玉平，陈 勇，尹丽花

（1.重庆电子工程职业学院，重庆 401331；2.重庆师范大学，重庆 401331）

基于坐标轴的双重置乱数字图像隐藏算法与实现

杨玉平1，陈 勇2，尹丽花2

（1.重庆电子工程职业学院，重庆 401331；2.重庆师范大学，重庆 401331）

近些年来，通信技术的发展，尤其是随着由通信领域和计算机领域相结合而产生的计算机互联网络的普及及应用，使信息的共享与传播日益频繁。信息共享在给人们带来种种便利的同时，也带来了一系列的信息安全问题，如信息窃取的问题、版权保护的问题、信息篡改等问题。数字图像信息隐藏技术是一种图像信息保护技术，综合该领域的已有研究，提出了一种基于坐标轴的、通过双重置乱的算法，将图像隐藏得安全，抗攻击性更强，且恢复质量更好，恢复操作方便。

数字图像信息隐藏；密码学加密；双重置乱；融合；数据安全

1 引言

当今，由于计算机和网络技术的不断进步，对信息安全的要求也越来越高，传统的通信方法已经不能满足信息安全通信的需要。当前信息安全的领域，主要采用密码学的数据加密技术，利用单钥或者双钥密码算法把被传送的数据加密，从而将明文变换成密文，再以公开的方式发送给接收者。对于局外人来说，这些密文通过编码，即使看到了，也无法获得原文，起到信息的保护作用；还有数据的隐藏技术，主要包括隐写术(steganography)、数字水印(digital watermark)技术和数据的伪装技术，隐写术源于古代欧洲，隐形的墨水成为传送秘密消息的一种重要方式。信息隐藏的另外一个重要的应用是数字水印技术，互连网的蓬勃发展改变了人们获取信息的方式，数字产品（照片、绘画、音乐、电影等）很容易在网上被非法复制与传播。数字水印就是将所有权的标识嵌入到媒体中以达到版权保护的目的。

信息隐藏除了用于网络方面秘密通信和数字水印（以保护产权）之外，还可用于盗版源的追踪、赝品检测等。图像的标识和影片中的字幕或其他重要数据都可以直接嵌入到媒体之中，不需要另外储存，从而减少了管理与储存的负担，而且更安全。信息隐藏技术多元化的应用使得它得到了前所未有的关注。

在此，本文介绍的是一种图像信息的隐藏技术，它主要是将一张图片通过基于坐标轴的双重置乱算法，将图片信息进行置乱，达到双重保护的作用。比传统的置乱算法更安全，然后再通过融合算法将其隐藏于另一张较大的图片当中(载体图片)，从而达到图片信息的隐藏与保护作用。

2 信息隐藏技术与信息加密的比较

众所周知，密码学着眼于保护通信的过程中传输的消息内容，而信息隐藏技术的目的是为了掩藏重要的消息内容在通信中的存在。信息隐藏与密码学都是为了保护重要信息的存储及传输，使其不会遭受恶意窃取、破坏和攻击，但两者之间有明显的区别。密码学的加解密是利用单密钥或者双密钥密码算法把重要的明文信息变换成密文（或者无法识别的编码），再通过网络中的公开信道发送到接收端，这样恶意者截获数据后无法破译，就可能会将数据丢弃，从而造成信息传输的失败。由此可见，密码学的加密所掩盖的是明文信息的内容。而信息隐藏则不一样，明文信息被嵌入到掩护信息中，从感观上看起来是不引人注意的，恶意者无法直观的判断他所监视的通信信息是被嵌入了秘密信息的，这样就使得恶意者无法知道哪里存在明文信息。密码的不可破译度是依赖于不断增加密钥的长度和复杂度来提高的，而现在随着计算机计算能力的不断增强，密码的安全度相对来说始终面临着新的挑战；因此信息隐藏技术为我们的信息安全从另外一个角度提供了一个新的方案，两者的结合也是一个发展趋势。

3 信息隐藏的原理及要求

数据信息隐藏是将重要的明文信息隐藏于另外的媒体（如图片、视频等）之中，这种媒体一般被称为掩护媒体，隐藏于其中的明文信息被称为秘密信息，隐藏的操作被称为嵌入，掩护媒体被嵌入明文信息后被称为伪装媒体。信息隐藏的本质就是将数据明文信息本身的存在性隐藏起来，利用人的五官，尤其是人眼（或耳）的不灵敏性，让人感觉不到有明文信息在掩护媒体中的存在。信息隐藏技术与密码学是不同的，明文信息经过密码算法加密后，就会成为一对密文，虽然恶意者不知道密文信息的意思，但是仍然可以感觉到密文信息的存在。因此信息隐藏技术则是从这一个问题出发，将明文信息隐藏起来且让人感觉不到。现在信息安全方面，常将它们之间的优点互补起来，先将数据信息加密，然后再进行隐藏，如此既起到了保护明文信息，又增加了信息的不可察觉性。

信息隐藏算法设计要求具有：(1)不可察觉性。即伪装媒体与掩护媒体在人类感观系统下是不可分辨的，即信息嵌入后掩护媒体的品质并未降低；即使用统计的方法也无法分辨伪装媒体与掩护媒体。这是信息隐藏算法的一个基本的要求。(2)鲁棒性。即指信息嵌入媒体后，能够有效的提取出之前被隐藏的信息。(3)安全性。与密码学中提到的安全性相似，且是信息隐藏算法设计中的重要环节，安全性是建立在密钥管理基础之上的，只有拥有密钥才能提取信息。(4)容量。一般情况下，被嵌入的信息量越大，信息隐藏算法的不可察觉性和鲁棒性就会越差。

