基于LSB算法实现信息隐藏方案的研究

0 引 言

信息隐藏也称作数据隐藏，起源于隐写术，是集多学科理论与技术于一身的新兴技术。信息隐藏技术主要是指将特定的信息嵌入到数字化宿主信息中，信息隐藏的目的不在于限制正常的信息存取和访问，而在于保证隐藏的信息不被监控者注意和重视，从而减少特定信息泄露的可能性。随着技术的发展，各种信息安全的泄露事件时有发生，信息安全领域的研究也逐渐引起科研工作者的重视。

通信系统信息隐藏模型如图 1 所示。

1 原 理

信息隐藏技术又称为密写术，是将秘密信息嵌入到看上去很普通的信息中传送，防止第三方检测出秘密信息。信息隐藏技术结合计算机技术、加密技术等，逐渐发展形成水印技术， 主要用于版权保护、拷贝控制和操作跟踪等领域 [2]。

LSB 算法主要应用于将秘密信息嵌入到载体图像像素值的最低有效位（也称最不显著位），改变这一位置对载体图像的品质影响。对载体图像空域像素值做LSB 替换，用来替换LSB 的序列就是需要加入的水印信息、水印的数字摘要或由水印生成的伪随机序列[3]。

本文结合水印技术，从传播信道的安全角度出发，提出 了一种基于 LSB 算法实现信息隐藏的方案。发送端 M1 为发送 方原始载体数据的二进制序列，M2 为特定信息数据的二进制 序列 ；发送端特定信息 M2 经过 LSB 算法嵌入到载体数据 M1 序列中形成 M3 ；发送端含水印的 M3 序列与载体 M1 序列经私 钥 K1 所包含的 M1 与 M3 置换信息生成序列 D ；合法接收端 通过私钥 K1 对公开信道序列 D 进行逆解调得出特定信息 M2， 从而实现特定信息在传播信道中基于 LSB 算法的信息隐藏 [4]。

通信系统信息隐藏模型如图 1 所示。

2 实验仿真模型

2.1 发送端载体数据

M1 本文通信模型中的载体数据 M1 通过文本二进制转换软 件生成，如图 2 所示，目前仅支持英文字符与二进制序列之间 的转换。

由图 2 可知，载体对象文本 ai 对应的二进制码元序列为 M1=01100001 01101001。发送方载体信息 M1 选用二进制文本转换软件转换，利用LSB 算法对载体图像空域像素值所对应的二进制序列做LSB 替换。对载体序列 M1 进行 LSB 算法置换的序列 M2 即为通信模型中需要隐藏的信息。序列M=01100001 01101001 对应的码图如图 3 所示[6]。

图 3 M1 对应二进制时序图

2.2 发送端信息 LSB算法嵌入

本文选定的掩护对象数据 M2=01，用二进制秘密信息M2 中的每一比特信息替换与之对应的载体数据 M1 的最低有效位，假设待嵌入的二进制秘密信息序列为 [01]，替换过程如图 4 所示。

图 4 发送端LSB 算法信息嵌入过程

由图 4 可知，发送端载体数据 M1 经过LSB 算法替换后生成的含秘密信息 M2 的隐藏对象 M3=01100000 01101001。

2.3 发送端信息添加私钥 K1

在上述过程中，将秘密信息 M2 嵌入到载体数据 M1 的二 进制序列最低有效位，形成数据 M3。发送端 M3=M1@M2，私 钥 K1 为 M1 与 M3 的置换信息算法，发送端数据 M3 经过私钥 K1 生成序列 D，其公式为（M1@M2）@K1=D。本文私钥 K1 定 义为 D=nM1+M3，n=1[7]。

发送端原始的载体数据 M1 序列经过 D=nM1+M3，实现将 原拟发送的几十比特速率的电文变换成由载体数据和隐藏对 象数据组成的几兆甚至几十兆比特速率的电文，并增加了私钥 K1。经过上述分析，原始载体序列 M1 增加频带宽度，可减小 信噪比。从通信安全的角度来说，信噪比越小，越不易被他 人捕获，具有极强的保密性。发送端的私钥 K1 也是经过不公 开信道传输给接收方，从而比传统的信息隐藏更加安全 [8]。

发送端数据 D 时序如图 5 所示。由图可知，发送端原始 载体数据 M1 经 LSB 算法中私钥 K1 扩频，最终形成发送端的 数据 D 序列。发送端生成的序列 D=nM1+M3，定义 n=1，序 列 D 中红色的隐藏代码 M2=01 即为通信模型中隐藏的信息。 收发双方根据私钥 K1 的定义，可任意改变公式 D=nM1+M3 中 n 的数值。

图 5 发送端数据 D 时序图

2.4 发送端数据 D 对应文本

由图 5 可知，发送端最终生成含秘密信息 M2 的隐藏对 象 D 序 列，D=01100001 01101001 01100000 01101001，发 送 端数据 D 通过 2.2 节中所示软件生成对应文本，如图 6 所示。 目前仅支持英文字符与二进制位序列之间的转换 [9]。

由图 6 可知，发送端数据 D 对应的文本数据 D1=“ai`i”， 最终接收端会接收到发送端发来的数据 D1。

2.5 接收端解调信息

接收端接收到公开信道发送的数据 D1 后，首先利用私有 信道传来的私钥 K1 解调出数据 M3，再根据 LSB 算法及载体 数据 M1 解调出秘密数据序列 M2。合法用户通过私钥 K1 中所 指定的信息及收发双方载体数据序列 M1 不仅可解调出隐藏的 数据 M2，还可校验数据 D 在传输过程中是否发生了篡改。私 钥 K1 中指定了数据 n 的数值大小，若数据 D1 在传输过程中 发生了篡改，则接收端解调出来的数据公式 D=nM1+M3 不再 成立 [10]。

3 结 语

本文从通信信息安全传播角度，结合信息水印技术中的 LSB 算法，吸收了通信领域中的信息扩频技术、私钥技术等， 提出了一种基于 LSB 算法实现信息隐藏的方案。通过理论模 型的探讨、仿真与分析可知，本文所提方案具有防止数据篡改、 抗攻击性、信息破解难度大等特点，具有较大的应用价值。