信息隱藏實(shí)驗(yàn)十一LSB信息隱藏地RS分析報(bào)告

1、實(shí)用文檔LSB信息隱藏的RS分析一， 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私釸S隱寫分析的原理，掌握一種圖像 LSB隱寫算法的分析方法，設(shè)計(jì)并 實(shí)現(xiàn)一種基于圖像的LSB隱寫的RS隱寫分析算法。二,實(shí)驗(yàn)環(huán)境（1）Windows 7操作系統(tǒng)；（2）MATLAB R2012版本軟件；（3）圖像文件lena.bmp ；（4）S-Tools 工具；三，實(shí)驗(yàn)原理1. RS隱寫分析原理RS主要是針對(duì)采用偽隨機(jī)LSB嵌入算法進(jìn)行攻擊的一種方法。RS方法不但 能檢測(cè)出圖像是否隱藏信息，而且還能比較準(zhǔn)確地估算出隱藏的信息長(zhǎng)度。RS隱寫分析算法考慮圖像各個(gè)位平面之間具有一定的非線性相關(guān)性，當(dāng)利 用LSB隱寫算法隱藏秘密信息后，這種相關(guān)性就

2、會(huì)破壞。只要能找出衡量這一相 關(guān)性的方法，并對(duì)隱藏秘密信息前后的情況加以對(duì)比，就有可能設(shè)計(jì)出隱寫分析方法。RS隱寫分析方法的理論核心是：任何經(jīng)過(guò) LSB隱寫的圖像，其最低比特位 分布滿足隨機(jī)性，即0、1的取值概率均為1/2，而未經(jīng)過(guò)隱寫的圖像不存在此 特性。對(duì)于一個(gè)M N像素的圖片，設(shè)各個(gè)像素的值取自集合P，例如一個(gè)8bit 的灰度圖像，P二0,1,2,11 ,255。將這些像素分為有著n個(gè)相鄰像素的子集，例 如n可以取值為4,記為G =（X1,X2,X3,%）。進(jìn)一步利用如下函數(shù)表示圖像塊的空 間相關(guān)性，即n-A仁冷公2公3,|凡）=送打-X（1）i =1函數(shù)f使得每一個(gè)集合G都對(duì)應(yīng)一個(gè)實(shí)數(shù)

3、。G中的噪聲越大，函數(shù)f的值 越大。f的值越小，說(shuō)明圖像相鄰像素之間的起伏越小， 而圖像塊的空間相關(guān)性 越強(qiáng)。然后，定義集合P上的3個(gè)函數(shù)：(1 )交換函數(shù)F1 :2ni 2n 1,0*1,21 3,11 ,254i 255。(2)偏移函數(shù)Fj :2n i 2n1, _11 0,11,255i 256。(3) 恒等變換F。:F0 (x)二 x, x ：= P o復(fù)雜度分辨函數(shù)f和三種變換函數(shù)F定義以下三種類型的元素組 R,S,U(1) Regular G :R= f(F(G) . f(G)，也就是說(shuō)對(duì)G中的元素進(jìn)行變換之后增大了元素之間的差別程度，R表示正則組。(2) Singular G :

4、 G S= f(F(G)b： f (G)，也就是說(shuō)對(duì)G中的元素進(jìn)行變換之后減小了元素之間的差別程度，S表示奇異組。(3) Un usable G :U二f(F(G)二f(G)，也就是對(duì)G中的元素進(jìn)行變換之后元素之間的差別程度不變，G表示無(wú)用組。引入偽裝M ，它的取值范圍是-1、0、1。對(duì)應(yīng)著F、F0、戸三個(gè)變換函數(shù)。記對(duì)于偽裝M的R組的數(shù)量為Rm，類似的S組記為Sm。例如G =(27,28,26,25)，M =( 1,0,1,0 )，則-M =(-1,0，-1,0 )。于是就得到 Fm (G)=(26,28,27,25)，F(xiàn)(G) =(28,28,25,25)對(duì)于一個(gè)原始不包含隱藏信息的載體來(lái)

