基于格式化文本颜色的安全增强信息隐藏方法

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(中国工程物理研究院总体工程研究所，四川 绵阳 621900)

基于格式化文本颜色的安全增强信息隐藏方法

张楠，李洪敏，柯明敏

(中国工程物理研究院总体工程研究所，四川绵阳621900)

随着办公自动化的日益普及，文本成为信息存储和传输的重要载体，基于文本的信息隐藏技术凸显研究价值；针对文本的信息隐藏方法存在隐藏容量小、安全性低的特点，提出了基于格式化文本中字体RGB颜色值的安全增强信息隐藏方法，依据Kerckhoffs准则和康托展开式设计了隐藏信息的编码方法和信息隐藏过程，分析了该方法的使用条件、隐藏容量、安全性和适用性；通过实验验证，该方法具有较好的信息隐藏容量，适用范围广泛且具安全性较强，具有一定的实用价值。

信息隐藏；文本隐藏； RGB颜色；康托展开

0 引言

随着计算机技术和网络通信技术的快速发展，彻底改变了人们的生活、工作方式，也改变了传统的信息传输和存储方式。人们在感受信息技术带来便利的同时，信息的安全性引起了人们的关注，信息安全也成为一项非常重要的研究课题。密码学和信息隐藏是信息安全研究领域的两个重要分支[1]。其中，密码学是将可识别的重要信息变成不可识别的密文信息，信息隐藏则是将重要信息嵌入到日常的信息载体中。密码学实现了信息的隐蔽性的同时却暴露了其存在性，而信息隐藏不但实现了信息的隐蔽性同时也隐藏了信息的存在性[2]。

信息隐藏的应用研究具有悠久的历史，信息隐藏也被称之为“隐写术”，学术界使用较为频繁的术语有“Information Hiding”、“Data Hiding”和“Steganography”。信息隐藏技术的研究主要包含隐蔽通信、信息伪装、匿名通信和版权标识等方向[3]。其中，信息伪装和版权标识的研究和应用相对来说比较普遍，特别是信息伪装技术。信息伪装技术是指将重要信息隐藏于公开的数字媒体载体中，使得信息在通信网络中得到安全的传输。

目前，信息伪装技术根据隐藏载体的不同，可以分为基于图片、音频、视频、文档等载体的信息隐藏技术[4]。现今基于音、视频和图片载体的信息隐藏技术的研究比较多，这主要由于音视频和图片文件的载体自身信息容量大，便于隐藏大量信息且不易察觉。而基于文本的信息隐藏的研究则相对较少，主要是由于文本形式多样和隐藏容量较小。

随着各行各业办公自动化的不断推进，人们提倡环保的无纸化办公，电子文档成了人们办公和生活必不可少的信息承载工具[5]。基文本的信息隐藏的研究具有普遍的实用价值。然而，文本文档的格式和种类众多，如TXT、DOC、PDF、HTML、XML、EML、XLS、PPT、CHM、WPS以及数据库文件等等。基于这种格式化文本的研究主要分为[6]：基于句法结构的信息隐藏方法、基于语义替换的信息隐藏方法、基于段落格式的信息隐藏方法和基于字符特征的信息隐藏方法。

本文重点针对字符特征的颜色RGB特征进行研究，设计了基于字符颜色特征的信息隐藏和信息提取模型，分析了该方法的隐藏容量、安全性和适用范围，并通过实验验证了方法的可行性。

1 格式化文本信息隐藏

1.1 格式化文本

格式化文本是以字符进行编码，不同于视频、音频和图象的编码方式[7]。大部分情况下是以某种格式的文档作为载体，例如Office相关文档、PDF文档、HTML文档等等。但有时也不依赖于固定的文档载体，例如邮件的文本、即时通信软件的聊天记录等信息。因此，格式化文本广泛的存在于我们的日常生活和办公工作中。

格式化文本数据是文本数据的一部分，区别于TXT等类型非格式化文本[8]。非格式化文本的相同字符不仅编码方式相同而且视觉表现也完全相同。格式化文本即使是相同的字符文本也可以变现出不同的视觉效果。这主要基于格式化文本中的两个重要特征，即段落特征和文本特征。文本的段落特征主要包含行距、缩进、段前段后距、字符间距等文本属性，字符特征主要包含字符大小、文本颜色、文本背景色、字体格式、下划线、删除线等属性[9]。

