用Python实现图片“隐写术”

谢作如 浙江省温州中学

隐写术(steganography)一词来源于希腊词汇stegons和graphia，意即“隐藏”和“书写”，即把某些特殊信息隐藏于正常载体之中，从而实现掩盖特殊信息存在的事实，不易引起敌方的怀疑。信息隐藏的发展很大程度上得益于战争中隐蔽通信的需要。我国古代有文字可考的最早的信息隐藏见于《六韬》中对“阴符”的记载。其办法是先制造形制、花纹不同的兵符，每一种表示一种固定的含义。这种含义须事先约定好，只有当事人可以理解，即使被敌方截获，他们也不会知道其中的含义。

在教学《数据与计算》（高中信息技术必修模块1）中关于信息加密的时候，笔者给学生介绍了密码的加密解密技术，并在网页上演示了图片隐写术的做法，不想引起了学生极大的学习兴趣。于是笔者就产生了想法：用Python的PIL库来实现图片隐写术，从而让学生深入理解信息的编码原理和规则。

● 图片隐写术的原理分析

图片是由一个个像素组成的。在常见的彩色图片中，每一个像素都由三组数字表示，代表红色（r）、绿色（g）、蓝色（b）三种颜色。其中，每一种颜色的深浅一般由0～255之间的数字表示，即一个字节（8个Bit），因而在Windows中查看这类图片的属性，会看到其位深度为“32”，如图1所示。

图1

既然每一个像素的单种颜色是采用8位来存储，那么如果改变其最低位的值，对整个图片来说，其视觉效果变化就很小，通过肉眼是看不出来的，如当一组颜色白色（255，255，255），变为（254，255，255）时，几乎没有区别，因为差距仅仅是1/255。如下页图2所示的两张小狗，其中一张加入了隐藏的信息，但是几乎看不出任何区别。

那么，对于一张大小为800*600的图片来说，就有800*600*3个位的空间可用于隐藏信息。只要将待隐藏的文字信息转换为二进制，再将每个二进制码存储在图片的像素中，就达到了隐藏信息的目的。

● 编程实现：将加密信息写入图片

Python的PIL库可以读取图片的信息，包括所有的像素颜色。这就需要编写一段代码，逐步完成如下工作：

①获取原图片的所有像素，将每一个像素颜色的数字最低位变为“0”；

②将待隐藏信息转换为二进制字符串，如果位数不够8个时，在最高位补0；

③将二进制的待隐藏信息依次与图片中每个像素的r、g、b颜色数字进行相加，形成新的图片。

为了方便调用，笔者编写了三个函数，分别实现这些功能，函数代码如图3、图4、图5所示。

准备工作已经完成，接下来要隐藏信息就调用“encodeDataInImage”函数。为了方便理解，笔者在代码中输出了一些特定的信息，如加密后的二进制代码和加密后的像素，具体效果如下页图6所示。

图6

在运行代码后，目录中将多出一张名称为“加密.png”的图片。这就是加密过的图片。用肉眼你肯定看不出有任何变化，因为仅仅改动了17个像素，而且这17个像素的变化又非常小。需要注意的是，选择的“原始.png”图片不支持“透明”，即没有透明度的信息，支持“透明”的PNG文件的每一个像素是4组数字。

● 代码编写：提取图片中的加密信息

在得到加密后的图片后，下一步的工作就是解密，以验证这一做法是否可行。需要完成如下工作：获取图片的所有像素，将像素值的最低位取出并拼接为一个二进制字符串。需要注意的是，我们只要把“有效”的信息取出即可，如果二进制字符串出现连续的16个以上的0，说明后面就不存在有效信息了。

获取存储的信息的二进制值，按每8位为一组，将上述二进制转换为十进制形式，再转换为Bytes类型，用decode将十进制转为字符并存储到字符串中。

同样为了方便调用，笔者分别编写了两个函数来实现以上功能（如图7、图8）。

分别执行decodeImage和binaryToString两个函数，即可输出解密后的信息，如图9所示。

图9

● 项目总结

实现图片隐写术的方法很多。本案例仅仅使用了一个像素单色数据的最低位，如果要隐藏更多的信息，甚至可以利用这个字节的后四位。当然，如果使用了后四位来加密，那么用于加密的原始图片的背景颜色最好比较复杂，这样加密后就不容易被发现，不能选择存在大片相同颜色的图片，如蓝天白云的风景图。此外，用于加密的原始图片可以是任意格式，但是保存后的图片需要用PNG或者BMP格式，即未压缩格式，不然加密后的图片一旦被压缩，信息就被破坏了。

计算机的发明和密码破译有着千丝万缕的关系，信息的编码又是加密和解密的基础。本案例涉及了字符编码、图片编码、进制转换、Python编程等方面的知识，将知识学习融入到有意义的探究过程之中，值得作为一个信息技术实验让学生在课堂上研究。本案例代码还有很多细节可以让学生探究，如为什么出现16个0就说明后面的信息是无效的、为什么加密时二进制字符串（binary）的长度要按照3的倍数进行补足等。

此外，信息的加密解密是一个很不错的信息技术学习主题，完全可以作为一个项目让学生深入研究。有趣的是，笔者的学生在研究完这个案例后，就开始研究如何在声音和视频中隐藏信息。虽然他们可能会遇到很多困难，但这一探究过程对他们学习信息技术有着非常重要的意义。