5、說(shuō)具有下面的規(guī)律:(2)但是當(dāng)在載體中嵌入了秘密信息，就會(huì)有下面的式子成立:(3)也就是說(shuō)對(duì)于一個(gè)待檢測(cè)的載體，只需要得到上述的統(tǒng)計(jì)量，然后通過(guò)對(duì)比 這四個(gè)統(tǒng)計(jì)參數(shù)之間的大小關(guān)系就能夠判斷出載體中是否含有秘密信息。RS算法不但能夠判斷載體是否含有秘密信息，RS隱寫分析算法還能夠估計(jì)出隱寫容量。上面算出的一組 Rm、SM、R、S是在比例為p/2( p為隱寫率)的樣點(diǎn)值已經(jīng)作了一次F1變換情況下得到的。將該隱寫體的所有樣點(diǎn)值應(yīng)用Fi變換，相對(duì)于原始載體則有比例為(1- p/2 )的樣點(diǎn)值作了 Fi變換，計(jì)算此 時(shí)的Rm、Sm、Rm、Sjm值。如下圖1所示，得到的是兩組統(tǒng)計(jì)量的數(shù)據(jù)。% 705040

6、3020100p20.5l-p2像素更改比率正則組與直卄組比！十圖1 RS曲線與像素更改比率間的關(guān)系示意圖具體步驟如下:將待檢測(cè)圖像分成若干大小相等的圖像塊，通常定義n = 4,對(duì)每個(gè)小圖像塊定義一個(gè)掩膜算法函數(shù)，通常為M ( 0,1,1,0)，即Fm(G) =(F(Xi),Fi(X2),Fi(X3),F(X4)，判斷此圖像小塊屬于 Regular 或 Singular，遍歷整幅圖像，得到Rm (p/2)，Sm(p/2)。Rm (p/2)，Sm(p/2)定義為:Rm(P/2) =bufsize/ 4(4)Sm(P/2)二Smbufsize/4(5)改變掩膜算法函數(shù)，令M為(0, -1，-1,0

7、)重復(fù)上一步操作得到R(p/2)和 S(p/2)將圖像數(shù)據(jù)的ISB位取反，用獲得的數(shù)據(jù)重復(fù)上述操作得到Rm (V p/2)，SH1-P/2）以及 R（1 p/2） , S_m（1-P/2）。結(jié)合如下方程：22（d1 d0）xd工一 dj - 3d0x d0 - d_ = 0 （6）其中：do =RM（p/2）-SM（p/2）,di = Rm（1 - p/2）-Sm （仁 p/2） d二 R（p/2） -S（p/2）,d_i = R（1 - p/2）-S（1 - p/2）解方程式（6）,取絕對(duì)值較小的x ,計(jì)算嵌入概率p為：p = x/（x1/2）。2. S-Tools工具簡(jiǎn)介S-Tools是一

8、個(gè)時(shí)（空）域數(shù)字水印軟件，支持 WAV格式的音頻文件、GIF 和BMP格式的圖像文件，下面介紹基于音頻文件的隱藏原理和使用方法。WAV格式的音頻文件在 Windows中存儲(chǔ)為8位或16位值，對(duì)于8位樣本， 這意味著取值范圍介于0和255之間。16位的樣本取值范圍介于0和65535之 間。S-Tools在WAV格式的音頻文件中隱藏信息時(shí)，首先用密碼加密，然后根據(jù) 密碼決定要嵌入信息的位置，采用 LSB（ least sig ni fica nt bits）方法，把秘密信息代替載體音頻文件的最不重要比特位。例如，假設(shè)一個(gè)音頻文件有以下8個(gè)字節(jié)的信息，分別為132 134 137 141 121 1