根据人类视觉系统[10](HVS)的视觉分辨精度有限，又可将格式化文本的特征分为可识别特征和不可识别特征。可识别的特征都是区分度较大的特征变化，如字体的变化(宋体和楷体)、字体大小的变化(五号和小四)、字体颜色的变化(黑色和红色)。这些特征是人类视觉系统容易察觉的，通常用于文字强调和标记等用途。不可识别特征则是一些微小的变化，如字符大小变化范围在0.5磅以内、无色的文本下划线和边框、相近的字体颜色(颜色#000000和#000004)等等。这些特征都是人类视觉感知系统所很难甚至不可能差距出来的，基于这些特征可以在格式化文本中隐藏重要信息，也可以保障被隐藏信息拥有足够的安全性。

1.2 格式化文本信息隐藏方法

根据格式化文本的两个重要格式特征，可以将格式化文本特征的信息隐藏方法研究分为两大类：基于段落格式的隐藏方法和基于字符格式的信息隐藏方法。

在基于格式化文本段落格式的信息隐藏方法研究中，美国AT&T Bell Laboratories的Brassil, S.H.Low, N.F.Maxemehuk等[11]人最早进行了这方面的系统研究，提出了基于行移、字移的隐藏方法，并提出了相关检测和基于质心的隐藏信息提取方法。Brassil指出，当移动的距离足够小时，比如小于1/300英寸时，人的眼睛一般就难以察觉，因而这种隐藏方法能够保证足够的安全性。另外，当该方法打印-扫描后，在保持格式不变的情况下，秘密消息依然能够提取出来，具有较好的鲁棒性。Brassil, S.H.Low, N.F.Maxemchuk等人提出的方法中，检测时需要用到原始文本，而且不是每行(单词)都能隐藏消息。在其之后，许多人对算法进行了改进，使得隐藏容量能提高几倍，而且在提取隐藏消息时不需要原始文本，即盲提取，使得算法更为安全[12-13]。同时，也把该方法从英文中移植到其它语言的文本当中[14]。

在基于格式化文本字符格式的信息隐藏方法研究中，陈芳[15]等提出文本字体的信息隐藏算法，刘玉玲[16]等提出改变字体大小数字水印技术，唐承亮等[17]提出基于字体颜色的数字水印技术。

基于格式的文本信息隐藏方法都存在着鲁棒性较差、易检测、安全性不高等[18]特点，本文深入研究了基于字体颜色的信息隐藏特点，结合人类视觉系统对颜色敏感度不高和Kerckhoffs准则[19]设计了信息隐藏方法。

2 方法描述

本文提出的信息隐藏方法主要基于以下两点：人类视觉系统(HVS)对于颜色辨别率不高；Kerckhoffs准则中指出信息的安全性依赖于密钥的安全性。因此，本文重点设计了信息编码的方法，将其应用于颜色特征信息隐藏，不仅隐藏了信息的存在性还保障了隐藏信息的安全性。

2.1 信息隐藏

本文提出的方法中信息编码的方法都是基于一个密钥Key，这个密钥Key不仅是生成密码表的密钥，同时也是明文信息进行加解密的密钥。也就是说在隐藏载体中，如果要提取被隐藏的密文，必须要使用该密钥Key。即使隐藏的密文信息被获取到，那么得到的也是一串不具有现实含义的序列，这个序列必须由信息嵌入者根据该密钥Key生成密码表，从密码表中找到相应的信息映射序列，再经过使用密钥Key的解密算法，最后得到隐藏在载体文本中的明文信息。

信息隐藏的过程分为3个阶段：1)根据密钥Key加密明文隐藏信息；2)根据密钥Key生成数据字典；3)根据密码表将密文隐藏信息映射到密码表的相应序列码；4)将序列码嵌入到格式化文本载体中。

信息隐藏的过程模型如图1所示，下面详述每一个阶段的主要算法和过程。为方便描述信息隐藏的过程，将带隐藏明文信息记为Info，文本载体记为Text(所有文本颜色为全黑)，密钥记为Key，密码本记为C-Table，隐藏信息十六进制密文记为Info-C，密码表映射后的十六进制隐藏信息序列记为Info-S，嵌入隐藏信息的文本载体记为Text-S。

图1 信息隐藏模型图

Step 1：将Info通过DES加密算法[20]加密得到Info-C，DES加密算法使用的密钥为Key。DES加密算法会根据隐藏信息的长度进行相应的补全，此时得到的Info-C的长度可能会被扩充。需要强调的是，这里所用到的DES加密算法的输出为十六进制序列，这主要为了便于信息表示和进行接下来的密码表映射。

