基于数字图像的信息隐藏技术探究

任师迁

（河南大学计算机与信息工程学院，河南开封,475004）

0 引言

随着网络技术的快速发展，互联网成为当今社会最为重要的信息传送渠道，各种形式的多媒体数字作品纷纷以网络形式传送和发表。互联网在为人们带来巨大方便的同时，也带来了了风险与隐患。盗版活动日益猖獗，产权保护问题和个人信息的保密成为信息安全行业首要解决的问题。

信息安全系统的意义在于保持信息的保密性、完整性和真实性。传统信息安全的主要研究领域是信息加密技术。信息加密的主要思想是隐藏信息的内容，使非法拦截者不能轻松获取机密信息，以达到信息安全的目的，但它在保护版权及个人隐私信息方面存在致命弱点。一方面，看似不可识别的密文也容易在信息传递过程中被截获，即使不能被破解，也能破坏和干扰信息传递的过程。另一方面，加密的作用范围仅仅存在于传输过程中，当接收者接收到加密信息并将之解密后，机密信息将变得完全透明，与普通文档无异。也就是说，当数字作品一旦被接收者解密后，信息加密也将失去其对数字作品的保护作用。

信息隐藏是一种崭新的信息安全技术，它有别于传统的信息加密技术，利用载体信息中具有随机特性的冗余部分，将机密信息嵌入到某一公开信息中，隐藏其存在性，进而通过公开信息的传输来传递机密信息，使监测者和非法拦截者难以察觉。

1 基于数字图像的信息隐藏技术综述

1.1 基于数字图像的信息隐藏技术概念

基于数字图像的信息隐藏技术的实现是利用数字图像的数据冗余。信息隐藏的原理是利用人类的视觉感知系统在不同背景下会受到不同的影响，当背景较强时，如果叠加信息的信号较弱且低于对比度门限，则人类视觉无法感觉到叠加的信息。

信息隐藏系统的一般化模型如图1所示

图1 信息隐藏系统模型

图2 所示为信息隐藏系统模型。信息隐藏者首先通过嵌入密钥将需要隐藏的嵌入对象藏入掩体对象中，接收方收到包含嵌入对象的信息后，再利用相应的算法和密钥，从中提取还原嵌入对象。

1.2 图像信息隐藏技术的分类

1996年伦敦会议上，对信息隐藏技术的术语进行了统一和规范，提出了信息隐藏科学的框架和分支，如图2所示，并对术语给出了相应的解释。

图2 信息隐藏技术分类

信息隐藏的四个主要分支包括：隐写术(Steganography)、掩蔽信道(Covert Channels)、数字水印（Copyright Marking）和匿名技术（Anonymity）。

在信息隐藏技术的分支中，应用最广泛的两个技术是隐写术和数字水印技术。隐写术主要是为了隐藏实际存在的机密信息，侧重于利用掩体来隐藏机密信息，一般分为基于语义的隐写和基于技术的隐写。数字水印技术是保护版权信息的有效手段，通过向数字作品中嵌入版权信息来保证数字作品不被非法复制或盗版。

2 基于矢量量化的信息隐藏技术

由于原始图像在藏入机密信息后会使得数据量增大而不利于传输，近年来，国内外诸多学者都把研究的重心聚焦到压缩领域机密信息的嵌入。这是因为压缩后的数字图像不仅能够藏入秘密信息，还能够缩短数据在网络中传送的时间、减少存储空间。但是，和没有压缩的图片相比，压缩后的图片更难以藏入信息。矢量量化编码（Vector Quantization）是一种基于区块的压缩方法，该方法对空间中的每一个矢量进行矢量量化，只传输或存储该矢量的索引值，因此该方法与传统的信息隐藏方法相比能够达到更高的压缩率，同时节约了存储空间。图3给出了VQ编码和解码的过程。

图3 VQ编码和解码过程

在编码前，原始图像被分成了不重复的区块，每个区块大小都是r×l像素，所以每一个区块都能用r×l像素的空间向量表示。VQ基本方法就是用一个从r×l像素的欧几里得空间到它的有限子集的映射函数Q来关联每一个区块，并且以此来建立一个码书。

在VQ的编码过程中，计算出原图像中每一个向量X到码书中的编码Y i的最小欧几里得距离，计算公式如下。

上述公式中，Xj ，Yi,j分别是X和Yi的第j个元素，当找到对应的最小欧几里得距离之后，索引i就用来编码向量X。按此方法循环进行，最终原始图像全部被索引值编码。解码的过程只需要查询索引表中的索引值来重建原始图像。VQ解码必须使用和编码时相同的码书。正因为如此，码书的优劣直接影响了VQ压缩图像的质量。

作为一个新兴的技术，信息隐藏还有很大的发展空间。在理论方面，对信息隐藏技术的理论研究仅停留在一般性描述上，真正能够指导信息隐藏技术实践的理论成果并不多，且没有统一的国际标准。在技术发展方面，如何减少嵌入算法的计算量，增强安全性都将是信息隐藏领域下一步研究急需解决的问题。

4 结论

本文介绍了基于数字图像信息隐藏技术的研究背景、基本概念和研究现状，并从信息隐藏技术的系统模型、基本分类入手，介绍了基本的图像信息隐藏技术并着重介绍了基于矢量量化的信息隐藏技术。通过与传统信息加密技术的对比，指出了图像信息隐藏技术在信息安全领域具有更好的隐蔽性和不可识别性。文章的最后指出了图像信息隐藏技术的发展趋势，为后续的深入研究打下了良好的基础。

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