[发明专利]高嵌入效率数字隐写方法—扩展型矩阵编码

说明书

1.技术领域

本发明涉及计算机软件，隐蔽通信，数字媒体的信息安全等内容。主要是利用改进的矩阵编码方法，在数字图像中嵌入需要传输的隐蔽信息，使得密写后图像可以通过公开信道成功地传输到目的接收方而不会引起嗅探者的注意和怀疑。该方法有效地减少了对于宿主数据的修改，提高了系统有效载荷，具有较强的安全性和高吞吐率，该项技术能够应用于军事通信、商业及金融数据保密，多媒体版权保护和Internet安全等保密性和安全性要求较高的领域。 

2.背景技术

随着数字技术的发展，传统的隐写技术及其思想被广泛地应用到数字媒体上，逐渐形成一种新型的技术，即数字隐写。与传统隐写不同，数字隐写所操作的对象为数字媒体，如数字图像、音频、视频、数据等。数字隐写就是将需要传输的秘密信息通过某种手段嵌入到数字媒体中隐藏起来，在通过一个被监视的公开信道时，可以不引起任何人的注意，从而避免秘密信息被拦截下来，保证目的接收方可以顺利的接受并恢复秘密信息，知晓内容。可以看出，隐写技术必须要具备两个基本的属性，也就是不可见性和大容量性。不可见性保证了隐蔽通信过程的安全性，如果攻击者发觉有秘密信息正在被传输，那么秘密通信就宣告失败了，因此，秘密信息对攻击者来说必须是透明的，载体数据在这里就起到了迷惑和遮掩的作用，尽可能少的修改载体数据就可以最大限度的控制失真，实现更好的隐蔽性；而大容量性则要求隐写算法能够成功的将一定容量的秘密信息嵌入到载体数据中，同时满足不可见性的要求，这样可以在一次通信过程中传输更多的秘密信息，从而避免频繁通信引起攻击者的怀疑。1983年，Simmons提出的著名的“囚犯问题”，对数字隐写及隐蔽通信过程进行了生动准确的描绘和建模[1]，今后的众多优秀的隐写算法便都是遵循这一经典模型而设计的。 

最早出现也是最基础的一种隐写方法叫做LSB隐写算法[2-3]，它是把秘密信息嵌入到视觉不敏感的图像最低有效位平面上面，嵌入方法即是用秘密信息比特来替换所要嵌入位置像素的最低比特。该方法简单、失真小，但是该方法应用在图像空间域中，因此非常脆弱，容易受到噪声干扰。于是，LSB隐写又被移植到了图像的变换域上面，其中较有名的是Upham的JSteg方法[4]，该方法的嵌入域不再是图像的最低位平面，而是DCT域系数的最低位平面，同样使用比特替换的方法进行嵌入，然而，安全性和鲁棒性却大大增加。但是，不久便发现该方法会导致出现一个可辨识的统计特征，这是由于修改只发生在直方图上相邻的像素所造成的，并且该特征可以利用Westfeld和Pfitzmann的χ²检测方法来识别[5]，使得系统不可见性减弱，安全性降低。为了弥补这个缺陷，一个称作Outguess的隐写算法应运而生[6]，该方法利用一个伪随机序列发生器，将秘密信息的嵌入位置打乱，并且随机分散到DCT域中各个频段中，从而有效的防止了χ²检测。不过，好景不长，Fridrich等人利用边缘不连续性方法成功的检测出Outguess隐写的存在并准确估计出隐藏秘密信息的长度[7]。 

为了设计出安全有效的隐写算法，众多学者拓展思路，开始尝试一些新的方法，其中，Wesfeld的Fx系列算法取得了最为显著地成果[8]。F3隐写打破了传统LSB隐写的嵌入方式，将秘密信息比特与所要嵌入位置DCT系数的绝对值的最低有效位进行比较，避免了POVs(对值特性)统计特性的出现；但是，这种方法会向直方图中引入更多的偶系数。于是就有了它的升级版本F4隐写，该方法利用负偶数和正奇数系数代表1，负奇数和正偶数代表0，这种策略，平滑了直方图中不对称的结构，进一步提高了安全性。如今，更加安全有效地F5算法也已经被广泛地应用在信息隐藏领域中，成为目前最为流行的隐写算法。 

参考文献： 

[1]G.J.Simmons，The prisoners′problem and the subliminal channel，in：Advances in Cryptology：Proceedings of Crypto 83，New York，1984，pp.51-67. 

[2]R.G.van Schyndel，A.Tirkel，C.F.Osborne，A digital watermark，in：Proc.of Int.Conf.on Image Processing，Austin，November 1994，pp.86-89.