一种基于移动终端的最佳匹配隐写系统

丁石磊，郑紫微，杨任尔

（宁波大学通信技术研究所，浙江宁波315211）

一种基于移动终端的最佳匹配隐写系统

丁石磊，郑紫微，杨任尔

（宁波大学通信技术研究所，浙江宁波315211）

针对移动智能终端信息传递中存在的安全性问题，提出一种基于最小直方图失真（LHA）的匹配隐写方案（M-LHA），并设计一种基于Android移动平台的信息隐藏系统。M-LHA隐写算法采用置换的方式对秘密信息进行预处理，选择与载体图像最佳匹配的置换方案实现隐写。实验结果证明，相比传统的LHA算法，M-LHA算法具有更好的相对熵以及更稳定的直方图分布，能有效提高隐写系统的不可感知性。设计的信息隐藏系统可满足终端用户的安全需求。

信息隐藏；移动终端；最小直方图失真；置换算法；相对熵

1 概述

现代科技水平的快速发展推动着移动终端设备的不断更迭，智能手机已逐渐替代传统功能机而成为大众消费者的标准化移动设备，人们对智能手机的需求已不仅是通讯功能的使用，更多的是与互联网的无缝接入［1］来实现生活和工作中的业务需求，应用范围甚至已经扩展到工业和旅游等领域［2］。目前，智能手机的操作系统主要集中在谷歌的Android、苹果的iOS以及微软的W indow s Phone等，其中Android因其开放性和丰富的硬件选择，使其在国内外智能手机市场上拥有最庞大的占有率，具有无限广阔的发展前景［3］。

然而，由于Android系统的开源性，在有效降低了开发成本和难度［4］的同时，也带来了信息传输的安全隐患，系统的开源使得攻击者比较容易破解管理员权限，从而拦截用户传送的消息或者通话的记录等［5］，这就带动着用户对于信息传输的安全保护功能的迫切需求，信息隐藏正是信息安全传输的一种方式。

信息隐藏技术是将秘密信息通过算法嵌入到公共载体（如视频、音频、图像等）中，再通过传输通道传递给接收方［6］。与传统的信息加密传输相比，信息隐藏技术的侧重点在于秘密信息的不可感知性［7］，即以不引起第三方的注意（包括感官上和信息统计分析上）为目的来传输秘密信息。

图像隐写算法大致可分为空域隐写算法［8］和频域隐写算法［9］。频域算法一般是通过DCT或DW T等数学变换的方法，在变换域中嵌入秘密信息，然后再逆变换成载有秘密信息的图像，该算法具有很好的鲁棒性但可嵌入容量较小，不适用于大容量的信息隐藏。空域算法是用秘密信息替换载体图像像素的不重要位，在有效地嵌入大量的秘密信息同时还能保证人眼的不可感知性，但是一般的空域算法会影响载体图像的统计直方图，无法抵抗如Harman提出的直方图函数质心计算［10］、文献［11］提出的λ2分析等基于直方图的隐写分析算法。

本文研究的隐写系统是以图像为公共载体的，是目前最常用的传输介质［12］，先对Android智能平台的隐写系统方案的实现过程给出详细介绍，然后对M-LHA置换隐写算法与传统LHA隐写算法［13］相比较，并给出详尽的结果分析，最后介绍Android端隐写系统的实现过程。

2 系统设计与算法实现

本文隐写系统基于Android移动终端平台实现，包括信息隐藏模块和信息提取模块。系统模块如图1所示。

图1 信息嵌入流程

在信息隐藏模块中，首先通过采集系统提取Android手机图库中的相关图像，筛选出适合嵌入秘密信息的图像，再通过图像处理模块对图像进行灰度化处理，然后将秘密信息进行置换预处理，找到与载体图像的最佳匹配值，最后将最佳匹配值的置换预处理结果通过LHA算法嵌入到载体图像中。LHA算法是LSB隐写的改进算法，该算法采用直方图补偿的方法对LSB隐写前后引起的直方图改变进行统计修复。

M-LHA置换算法的详细嵌入过程如下：

Step 1选择秘密信息文本，转换成二进制bit流，例：011100110110011100011010。

Step 2将二进制比特流每8位分为一组，如此每组的对应位取反则有28=256种组合，例如对上面字节流分组并在第1、2位取反可得到：1011001 11010011111011010。

Step 3将256种置换后的二进制比特流分别顺序嵌入到载体图像中，计算嵌入前后图像的直方图改变量。

Step 4比较256个直方图改变量，取出最小改变值，并记录该值对应的置换指数，例如上述的1和2。将以最小改变量嵌入的图像做为载密图像。

在信息提取模块中，Android手机首先接收到载密图像，根据密钥进行算法提取和信息反置换，密钥是最佳匹配值对应的嵌入量和置换指数，最后将二进制字节流转化为秘密信息文本，系统模块如图2所示。

