可逆信息隐藏综述

俞春强，彭　琦，陈　艳

（广西师范大学网络中心，桂林541004）

可逆信息隐藏综述

俞春强，彭琦，陈艳

（广西师范大学网络中心，桂林541004）

阐述可逆信息隐藏的基本概念及其特征，描述可逆信息隐藏的模型以及通过可逆信息隐藏技术中各种算法的研究，分析目前可逆信息隐藏技术存在的问题，提出可逆信息隐藏技术的发展方向。

可逆信息隐藏；隐写术；嵌入算法

0　引言

为了解决网络环境中存在的安全问题，科学家最早采用加密技术[1~3]对传输的信息进行加密，通过设计加密算法将要通信的数据按照加密算法进行重新排列，并将置乱后的数据传输出去，接收方必须利用解密算法和正确的密钥才能正确地解密，从而还原出原始的通信数据，加密技术也一直沿用至今。加密技术将秘密信息变换成一些杂乱无章的密文但是也吸引了攻击者，为了克服现有加密算法存在的问题，实现更安全的信息传输，信息隐藏技术[1~2]信息安全领域新的分支，能够应用到机密信息保护、版权保护以及安全通信等领域中起到至关重要的作用，所以，信息隐藏技术引起了科研工作者的广泛关注，成为信息安全领域的一个研究热点。

上述传统的信息隐藏算法，通常只考虑如何提取隐秘信息，而没有考虑如何恢复原宿主信号。在一些应用场合如医学诊断、法庭举证、艺术作品中，不光需要嵌入隐秘信息对宿主媒介进行保护，还需要适时地能够无失真地恢复出原始的宿主媒质，传统的信息隐藏算法不能满足其要求。作为信息隐藏技术的一个新的分支，可精确恢复原媒质信息的可逆信息隐藏技术最近正被广泛研究。可逆信息隐藏主要是指在嵌入信息时，虽然可能会对宿主数据的质量造成一定的破坏，但如果隐藏载体在传输过程没有发生变化，那么合法用户和权威机构在接收端可以根据提取算法提取出隐藏信息，并能够修复失真，实现原始数据的精准恢复。可逆信息隐藏技术与一般的隐藏技术没有原理上的本质区别，但是可逆技术在合法用户得到嵌入信息的过程中，将因信息嵌入而引起的宿主数据失真完全修正。这种技术在医学、军事、法律证据中有着非常广泛的应用前景。

当前基于图像的可逆信息隐藏算法可以分为两类，一类是以JPEG图像为载体的可逆隐藏，由于载体的局限性，该类算法隐藏容量较小，第二类是以BMP图像为载体的可逆隐藏，BMP图像的内容丰富，隐藏容量较大且形成较完整的算法族。分析不同类型的算法，对可逆信息隐藏算法的发展前景进行了展望。

1　可逆信息隐藏概念及模型

可逆信息隐藏又称无损信息隐藏，作为信息隐藏一个重要分支，其具有信息隐藏的不可见性、不可测行、鲁棒性、稳定性和安全性等特征。近年来受到科研工作者的广泛关注，该技术不但能从载密信息中正确地提取出秘密信息，还能恢复出原始的载体信息。所以该技术被广泛用于军事、医疗、文物保护和法律对载体信息要求高等领域中。可逆信息隐藏的模型如图1所示，秘密信息与密钥K相结合，通过可逆嵌入算法隐藏到载体中，形成含载密图像，接收端以K为密钥，通过提取算法提取出秘密信息和原始载体图像。

图1　可逆信息隐藏算法模型

2　可逆信息隐藏关键技术

目前可逆信息隐藏基本都是以图像为载体，以载体图像形式的不同，可将可逆信息隐藏分为基于BMP图像的可逆信息隐藏算法和基于JPEG图像的可逆信息隐藏算法。在以BMP图像为载体的隐藏中，秘密信息隐藏在图像的像素中，在以JPG图像为载体的隐藏中，秘密信息一般隐藏在DCT系数中或在编码中的比特流中。

（1）基于JEPG图像的可逆信息隐藏算法

目前对于基于JPEG图像的无损信息隐藏算法的研究较少，主要通过修改DCT系数或修改压缩过程中的编码实现可逆隐藏，在这一类研究中没有较成型的算法族。Lee等人[3]通过原始量化表和修改后的量化表将原始DCT系数匹配到较大的DCT系数，将秘密信息隐藏在得到较大的DCT系数中，该方法修改了量化表使载密图像具有较好的PSNR,但是数据安全性不高。Zhang等人[4]在两个非零的系数中嵌入两位秘密信息，在两个零系数中嵌入三位秘密信息，对不嵌入秘密信息的系数进行修改。Qian等人[5]将秘密信息隐藏在JEPG图像存储的二进制流中，根据JPEG定义162种不同的变长编码的AC系数，但在压缩过程中较多编码没有被使用，统计JPEG图像中AC系数的变长编码，根据秘密信息将未使用的变长编码替换已使用的变长编码，实现秘密信息的隐藏。