Step 2：使用密钥Key生成密码本C-Table。因Step 1中得到的Info-C是十六进制序列，此步骤中将根据密钥Key利用康托展开[21]建立新的映射关系。这是为了增强存储密文的安全性，防止密文被非法获取从而被破解，经过再次映射后密文即使被获取到了也很难破解其中的内容信息。具体的映射算法详见密码本生成算法过程：

输入：密钥Key

输出：密码表C-Table

算法过程：

1)创建长度为16空映射表C-Table

2)根据密钥Key获取其康托展开值K-value

3)根据K-Value生成0-7的康托全排列，依次将每个序列对写入C-Table

4)根据K-Value生成8-E的康托全排列，依次将每个序列对写入C-Table

密码本格式如表1所示，每一个十六进制的数字会被重新映射到一个新的空间里，这个密码表会被使用在Step 4中用于嵌入隐藏密文信息的转换。

Step 3：将Info-C的每位十六进制数在C-Table中找到其对应的新的编码，从而生成映射后的隐藏信息序列Info-S。生成的Info-S同样是一串十六进制数字序列。

Step 4：将Info-S二进制序列嵌入到Text中每个字符的RGB颜色值的低两位，每个字符字符只有六位的信息存储空间，即4个字符载体能够嵌入3个字符的隐藏信息，依次嵌入隐藏信息直到所有隐藏信息被嵌入到文本载Text中。如果最后一个字符是载体字符的B分量，那么将下一个字符的R分量置为#00000100，该颜色分量值将作为潜入信息的结束符；如果最后一个载体字符分量为R分量，则将该载体字符的G分量置为#00000100；如果最后一个载体字符分量为G分量，则将该载体字符的B分量置为#00000100，这样就完成了隐藏信息嵌入到载体文本的整个过程。为了更直观的认识信息隐藏的过程，给出信息隐藏过程示意图如图2所示。

从图2中可以清晰地看到，颜色为黑色的“A”字的RGB中分别在R分量，G分量和B分量中嵌入了“01”、“11”和“01”， “B”字的R分量被嵌入了“00”。待所有信息隐藏完成后，将下一个RGB分量置为结束标识符(#00000100)，标识为信息隐藏结束位置，以便提取时进行判断。

图2 信息隐藏过程示意图

2.2 信息提取

从包含隐藏信息的格式化文本载体中提取隐藏信息的过程就是信息隐藏过程的逆过程，信息提取过程中将所有文本的颜色全部置为默认黑色，即颜色RGB值为(#00000000,#00000000,#00000000)。这样可以防止隐藏信息被非法再次利用，也实现了信息隐藏的可逆过程，达到了不破坏载体文本颜色的目的。信息的提取过程模型如图3所示。

为方便描述信息提取过程，将嵌入隐藏信息的文本载体记为Text-S，映射后的隐藏信息序列记为Info-S，带隐藏明文信息记为Info，文本载体记为Text，密钥记为Key，密码本记为C-Table，隐藏信息密文记为Info-C，密码表映射后的隐藏信息序列记为Info-S。信息提取的过程包含以下步骤：

Step 1：依次读取Text-S文本中每一个字符的RGB值的R分量、G分量和B分量的低两位，直到遇到结束字符颜色值(#00000011，#00000011，#00000011)，最后得到二进制编码的隐藏信息序列值Info-S。

Step 2：即为信息隐藏过程中的Step 2，采用相同的算法和参数生成与信息隐藏过程中用到的相同的密码本C-Table。

Step 3：将Info-S以4位二进制为单位依次在C-Table中找到相应的字符序列，最后生成加密后的密文十六进制序列Info-C。

Step 4：使用密钥Key对Info-C进行DES算法解密，最后得到隐藏的明文信息Info。

图3 信息隐藏模型图

2.3 隐藏条件分析

为了便于表述，我们设定len(X)为文本X所含的字符数。隐藏文本Info的字节长度则为len(Info)，文本载体的字节长度长为len(Text)，对Info加密后的密文字节长度len(Info-C)，密码表映射后的密文Info-S字节长度为len(Info-S)，隐藏信息部分文本设为Text-ST，其字节长度为len(Text-ST)，隐藏信息后的密文Text-S的字节长度为len(Text-S)。