图2 信息提取流程

提取方法是不需要原始载体的盲提取算法，详细提取过程如下：

Step1 选择载密图片，根据嵌入信息的大小取出载密图像像素的最后一位，组成二进制比特流，例如上述的101100111010011111011010。

Step 2根据置换指数取反各组的对应位，例如上述的置换指数1和2，那么取反后将会得到：011100110110011100011010。

Step 3将二进制比特流转换成文本即为秘密信息文本。

3 结果分析与设计

本实验随机选择3 000幅自然图像作为载体，并转换为512×512的灰度图像，嵌入信息是随机产生的英文文本，分别采用LHA和M-LHA算法对载体图像进行100%满嵌入隐写，根据隐写结果比较直方图绝对差hmod、相对熵D（P‖Q）等密写分析参数，详细说明如下：

直方图绝对差hmod表示图像嵌入前后直方图的改变量，hmod的值越小，表示直方图的改变越小，不可感知性越好。

其中，hc（n），hs（n）分别是载体图像、载密图像在灰度值为n的直方图。

相对熵是用来衡量2幅图像之间差异的标准，相对熵值越小，说明载密图像与原始图像的差异性越小。

其中，p（n），q（n）分别是原始图像和载密图像在灰度值为n时的概率分布。

选取4幅图像作为载体，如图3所示，分别采用LHA和M-LHA算法隐写，结果如表1所示，对比数据可以看出，M-LHA隐写的直方图绝对差和相对熵均远小于传统的LHA隐写，说明M-LHA算法对载体图像直方图的改变较小，隐写图像的差异性更小，有效地提高了隐写系统的不可感知性。

图3 实验图像

表1 LHA与M-LHA的隐写分析

同时相对熵的降低会直接影响原始图像的直方图分布，图4分别显示了传统的LHA和M-LHA隐写对原始图像的直方图影响，可以看出M-LHA隐写对原始图像的像素分布影响更小，并且有着更加稳定平滑的直方图包络，LHA隐写对像素影响的峰值接近400，而M-LHA隐写的峰值只有100，说明M-LHA隐写不会造成图像的某些像素集中，故M-LHA隐写更加接近于原始的直方图分布，能抵抗一些基于直方图的隐写分析。

图4 隐写对图像1的直方图影响

隐写系统是在Android智能移动终端平台上实现的，图5对手机图库中的图像进行选择，再对符合嵌入条件的图像进行灰度化处理，选定好载体图像进入图6界面。

图5 载体图像选择

图6选择秘密信息文本分别进行LHA隐写和M-LHA隐写，并对不同隐写方法进行效果评估。图7对接收到的载密图像分别进行解密算法提取，恢复出秘密信息文本。

图6 秘密信息嵌入

图7 秘密信息提取

4 结束语

直方图的影响直接关系到一个隐写算法的优良,同时直方图的差异统计也是隐写分析的依据之一。本文研究的结果表明,基于LHA的置换算法能大幅减少对原始直方图的改变,还拥有更好的直方图绝对差和相对熵,可以抵抗一些基于直方图统计的隐写分析算法,故能有效提高隐写系统的不可感知性能。另外,移动终端隐写系统的实现有着比PC端更高便携性和传输多样性等优势,但该系统还有待完善,后续还将在隐写算法的复杂性上继续研究,以弥补算法在智能终端上计算能力的不足。

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编辑 顾逸斐

A Best M atching Steganography System Based on M obile Term inal

DING Shilei，ZHENG Ziw ei，YANG Ren’er
（Institute of Communication Technology，Ningbo University，Ningbo 315211，China）

Regarding the security problem of information transm ission inmobile terminal，this paper proposes a bestmatching steganography scheme，Matching steganography scheme Least Histogram Abnormality（M-LHA）based on Least Histogram Abnormality（LHA），and amodel of information hiding system based on Android platform．M-LHA steganography preprocesses the secret information by replacementalgorithm，and selects the swap that bestmatches the carrier image for steganography．It is proven that M-LHA algorithm has better relative entropy and more stable histogram distribution in comparison with the traditional LHA steganography algorithm，which can bring the effective improvement in the imperceptibility of steganography system．The information hiding system also meets the safety requirements formobile term inal users．

information hiding；mobile term inal；Least Histogram Abnormality（LHA）；replacement algorithm；relative entropy

丁石磊，郑紫微，杨任尔．一种基于移动终端的最佳匹配隐写系统［J］．计算机工程，2015，41（3）：303-305，311．

英文引用格式：Ding Shilei，Zheng Ziw ei，Yang Rener．A Best M atching Steganography System Based on M obile Term inal［J］．Computer Engineering，2015，41（3）：303-305，311．

1000-3428（2015）03-0303-03

A

TP391.41

10．3969/j．issn．1000-3428．2015．03．057

国家科技重大专项基金资助项目（2011ZX 03002-004-02）；浙江省杰出青年科学基金资助项目（R1110416）；教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助项目（20113305110002）；宁波市科技创新团队基金资助项目（2011B81002）。

丁石磊（1992-），男，硕士研究生，主研方向：信息安全；郑紫微，教授；杨任尔，副教授。

2014-03-31

：2014-04-27E-m ail：15258230407@163．com