4 数字图像信息隐藏的算法

本文提出的数字图像信息隐藏算法是将一张秘密图像先通过基于坐标的双重置乱，然后再通过融合的方式将这张被置乱的秘密图像隐藏于另外一张公开图像中，但要求秘密图像小于或等于载体图像的大小。这种方法与许多人研究的图像隐藏算法的思路一致，但在实施中具有更好的安全性，恢复操作更方便。

大量的研究表明，人眼对两幅非常相似的数字图像的像素值的感知存在的差别不是很大，这就给被置乱的图像隐藏于载体图像中提供了依据。因此，通过适当的算法将秘密图像的信息嵌入载体图像后，可以让载体数字图像的表观特征没有什么改变，人通过眼睛无法识别出来。这里由于要用到坐标轴思想，为了方便计算，要求欲置乱图像的长度和宽度相等，且是奇数。在实际应用中，如果图片的长度、宽度没有达到这样的要求，可以直接通过补足的方式，达到上面的要求。本算法利用MATLAB，达到了很好的效果。这里以255*255的恢度图像为例，算法如下。

秘密图像基于坐标的双重置乱及隐藏的过程如下：

（1）先将欲被隐藏的秘密图片用imread（）函数将255*255的恢度图像读取出来，放入A变量中，这时A就是一个记录这个恢度图片恢度值的数组；再用double()函数将A数组从uint8转成double数据格式，并且将double格式的数据放入数组B中。

（2）通过已经编好的基于坐标的第一次置乱函数mix13()，先计算得到秘密恢度图像的中心坐标，通过验证一般是在图像的中心点，这样就把图像分成了四个象限，再将秘密恢度图像的二四象限的恢度值进行中心对换，接着再把每个象限分成四个象限，重复上面的步骤，直到分成3*3的块为止。

（3）对上面的已经被置乱的秘密图像再进行随机置乱，利用设种子(seed)的方式，产生随机数组，通过运用随机数组计算数互换恢度值的随机位置；然后交换两个位置的恢度值，这就是第二次置乱，这步的关键就是设定的种子值，它将成为整个算法的密钥之一。

（4）用imread（）函数将 255*255的载体恢度图像读取出来放入数组C中，把经过了双重置乱的秘密恢度图像与载体图像C进行融合,这里需要选定一个融合值(a)，可根据自己的实际情况选定，以使融合效果达到最好，最后生成伪装图像D。

（5）最后，seed、a 的值通过 LSB 算法，将它们嵌入到载体图像中。

图1 图像置乱及隐藏过程

被隐藏的秘密恢度图像提取的过程如下。

（1）通过LSB算法将seed、a的值从载体图像中取出。

（2）通过第一个密钥a，把秘密的被双重置乱的恢度图像提取出来。

（3）用第二个密钥seed，将被双重置乱的恢度图像进行第一次置乱恢复。

（4）用基于坐标的思想，把被置乱的秘密图你进行第二次置乱恢复。

图2 图像提取过程

5 结语

本文提出了基于坐标轴的双重置乱数字图像隐藏算法，并实现它将数学当中坐标的思想运用于图标操作，但又不具有matlab中对图像定义的坐标那样一般性质，使算法更具有隐蔽性。而且脱离了一般置乱算法的约束，采用了双重置乱思想，使秘密图像数据更具有安全性，采用了密钥的方式，图像的恢复操作显得十分方便。最后使用了融合技术，秘密图像隐藏于公开图像中，恶意者无法察觉，更深一层保护了秘密图像。同时本文提出的算法，抗攻击性也是较强的。信息隐藏技术的研究是一个非常活跃的研究领域，但它仍处于发展的初级阶段，现在很多专家及学者正致力于第二代信息隐藏技术的开发，未来会有更为先进的信息隐藏技术被开发出来。

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Based on the Dual Axis Digital Image Scrambling Algorithm and Implementation Hiding

YANG Yuping1,CHEN Yong2,YIN Lihua2
(1.Chongqing college of Electronic Engineering,Chongqing 401331,China;2.Chongqing Normal University,Chongqing 401331,China)

In recent years,the development and popularization of communications technology field,especially,with the popularization and its applications of computer network which generated by the combining of communication field and computer field,make data information sharing,communication are ever increasingly frequent.So it gives people a myriad of convenience,but also brings a series of derivatives data and information security such as data information stolen problem,the protection of the copyright problem,data information tampering problem.Digital image information hiding technology is a kind of image information protection technology.With comprehensive research of this field,this paper puts forward a method based on the coordinate,through the dual scrambling algorithm,making image hiding more security,making fighting offensive stronger,making recover quality better,and recovery operation is convenient

digital image information hiding； cryptography encryption； double scrambling； fusion technology； data information security

TP39

A

1674－5787（2011）03－0149－03

2011-03-31

杨玉平（1984—），男，重庆人，硕士研究生，重庆电子工程职业学院助理实验师，研究方向：数字图像处理与模式识别；陈勇，男，博士，重庆师范大学，副教授，研究方向：密码学、数字图像处理；尹丽花（1985—），女，湖南邵阳人,重庆师范大学2009级硕士研究生，研究方向：图像拼接。

责任编辑 王荣辉