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使用密钥的基于指标的LSB的隐写术和隐藏数据

作者：Wesam Saqer，Tawfiq Barhoom.加沙伊斯兰大学信息技术学院.加沙，巴勒斯坦.wesam.sqr@gmail.com，tbarhoom@iugaza.com

摘要

隐写术作为一种科学领域，它涉及将秘密数据隐藏在其他合法的可见的被称为容器，载体或封面的数据中，其方式是，除了这些封面数据的各方面表面意义之外，没有人会怀疑秘密数据的存在。现在存在许多隐藏数据的算法和技术。每种方法都有自己的隐藏方式和自身的优点与局限。在我们的研究中，我们引入了一种隐藏数据的新算法。该算法使用与最低有效位（LSB）算法所使用的相同的技术，该算法是将秘密数据嵌入载波字节的最低有效位中。它与LSB算法的不同之处在于它没有顺序嵌入封面数据的字节，而是一次嵌入一位或两位。实际上，它取决于指示器来确定一次嵌入的位数和在哪里嵌入。这些指示符是在至少两个有效位之后的每个覆盖字节的两位。这种算法优于LSB算法的优点是用于混淆入侵者的随机性，因为它不使用固定的顺序字节，并且它并不总是一次嵌入一个位。这旨在增加该技术的安全性。此外，该算法消耗的封面数据量较少，因为它有时一次嵌入两个位。

关键词：隐写术；隐写；最低有效位；LSB；数据隐藏；数据隐含；数据覆盖

一、引言

隐藏秘密数据的想法并不新鲜，但在信息技术领域的极端发展之后，隐写技术在数字领域得到了广泛应用，其技术日益发达。隐写术是信息安全领域的一个分支。信息安全的另一个领域是密码学。隐写术和密码学在某种程度上是相关的，因为它们都旨在保护信息免受未授权方的侵害。它们之间的主要区别在于隐写术涉及隐藏数据和隐藏数据的存在，其中密码学涉及将数据转换为难以理解的形式[1-4]。因此隐写术关注的是无法检测秘密数据，而密码学关注的是不通过改变数据本身的结构来显示可见的秘密数据[5,6]。当然，它们可以结合起来使数据更加安全。数据可以加密，然后隐藏在载体（隐写术）中，以提供另一层保护[4]。隐写术也可用于水印，以保护受版权保护的产品的所有权[5]。

每种新的隐写技术的主要目的是增强安全性或容量。 通过增强不可感知性或鲁棒性来增强安全性。不可感知性取决于所得到的隐形物体的质量与原始物体的关系，因此需要避免对覆盖物体进行明显的改变[2,3]。 稳健性取决于算法抵御隐写分析和攻击的能力[6]。 例如，隐藏数据的方法之一就是在容器文件的字节之后附加要隐藏数据的字节，然后将所有这些字节打包在一个单独的文件中。 但是，这种方法有一个非常大的缺陷，即结果文件的大小。 这是秘密数据和载体文件的大小的总和，如果最终尺寸太大，可能会引起怀疑。

在此范围内已经开发了许多算法和技术。 有些依赖于载体的性质，例如隐藏在照片，音频或其它[1,7]中的算法，有些则可以用于不同类型的载体。 秘密数据的载体可以是多种介质中的任何一种，如图像，音频，视频，文本甚至网络协议[1-3,7]。 因此隐写术可以根据封面媒介进行分类。 有图像隐写术（这是最常用的），音频，视频甚至网络隐写术[2]。 在我们的工作中，我们专注于开发一种可以与几种类型的封面介质一起使用的新算法，因为它基于可以与几种类型一起使用的最低有效位（LSB）算法。 隐写术也可以分为三种类型：纯隐写术，密钥隐写术和公钥隐写术[1]。

二、最低有效位

这项工作使用与被称为最低有效位（LSB）的著名算法相同的原理。 在LSB算法中，秘密数据隐藏在容器数据的每个字节的最小位中。 一个字节由8位组成。 LSB用隐藏位替换覆盖介质的一系列8字节中的最少位。 因此，每个秘密字节消耗8个覆盖字节以嵌入[2]。 一个例子如图1所示，使用LSB算法隐藏01101010字节。

图1.使用LSB隐藏数据

这种算法有几个优点。首先，它不会影响封面数据的大小，因为它不会增加或减少封面数据字节的数量。它只是用秘密位替换一些覆盖数据位而不影响大小。因为下面两个因素的存在，它没有对封面数据做出明显的改变。首先，改变发生在最小位（最右边），其在一个字节中的所有位之间具有最小权重。简单地说，如果该位的值发生了变化，则字节的值只会逐渐地变化1，如图1中的字节3和2所示。这种变化量既不是人眼也不是耳朵能分辨的。其次，一些位被替换为与上面图1所示相同的值，例如字节7.因此，平均而言，一半的覆盖位使用最大覆盖大小[2,4,6]进行修改。因此，如果我们将某些数据隐藏到例如图像中，则人眼无法检测到这种变化[2]。