（2）基于BMP图像的可逆信息隐藏算法

在基于BMP图像的可逆信息隐藏算法中，将秘密信息隐藏在图像像素中是利用了人眼系统的局限性和图像像素值中的冗余性，通过修改在一定范围内调整图像的像素值将秘密信息隐藏到图像的像素中，其中最简单的一种算法就是LSB（Least Signification Bit）算法，即修改像素的最低有效位，将一位秘密信息隐藏在这个像素值中。这种替换方式具有容量大，低失真并且计算简单等特点。Fridrich[6~7]提出过通过无损压缩方法产生用于隐藏信息的空间，以达到无损隐藏的效果。但这种方法的隐藏容量很低，主要应用于取证或水印中。Celik等[8]提出G-LSB算法，用无损压缩算法压缩像素量化后的差值得到隐藏空间来隐藏信息。与Fridrich等人的隐藏算法相比，该算法有较大的嵌入量且载密图像失真度较小。

Tian[9~11]提出一种扩展像素间差值（DE）的算法，先求出相邻的差值，然后将差值扩大一倍后加上一位秘密信息得到新的差值，根据新差值修改两个像素值，修改后两个像素值的差值等于新的差值，从而实现一位秘密信息的隐藏，该算法的嵌入容量为0.5 bpp。该算法还需要保存一个矩阵来标记每对像素是否藏有秘密信息。差分扩展算法的基本原理如下：

设一对数据（x,y），则这对数据的差值和均值的计算方法如公式（1）和公式（2）所示：其中符号代表向下取整。设需要嵌入的秘密信息为wi，秘密信息的嵌入如公式（3）所示：

h1=2h+wi（3）

其中h1为差值扩展后的差值，按公式（4）、（5）通过逆变化后可得到隐藏信息后的新数据（x′，y′）

为了提取秘密信息，恢复原始的数据，将x′，y′代入公式（1）、（2），可得到的新的差值h′和均值l′。根据公式（6）、（7）可提取秘密信息wi，恢复原始差值h。将l′和h分别代入公式（4）、（5），可恢复原始的数据（x，y）。

Alattar[12]将Tian的算法从两个像素扩展到连续的多个像素中，能实现在n个像素中隐藏n-1位秘密信息，从而将隐藏容量从0.5 bpp增加到（n-1）/n bpp。Tseng和Chang[13]改进了Tian的算法，提出了可移动差值概念，在不降低图像质量的前提下提高了秘密信息的嵌入容量。

Ni等人[14]提出用偏移一幅图像的像素直方图来实现可逆隐藏。先统计像素的直方图，确定出现次数最多的和最少的像素值，即直方图中的最大值和最小值，修改图像中像素值介于最大值和最小值之间的像素，使其值均减一，获取隐藏空间。修改载体图像中出现次数最多的像素，使其像素值加1（或减1）嵌入信息1或者保持不变来嵌入信息0。修改三组直方图中最大值和最小值之间的像素值来提高隐藏容量，并记录最值，以便能正确地提取。由于直方图偏移算法的嵌入容量不高，M.Fallahpour和M.H.Sedaaghi[15]改进Ni的算法，对图像分块后，寻找多个最大值和最小值对用来隐藏，从而增大了隐藏信息的容量。

还有一部分基于直方图的可逆信息隐藏算法是利用差值直方图实现隐藏。根据不同的方法产生一系列的像素预测值，通过像素的预测值与实际值的差值，并统计出差值的直方图，找出直方图中峰值点和最小值点，表示出现次数最多和最少的差值，平移差值直方图中介于峰值点与零值点对应的差值，获取嵌入的空间。Chang等人[16]改进了Ni等人的算法，利用图像中相邻像素相关性很强的性质，求出相邻像素之间的差值，并在差值直方图中隐藏秘密信息，隐藏容量比Ni等人的算法高。

近年来，张兴鹏等人[17~20]在加密域上实现可逆信息隐藏，首先对一幅载体图像进行加密得到加密图像，然后在加密图像中隐藏秘密信息。该类算法不但能保证秘密信息和原始图像的提取和恢复，而且通过加密技术使原始载体图像对外不可见，不仅保证了秘密信息的安全，还保证原始载体图像的安全，使可逆信息隐藏进一步在军事、法律等领域得到应用。在加密域上的可逆信息隐藏将有较大的发展空间。

3　结语

本文主要介绍了无失真可逆信息隐藏算法。根据图像形式的不同，将现有的可逆信息隐藏算法分为两类。一类是基于JPEG图像，一类是基于BMP图像。文中分析基于这两类图像的不同隐藏方法，可以发现当前可逆信息隐藏算法研究主要在保证宿主质量（PSNR）的前提下，如何提高嵌入容量的问题，因此，可逆信息隐藏依然有着潜在的发展空间，还有待于更进一步的研究。另外加密域上的可逆信息隐藏算法将会是以后研究的重点。Journal of Pattern Recognition and Artificial Intelligence,2010，24（3）：433~456

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Reversible Information Hiding Steganography;Embedding Algorithms

Summary of Reversible Information Hiding

YU Chun-qiang，PENG Qi，CHEN Yan

（Network Center，Guangxi Normal University，Guilin 541004）

Briefly introduces the basic concept and main features of reversible information hiding techniques,describes a general model of reversible information hiding system and lists related critical techniques.Furthermore,analyzes existing problems of reversible information hiding techniques.In conclusion,points out its development direction based on the analysis.

广西教育厅立项项目（No.LX2014056）

1007-1423（2015）11-0068-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.11.014

俞春强（1988-），男，江西上饶人，硕士研究生，助教，研究方向为图像处理

彭琦（1988-），男，广西桂林人，硕士研究生，助教，研究方向为自然语言处理

陈艳（1977-），女，江苏苏州人，学士，讲师，研究方向为计算机网络

2015-02-12

2015-03-18