因为DES加密算法会对不满足64位整数倍长度的文本进行补全。也就是说，如果len(Info)是8的整数倍，就不用对Info进行补全，否则要对Info进行64位补全，存在如下关系式(1)：

(1)

其中:m为len(Info)对8取模运算结果。

Info-S为映射后十六进制序列，其字节长度应与Info-C字节长度相等，且要在隐藏信息末尾添加半字节的4位终止符(0100)分量，则有关系式(2):

len(Info-S)=len(Info-C)+0.5

(2)

Info-S每8位文本占用隐藏文本载体Text的两个字符的4个RGB分量，隐藏了信息的部分文本Text-ST与Info-S即存在关系(3)：

(3)

其中:s为len(Info-S)乘以8对6的取模运算结果。

因隐藏文本信息的文本Text-ST长度必须小于等于载体文本Text的总长度，如关系式(4)所示：

len(Text-ST)≤len(Text)

(4)

由关系式(1)、(2)、(3)、(4)可以得到文本载体Text的字符长度与隐藏信息Info的字符长度关系式(5)：

len(Text)×6≥len(Info)×8+4

(5)

从式(5)可以看出，如果要满足文本信息Info隐藏在文本信息Text中，则文本Text和文本Info至少要满足以上不等式。

定义Capacity为文本Text的隐藏容量占比，那么可以得出Capacity的计算公式为式(6)：

(6)

从式(6)中可以看到Capacity的取值范围为：

(7)

然而Capacity的最大容量取决于隐藏文本Info和隐藏载体文本Text的长度，而只有在满足不等式式(5)左右相等的情况下，隐藏容量Capacity取得隐藏载体文本Text长度特定情况下的最大值。

2.4 实例

为了更为直观地介绍该本文提出的隐藏方法，通过Java语言在Microsoft Windows 7 旗舰版平台的Eclipse集成开发工具中实现了隐藏方法。

设定密钥Key为“ABCD1234”，设定隐藏信息Info为：

Tomorrow, I’ll have a secret meeting with the president at the Hilton hotel.

为了体现文本的普通型，选用文本载体为文献[4]中的英文摘要，即隐藏的文本载体Text为：

Traditional steganography scheme based on text is achieved by embedding blanks and tabs at the back of every row. These schemes have many disadvantages in security and efficiency, ex. they can easily be detected and attacked. This paper analyzes the structure and syntax of the text files and proposes a new and more secure steganography method. It achieves the aim of hiding secret information in text files by replacing thesaurus.Experiments and analysis prove that it is a method with high efficiency and security.

通过实现信息隐藏过程描述中Step 1，将Info经过DES加密算法加密后得到密文Info-C：

80-BB-08-20-AF-20-29-49-43-3C-5B-E9-76-D4-C1-F2-B0-E4-BF-46-4C-FB-83-A4-7C-D0-8F-3F-A0-CD-38-23-4D-E3-1B-BE-29-47-C3-14-9B-45-CD-28-D6-B4-23-35-4F-51-6B-01-1B-40-96-4D-84-4A-50-56-94-59-B2-15-12-5A-C4-24-B8-4E-FF-9E-E5-DE-A5-00-3B-28-3B-00

通过实现信息隐藏过程描述中Step 2，得到密码表C-Table，如表1所示。

表1 部分密码表

通过实现信息隐藏过程的Step 3，将Info-C转换编码以后，添加隐藏信息结束标识符得到Info-S：

C4-FF-4C-64-EB-64-6D-0D-07-78-1F-AD-32-90-85-B6-F4-A0-FB-02-08-BF-C7-E0-38-94-CB-7B-E4-89-7C-67-09-A7-5F-FA-6D-03-87-50-DF-01-89-6C-92-F0-67-71-0B-15-2F-45-5F-04-D2-09-C0-0E-14-12-D0-1D-F6-51-56-1E-80-60-FC-0A-BB-DA-A1-9A-E1-44-7F-6C-7F-44-4

通过实现信息隐藏过程的Step 4，得到嵌入隐藏信息的文本Text-S:

Traditional steganography scheme based on text is achieved by embedding blanks and tabs at the back of every row. These schemes have many disadvantages in security and efficiency, ex. they can easily be detected and attacked. This paper analyzes the structure and syntax of the text files and proposes a new and more secure steganography method. It achieves the aim of hiding secret information in text files by replacing thesaurus.Experiments and analysis prove that it is a method with high efficiency and security.