另一方面，这种算法有两个缺点。第一，它需要占用大量字节才能嵌入少量字节，因为每个秘密字节需要8个覆盖字节，但这种缺点并不严重。 人们只需要将秘密数据隐藏到合适大小的封面中即可解决。 此外，还可以压缩秘密数据。 第二个各问题是隐藏机制很简单，因此很容易检测（并且被“破坏”）[2]。 我们决定通过嵌入数据字节的过程中的随机性来解决这项工作中的简单性问题。 此外，所提出的算法有时会隐藏两个比特，而在其他时间隐藏一个比特，这将所需的覆盖字节数减少了25％并增加了隐藏过程的复杂性。

三、相关工作

1. 图像隐写

图像隐写技术可以应用于图像域和变换域[2,6,7]。 在图像域我们可以使用BMP和GIF，在变换域我们可以使用JPG图像来隐藏数据[2,7]。 其他技术如扩频和拼凑也能用于隐藏图像[2,6]。 LSB更适用于BMP，PNG和GIF [5,8]，但GIF在用于隐藏数据时需要格外小心[6,8]。 另外，作为BMP的大尺寸图像在互联网上相对不常见，因此使用这样的图像在传播过程中会吸引人的注意[4]。 一个很好的选择是使用GIF，许多隐写术专家建议使用灰度图像，因为阴影从一个字节到另一个字节是逐渐变化的[4]。

现在已经提出了许多增强基于LSB的图像隐写的方法。在[9]中，提出了使用密钥来确定图像中的适当位置以隐藏数据。这将使得在没有密钥的情况下难以检索隐藏数据。这些位也仅隐藏在绿色或蓝色像素内，因此封面图像的修改不如修改所有字节，从而提高了隐秘图像的质量。在[10]中，应用RC4算法，该算法使用隐秘密钥随机地在整个封面图像上嵌入秘密数据。这种方法使得在没有stego-key的情况下很难检索数据。在[10]中还引入了一种改善隐秘图像质量的位反转技术。在[11]中，LSB用于隐藏数据，具体取决于基于过滤的算法。该滤波需要通过检查像素的3个MSB来找出哪个像素的数量更大，更亮或更暗的像素。嵌入在主导区域完成。他们还建议在嵌入过程之前使用ASE加密数据。

1. 音频隐写

由于冗余，音频和视频被认为是良好的载体[12]。许多研究人员使用LSB修改技术进行改进以隐藏音频媒体内的数据。在[12]中介绍了两种技术。第一个是位选择，用于选择样本中的覆盖位。第二个是样品选择，用于确定覆盖样品。这些技术为隐藏过程增加了随机性和混乱，以提高安全性。

1. 视频隐写

视频是图像和音频的组合，因此可以使用图像隐写术和音频隐写术。它具有很大的容量，很难检测整个视频流中的微小变化[13]。 LSB是一种有效的视频隐写方法。在[14]中，引入了一种根据函数引入的新方法，该方法将封面视频的帧指定为索引帧。该帧用于定位包含秘密数据的帧。

1. 网络隐写术

一些隐藏技术使用与OSI层相关联的网络协议功能来隐藏秘密数据。这些协议，如ARP，TCP，UDP或ICMP协议，称为载波协议[15]。

四、基于指标的LSB

在这种隐藏数据的方法中，秘密数据比特隐藏在至少一个或两个比特内，但是该过程是根据指示符完成的。 我们使用指示符来确定嵌入秘密位的字节，并使用另一个指示符来确定一次嵌入多少位。指示符是封面字节的每个字节中的固定位，而不是最少两位，因为至少两位用于包含秘密数据。让我们假设指示器告诉我们嵌入的位置是第四位（右边的索引为3的位）。根据指标位值，我们确定隐藏我们的秘密数据的字节。如果指示符位值的值为零，则我们当前的秘密位将嵌入到指示符字节本身之前的前一个字节的某个字节中（根据其指示符位值执行嵌入操作的字节），如果指针位的值为1，则我们当前的秘密位将嵌入到指示字节后的下一个字节中。通过隐藏过程，扫描封面数据的每个字节的第四位以识别应该隐藏秘密数据的当前秘密位的位置。此过程从作为指示符的第二个字节开始，以确保存在前一个字节，并且最终指示符字节是封面数据的最后一个字节之前的字节，以确保存在下一个字节。

当隐藏过程被根据指示符的值指示嵌入下一个字节时，嵌入完成在指示符字节之后的下一个字节中。但是当嵌入旨在完成前一个字节时，前一个字节并不总是恰好在指示字节之前的字节。大多数情况下，它在指标字节之前是随机字节数。在隐藏过程开始时，第一个字节是前一个字节，第二个字节是指示符字节。只要指示字节隐藏到下一个字节，第一个字节就会保持前一个字节。当指示器决定隐藏到前一个字节时，该前一个字节将被隐藏，而下一个未使用的字节将是前一个字节。只需在隐藏过程开始时，第一个指示符是第二个字节（索引为1的字节）。前一个字节是第一个字节（索引为0的字节），可以称为current-previous。此外，应确定在使用当前的先前字节之后将是前一字节的字节。该字节称为下一个前一个字节，在该过程开始时它是第二个字节，就像指示符一样。现在只要每个指示字节都隐藏在下一个字节中，当前前一个和下一个前一个字节就永远不会改变。当一些指示符字节决定隐藏到前一个字节时，嵌入完成到当前先前，然后当前先前移动到下一个前一个，而下一个前一个移动到指示符字节之后的下一个字节。这意味着每次嵌入完成到当前先前之后，下一个先前变为当前 - 前一个和下一个字节在指示符字节变为下一个前一个之后。最后，指标只是前进一个字节，依此类推。