9、01 74 38二進(jìn)制表示為10000100 10000110 10001001 10001101 01100101 0100101000100110如果要隱藏二進(jìn)制字節(jié)11010101（213）在這個(gè)序列里。簡(jiǎn)單地取代了音頻 文件的LSB （最低有效位）進(jìn)行信息隱藏。因此上述順序?qū)⒆兏鼮?33 135 136 141 120 101 74 39用二進(jìn)制表示為10000101 10000111 10001000 10001101 01111000 0100101000100111這樣，秘密信息就隱藏在載體音頻文件中，音頻文件在聽(tīng)覺(jué)效果上和原始文件幾 乎沒(méi)有區(qū)別。四，實(shí)驗(yàn)分析1.隱藏信息并分析源

10、代碼RS.m如下：clc,clear allorg = imread( le na.bmp);org = double(org);org = org(:);row sample_le n = size(org);rs = zeros(2, 4);cor = zeros(1,3);m = floor(sample_le n / 4);M = ran dsrc(4, 1, 0 1);tmp = zeros(4, 1);%使用LSB,準(zhǔn)備待檢測(cè)圖像，隱寫率為40%msg_le n = floor(sample_le n * 0.4);msg = ran dsrc(msg _len, 1, 0 1;

11、0.5 0.5);stg =org;for i = 1 : msgenstg(i) = bitset(stg(i), 1, msg(i);end%對(duì)待檢測(cè)圖像應(yīng)用非負(fù)和非正翻轉(zhuǎn)，統(tǒng)計(jì)翻轉(zhuǎn)前后的空間相關(guān)性i = 1;for j = 1 : mtmp = stg(j - 1) * 4 + 1 : j * 4);巴圖像分為四個(gè)像素一組cor(1) = SpaceCor(tmp);cor(2) = SpaceCor(fpos(tmp, M);cor(3) = SpaceCor(fneg(tmp, M);if cor(2) cor(1)%Rmrs(i, 1) = rs(i, 1) + 1;endif c

12、or(2) cor%R-mrs(i, 3) = rs(i, 3) + 1;endif cor(3) cor(1)%Rmrs(i, 1) = rs(i, 1) + 1;en d;if cor(2) cor(1)%R-mrs(i, 3) = rs(i, 3) + 1;en d;if cor(3) 0 & dpo 0%用于判斷Rn是否大于Sm R-m是否大于S-mdisp(待檢測(cè)圖像lena.bmp中沒(méi)有經(jīng)過(guò)LSB替換隱寫！);end判定待檢測(cè)圖像if dnz - dpo P%用于判定 R-m - S-m Rm - Sm 是否經(jīng)過(guò) LSBdisp(待檢測(cè)圖像lena.bmp經(jīng)過(guò)LSB替換隱寫！);替

13、換隱與end% get roots of polyno mialC = 2 * (dpo + dpz), (dnz - dno - dpo - 3 * dpz), (dpz - dn z);z = roots(C);p = z ./ (z - 0.5);fprin tf(1, Fridrih Algorithm:expective embeddi ng rate is %fn, p(2);運(yùn)行上述代碼，得到隱寫率p為0.476476。由于模板 M是隨機(jī)產(chǎn)生的，對(duì)此可以采取多次執(zhí)行代碼，依據(jù)所得結(jié)果計(jì)算平均隱寫率。具體結(jié)果如下表1所示。圖7 代碼執(zhí)行結(jié)果表1多次執(zhí)行代碼后的隱寫率估算值與誤差分析

14、執(zhí)行初始設(shè)定隱寫率p相對(duì)誤差平均誤差平均隱寫率次數(shù)隱寫率p值估算值（%（%P10.40.47647619.1220.40.49598324.0030.40.44368510.9219.800.47920740.40.50226325.5750.40.47297518.2460.40.48385720.96依據(jù)表1所示結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過(guò)多次執(zhí)行代碼后，運(yùn)用 RS分析方法對(duì) 載體隱寫率進(jìn)行估算的平均誤差約為 19.80%,即估算正確率為80.20%,近似達(dá) 到了估算準(zhǔn)確度要求。這也就表明 RS方法在分析低隱寫率的載體圖像時(shí)，其檢測(cè)誤差較大，所得結(jié)果的可靠性較低。為進(jìn)一步研究RS分析方法能否比較正

