LSB匹配与随机调制隐写算法性能分析与比较

袁琛+周沙

摘要：本文主要对LSB匹配与随机调制隐写技术进行了一定的研究，在此基础上对其进行了性能分析和比较，并借助MATLAB软件对算法的研究与比较进行了实验。

关键词：隐写术，LSB匹配，LSB随机调制

1.数字隐写基础知识

1.1 基于数字图像的信息隐藏系统模型

我们都知道，大部分的信息隐藏系统模型都包含两个模块，即信息嵌入模块和提取模块。具体模型如图所示：

这里，需要强调的是，加密密钥跟密码学中的密钥不是一回事。隐写密钥主要负责将秘密嵌入到图像的不同位置，而密码学中的密钥则是对秘密信息进行加密以保证信息的安全。

2. 信息隐藏的分类

1、按载体类型分类2、按密钥分类3、按嵌入域分类4、按提取的要求分类5、按保护对象分类

2.1 数字隐写定义和模型

数字隐写是信息隐藏学的一个重要分支，在国防、经济领域应用较为广泛，所谓数字隐写就是在一些数字载体中将所要隐秘传输的内容隐藏进去，而使得载体的各种属性无改变，能够摆脱第三方对隐秘信息的注意。数字隐写是由不可视通信的思想发展而来的，Simmons提出的“囚犯问题”是不可视通信的经典模型，其主要思想是假设两个囚犯准备越狱，但是被关在不同的牢房，他们想通过一种隐蔽通信的方式来商量如何实施越狱，但是，他们之间交换的信息必须经过看守的检查，因此，他们就想在看似正常的信息中藏入秘密信息，这种通信就是不可视通信，或者称为隐蔽通信，而隐写是实现不可视通信的重要方式。

3 LSB匹配与随机调制算法性能分析与比较

3.1 隐写算法的评价指标及其计算方法

目前，衡量隐写算法优劣的指标主要以隐蔽性、鲁棒性和嵌入容量三个方面为主。鲁棒性是指载密图像经过各种诸如滤波、压缩和几何攻击等信号处理后仍能保持秘密信息不丢失，仍能提取的能力。嵌入容量是指在保持秘密消息隐蔽性的前提下，可以隐藏的秘密消息的最大值。隐蔽性是指秘密消息嵌入后不会使得载体图像的感知质量发生明显的变化。

Fridrich曾经详细阐述过三个指标的三角关系。在具体隐写算法的设计过程中，不可能同时完全考虑到三个因素，必须有侧重的方面。实际上一般会根据具体应用来选择：安全密写技术一般以隐蔽性为主；设计数字水印技术时则以鲁棒性为主；当考虑隐蔽通信为目的的应用时则一般首先考虑嵌入容量。

本文的讨论主要涉及隐写算法的安全性，所以将以隐蔽性指标为主。主要通过三组实验来对两种算法进行比较。

3.2 性能分析与比较

3.2.1利用峰值信噪比分析比较

以反映视觉特性的客观评价指标PSNR进行比较，选用五幅图像，在加密信息相同并且保证满嵌的情况下，分别用LSB匹配和随机调制算法对这五幅图像进行加密，从而得到五组图像，每组包含三幅图，然后分别对每组图像进行PSNR求值，实验结果如表3-1：

从上述结果来看，运用匹配算法和随机调制算法得到的PSNR值相差不大，几乎没有什么区别。同时我们都知道，当PSNR值大于35时就对图像的视觉特性造成不了什么影响，所以LSB匹配和随机调制算法的特性都是比较优良的，单从视觉特性这一点上来说，这两种算法都可以用于图像隐写，并且能保证较高的安全性。

3.2.2利用直方图分析比较

由于随机调制算法是将嵌入的秘密信息模拟成具有高斯分布特征的噪声信号，从而使得含秘密信息的图像不易被发现，保证了信息传递的安全。基于上述原理，我选择实验1中的三组图像，对于每组图像，我采取以下操作：分别用两种算法加密后得到的图像与原图像作差，然后将得到的两个差值用直方图表示出来。最终定论：随机调制算法将嵌入的秘密信息模拟成具有高斯分布的噪声信號，从而使秘密信息不会那么容易被检测出来，可能会骗过攻击者，但是lsb匹配算法则做不到，所以从被检测的难易程度上来说，随机调制算法相对来说更优良一点。

3.2.3 抗RS检测攻击比较

本次实验内容主要是对比LSB替换和LSB匹配、随机调制算法的抗RS检测攻击能力，随机的抽取五幅图像，预先设定嵌入率为0.9，分别用三种方法进行加密，然后用RS算法分别估计秘密消息嵌入比率，实验结果如表3-2：

根据上述实验结果，我们可以发现，RS检测攻击对LSB替换算法的攻击的效果非常好，但是对LSB匹配和随机调制算法基本失效，由此可以表明，LSB匹配和随机调制算法都具有良好的抗RS检测攻击能力，都是算法特性比较优良的隐写算法。

参考文献：

[1]姚敏.数字图像处理[M].北京：机械工业出版社，2006.

[2]王朔中，张新鹏，张卫明.以数字图像为载体的隐写分析研究进展.计算机学报[J].2009，32（7）：1247-1263.

[3]Shannon C E. Communication Theory of Secrecy System[J].Bell Syst. Tech. J.，1949，vol.28，656-715.endprint