因为我们使用指示符来识别要隐藏的字节，所以我们有时会嵌入前一个字节，其他时间嵌入下一个字节，因此这个过程增加了隐藏过程的随机性和混淆。并且由于前一个字节对于每个指示符字节都不是固定的，因此会给进程添加额外的随机性和混淆。所以，这种方法使得检索隐藏数据的过程更加复杂，从而提高了安全性，这是提出这个方法的主要目的。同样通过隐藏过程，并不总是一次只嵌入一个比特（可以嵌入一个或两个比特）。这取决于指标的另一个指标字节。再次让我们假设指示位告诉我们一次嵌入多少个秘密位是第三位（右边索引为2的位）。如果指标的值为0，我们只嵌入一位，如果是1，我们将两位嵌入到封面字节中。此操作为隐藏过程增加了更多随机性和混淆，因为嵌入位的数量不固定，因此我们无法在不检查指示符的情况下识别每个字节中的嵌入位数。另一方面，该操作增加了隐藏过程的容量超过正常LSB，其一次只嵌入一个比特，这是除了增加随机性和混淆之外的另一个优点。一次隐藏两个比特会导致字节值发生变化，但此变化的范围最大为0到3，这是一个非常小的变化，人眼或耳朵无法察觉。

因此，扫描封面数据的所有字节，并检查每个字节中的指示位（第四和第三位）的值。第四位是决定隐藏位置的指标。如果它的值为零，则隐藏在某个先前的字节中，如果是1，则完全隐藏在指示符字节之后的下一个字节中。第三位是指示器，告诉我们要隐藏多少位。如果其值为零，则仅隐藏一个位，如果为1，则隐藏两个位。因此，根据指标，我们有时会隐藏到前一次和其他时间进入下一次。前一个不是固定的，因为它并不总是恰好在指示字节之前的字节，它可以是指示字节之前的任何一个字节。根据另一个指标，我们有时隐藏一点，有时我们隐藏两位。图2显示了隐藏过程的流程图。所有这些因素都增加了隐藏过程的随机性和混乱，这使得未经授权的方难以检索秘密数据。

假设我们想使用基于指标的LSB算法将以下位11101100,01100110隐藏到下面的字节序列中，如图3所示。隐藏过程不像普通LSB那样顺序完成。 根据覆盖字节的指示符位的值，秘密位被随机隐藏到覆盖字节中。 如图3所示，嵌入的覆盖字节的顺序为0,3,4,1,2,5,8,6,10,7，相同顺序的嵌入位数为1,1 这里我们可以认识到，与普通的LSB方法不同，隐藏过程不是顺序的，有些字节只包含一个秘密位，而其他字节只包含两个位。

五、具有密钥的基于指标的LSB

为了使算法更健壮和安全，可以在隐藏过程中使用密钥。 密钥是一系列比特，可以用一维圆形阵列表示（因此可以使用任何大小）。 在隐藏过程的每个周期，用于确定嵌入秘密位的字节的位置指示符位与密钥的当前位进行异或。 如果结果值为零，则选择一个字节进行隐藏。 否则，选择下一个字节。 此外，用于确定要发送的比特数的量指示符比特与密钥的下一比特进行异或，如果结果为零，则隐藏一个比特（否则为2）。 这样，安全性进一步提高。

图2.隐藏流程图，PI：位置指示器，AI：金额指示器

六、实验和结果

这种方法在照片和音频上实施和测试，没有任何明显或可检测的失真。 这是因为该方法使用LSB技术来隐藏数据，并且该技术对载体介质没有做出任何明显的修改。 隐藏过程之前和之后的载波图像如图4所示，而相应的直方图如图5所示。该方法也应用于音频文件。 图6显示了该过程之前和之后的音频波形。

图3.使用基于指标的LSB进行数据隐藏

图4.招聘过程之前（上）和之后（下）的封面图像

图5.隐藏过程之前（左）和之后（右）的封面图像直方图

图6.隐藏过程之前（上）和之后（下）的覆盖波形

七、结论

随着信息和通信技术的发展日益增长，保护私人信息的需求也在不断增长。 关于隐藏秘密数据（称为隐写术）的信息安全分支已经浮出水面，并且已经出现了很多方法建议。 在我们的工作中，我们引入了一种基于LSB技术的数据隐藏新方法，与普通LSB相比，它增加了很多随机性和混淆数据隐藏过程，这使得未经授权的各方更难以检测和

资料编号：[4206]