针对以上潜入信息的格式化文本，使用密钥Key通过信息提取程序提取的隐藏信息Info:

Tomorrow, I’ll have a secret meeting with the president at the Hilton hotel.

3 结果与分析

基于文本的信息隐藏方法的一个重要问题就是隐藏容量的问题，而隐藏容量的大小很大程度上取决于隐藏载体的大小。隐藏信息占比是一个衡量隐藏容量的一个重要方法，由2.3中公式(7)可以得到隐藏容量占比的计算方法。从公式中可以看出，待隐藏信息的容量和隐藏载体的容量共同决定了这个结果。

为了验证不同文本载体长度下隐藏容量和隐藏容量占比的变化，分别选取了小容量载体和大容量载体进行试验。小容量载体长度选择从1到500个字符长度，大容量载体选择从1074到26024个字符长度。试验结果如图4所示。

图4 信息隐藏模型图

从图4中可以看出，无论是小容量文本载体还是在大容量文本载体环境下，隐藏信息容量占比均呈现抖动增长趋势。这是由于载体的长度细微的增加，而能隐藏的文本长度不变，导致隐藏信息容量占比发生轻微下降，当载体长度增加到可以容纳新的字符时，隐藏容量信息占比会继续增长。在图4(b)中可以看到，当载体字符达到20000长度左右时，隐藏容量占比趋于稳定，通过前文提到的隐藏信息容量占比计算公式得到，该方法下的最高信息隐藏容量占比为75%。

该方法隐藏的信息在文本载体中具有较好的隐蔽性和安全性。通过观察原始文本和嵌入隐藏信息的文本，人类肉眼基本无法辨别。同样也对这样的文字进行放大和缩小打印，发现只有在字体大小放大十倍以上打印文本时会观察到字体内部颜色有细微变化，而当文本在缩小字体大小时则更难以辨别。此外，隐藏在文本载体中的信息安全性较好，通过非法获取手段获取该文本的蓄意攻击者很难从载体中成功提取密文信息。这主要基于该方法中的数据加密技术和编码映射技术，有效地保障了重要隐藏信息的安全性。

格式化文本自身使用的普遍性决定该方法实现的信息隐藏具有较好的适用性和传播性能。支持格式化文本的载体都可以将信息进行隐藏，这并不局限于某种特定的文件格式和平台工具。这种普遍性使得格式化文本易于创建和传播，在网络上可以通过即时通讯软件、EMAIL和载体文件等方式快速进行传播，且不需要特定的传输渠道。

4 结束语

本文针对文本信息隐藏容量小、安全性低等特点，介绍了文本信息隐藏的一般方法和研究现状，依据人类肉眼对颜色识别度低和Kerckhoffs准则提出了基于格式化文本中字体颜色的信息隐藏方法。详细阐述了该方法的信息隐藏和信息提取的过程，并通过编码实现了该方法，通过实例介绍了信息隐藏的全生命周期过程。此外，也分析了该信息隐藏方法的条件，通过试验验证了该方法的隐藏容量和隐藏容量占比，并分析了该方法的安全性和适用性。结果表明，本文提出的基于格式化文本的信息隐藏方法具有较高的信息隐藏容量、较高的隐藏信息安全性和良好的适用性。这为信息安全领域中的信息隐藏研究提供了一种新的安全的方法，为该领域的研究提供了参考，同时也可将该方法应用到隐蔽通信等重要领域。下一步工作将继续研究该方法在专业信息隐藏检测工具下的安全性和隐藏信息完整性的校验。

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ASecurityEnhancedInformationHidingMethodBasedonFormattedTextColor

Zhang Nan，Li Hongmin，Ke Mingmin

(Institute of System Engineering, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China)

With the increasing popularity of office automation, text has become an important carrier of information storage and transmission. According to the features of small capacity and low security for text information hiding methods, the paper put forward the new safety enhanced formatted text information hiding method based on Kerckhoffs criterion and Cantor expansions. The encoding method of hiding information and the whole information hiding process were designed. And also the condition, hiding capacity, safety and applicability of the method were analyzed. The experimental results show that the proposed method has better information hiding capacity, higher security and wider scope of application.

information hiding; text hiding; RGB color; Cantor expansions

2017-03-16；

2017-05-18。

张 楠(1990-)，男，四川绵阳人，硕士研究生，主要从事网络安全与计算机应用方向的研究。

1671-4598(2017)11-0115-05

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.11.030

TP3

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