15、確地判斷載體是否進(jìn)行 LSB替換隱寫， 在實(shí)驗(yàn)中繼續(xù)修改原設(shè)定的隱寫率 （分別設(shè)定隱寫率為3% 5% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%，分析不同設(shè)定隱寫率下利用 RS方法所 估算的載體嵌入率誤差，所得結(jié)果如下表 2、圖8所示。表2不同設(shè)定隱寫率下利用RS方法得到的隱寫率估算值與誤差分析初始設(shè)定隱寫率p值隱寫率p估算值相 對(duì)誤差（%平均誤差（%）0.030.04078635.959.190.050.06740534.810.100.1078027.800.200.2171888.590.300.35971519.910.400.47647619.1

16、20.500.5215294.310.600.599674-0.050.700.7155602.220.800.702172-12.230.900.811252-9.861.000.996865-0.312.利用S-Tools工具在原始載體中隱藏秘密信息隱藏的秘密信息文件為hidde n.txt，載體圖像為L(zhǎng)e na.bmp。（1 ）把載體圖像拖入 S-Tools界面，并隱藏秘密信息（圖9所示）。 S-Tools - Actions圖9 利用S-Tools工具隱藏秘密信息10示）和攜密圖像（圖 11示），將攜密圖像另存為（2）隱藏后，出現(xiàn)原始圖片（圖Lenahidden.bmp。圖10 原始圖

17、片圖11攜密圖片由上圖10與圖11,可以發(fā)現(xiàn)：利用 攜密圖片在視覺(jué)上和原始圖片幾乎無(wú)差別。S-Tools工具在載體圖像文件中加載隱秘信息后,Len aHidde n. txt，利用通過(guò)查看攜密圖片文件信息，將隱秘信息提出出來(lái)，保存為UltraCompare 工具比較隱秘信息文件hidden.txt和提取的含有隱秘信息的文件LenaHidden.txt ，所得結(jié)果如下圖12所示。圖12 原始隱秘信息文件與提取的含有隱秘信息文件的比較3. 利用上述算法估計(jì)隱寫率源代碼RS1.m如下：clc,clear all ;org=imread( lenahidden.bmp);org=double(org)

18、;org=org(:);row sample_le n=size(org);stg =org;rs = zeros(2, 4);cor = zeros(1,3);m = floor(sample_le n / 4);M = ran dsrc(4, 1, 0 1);tmp = zeros(4, 1);%對(duì)待檢測(cè)圖像應(yīng)用非負(fù)和非正翻轉(zhuǎn)，統(tǒng)計(jì)翻轉(zhuǎn)前后的空間相關(guān)性i = 1;for j = 1 : mtmp = stg(j - 1) * 4 + 1 : j * 4);%把圖像分為四個(gè)像素一組cor(1) = SpaceCor(tmp);cor(2) = SpaceCor(fpos(tmp, M);co

19、r(3) = SpaceCor(fneg(tmp, M);if cor(2) cor(1)%Rmrs(i, 1) = rs(i, 1) + 1;en d;if cor(2) cor(1)%R-mrs(i, 3) = rs(i, 3) + 1;en d;if cor(3) cor(1)%Rmrs(i, 1) = rs(i, 1) + 1;en d;if cor(2) cor(1)%R-mrs(i, 3) = rs(i, 3) + 1;en d;if cor(3) 0 & dpo 0%用于判斷Rn是否大于Sm R-m是否大于S-mdisp(待檢測(cè)圖像lenahidden.bmp中沒(méi)有經(jīng)過(guò)LSB替換隱寫！);end判斷待檢測(cè)圖像if dnz - dpo P%用于判定R-m - S-m Rm - Sm是否經(jīng)過(guò) LSB替換隱disp(待檢測(cè)圖像l