信息隱藏LSB算法實驗報告

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上本科生課程考試答題本 考生姓名考生學號專業(yè)班級 指導老師考試科目考試日期年月日 目錄一、 實驗任務和要求1.1實驗任務 信息載體：每個人自己的一張外景照片； 水印信息：每個人將學號、姓名按上下兩列寫在白紙上，然后手機拍攝，轉化為黑白圖片，作為水印信息； 信息隱藏方法：LSB算法（空域或頻域）。1.2實驗要求 實驗可采用matlab6.5以上版本（C+、Java等），程序分為嵌入與檢測兩部分，最好有友好的操作方式；程序代碼需要注釋，編碼簡潔可靠明了，易檢查。 實驗測試要求有： 需對信息處理進行魯棒性測試； 對水印嵌入的有效性進行測試； 計算嵌入前后的PSNR值； 對水印

2、容量進行分析。二、實驗算法LSB原理LSB是L.F.Turner和R.G.van Schyndel等人提出的一種典型的空間域信息隱藏算法。LSB 最低有效位法(Least Significant Bit；LSB)是運用人類視覺系統(tǒng)無法覺察細微變化之掩蔽效果，將秘密信息隱藏在圖像像素的最低位，具有計算速度快且容易 秘密信息隱藏在圖像像素的最低位，具有計算速度快且容易實現有點。通常最低位是表示圖像細節(jié)信息，一般人眼不容易覺察，也因此容易成為一般信號處理和壓縮時被拋棄的部分。本次主要是針對24位的BMP圖片做處理，算法通過把信息嵌入到24位真彩色BMP圖象中，從而達到隱藏的效果。通常BMP圖像可以用

3、一個M*N的矩陣表示，矩陣的數值表示一個像素的色彩信息，一般用8位二進制數表示。每個像素對應的數值的每位bit其意義和作用不盡相同，我們可以把每個數據的每一位bit構成一個平面數據，稱為位平面，其中由每一個像素最低比特位組成的稱為第0個位平面，為最不重要為平面，相應的比特位稱為最低有效位（LSB）。LSB算法原理就是通過修改最不重要的LSB后，圖像的改變根本無法用肉眼識別，以此來實現以圖像為載體的信息隱藏。三、實驗環(huán)境和采用的工具 此次試驗環(huán)境及工具見下表3.1所示。表3.1 實驗環(huán)境及工具項目內容實驗環(huán)境Windows 7（64位）開發(fā)工具Microsoft Visual Studio 20

4、12（C#）圖像處理Matlab 2010 Ra輔助工具Photoshop/畫圖四、具體實現步驟實驗主要包括三個方面，LSB算法水印嵌入、LSB算法水印提取以及針對LSB算法性能的測試。4.1 LSB算法水印嵌入LSB算法水印嵌入主要步驟是加載載體和水印圖片、將圖片文件流轉換成二進制數組（設計兩個轉換函數：長整型轉換成24位和1字節(jié)轉換成8位，詳見后面源碼分析）、獲得水印長度判定是否大于載體長度大約1/8（程序中有詳細的圖4.1 LSB水印嵌入流程圖計算公式）、大于則重新選擇水??；符合則進行水印長度嵌入（設計長度值嵌在載體BMP第55-77位字節(jié)（24位）的LSB處）、循環(huán)獲得水印內容并嵌入（

5、內容從載體BMP的78位字節(jié)處開始，載體每8位嵌入1位字節(jié)水?。?、最后保存隱寫體、備份載體。該嵌入步驟說明下：（1）長度嵌入在載體第55-77字節(jié)，這是因為24位BMP圖前54位存儲的是圖片本身信息（如果嵌入可能會破壞載體圖片導致嵌入后的隱寫體無法正確讀?。?；選擇24位字節(jié)是因為可以嵌入24位的二進制長度，即能夠嵌入2的24方水印信息（此范圍合適，當然最終能否嵌這么多還要看載體信息長度）。（2）備份載體，這是為后面進行嵌入效果的對比和PSNR值做準備。4.2 LSB算法水印提取LSB算法水印提取與嵌入基本相同，主要步驟是加載隱寫體、選擇提取水印的保存名字及位置、將圖片文件流轉換成二進制數組（同

6、嵌入）、提取隱寫體第55-77位的水印信息長度、判定長度是否大于隱寫體長度的大約1/8（程序中有詳細的計算）、大于，則提示可能不包含水?。ㄅ卸ǚ绞阶龅谋容^簡單）；小于，則開始從隱寫體的78位逆置換提取水印、保存水印、選擇原始水印進行比較。圖4.2 LSB水印提取流程圖說明：1.因為長度不滿足，系統(tǒng)就不做提取（設計比較簡單）； 2.水印對比中，如有嵌入過程，則不需選擇；直接提取需要選擇原始水印。4.3 LSB算法實驗測試測試這一模塊主要有：魯棒性測試、可行性分析、計算PSNR值以及水印容量分析等內容。這一部分的實驗步驟主要按照它們的分析進行，具體見下。1魯棒性檢測主要是對嵌入水印后的隱寫體進行各

7、種變換（比如旋轉、裁剪、放大縮小等），轉換后再進行隱寫體的水印提取。其中變換可以借用Photoshop或者畫圖來簡單實現。2LSB水印嵌入的可行性分析主要是針對嵌入是否合理、提取是否成功等進行分析。作為最簡單常用的水印嵌入算法LSB，它的可行性分析具體見后面。3計算PSNR值，這個依據PSNR值計算公式，使用C#語言界面化實現。具體步驟就是加載隱寫體和原始載體，計算PSNR值并顯示。4水印容量分析，這個在設計實現LSB算法時已經做了初步定論，分析的實現可以簡單計算出來或者利用matlab實現。五、源碼分析5.1 LSB算法水印嵌入根據前面的原理和分析，我主要是利用visual studio 2

8、012結合C#語言進行LSB算法的實現。LSB水印嵌入主要是建立LSBEncrypt類來實現，其中有如下五個函數，具體功能見下表5.1所示。表5.1 LSB水印嵌入所用函數及功能函數名功能byte ConvertToBinaryArray(long x)將長整型數轉換為24位二進制字節(jié)數組ConvertToBinaryArray(bytearray)將1個字節(jié)轉換為8位二進制字節(jié)數組void HideInfoLength()在載體55-77字節(jié)LSB替換為水印的長度void HideInfoContent()將水印信息以每1個字節(jié)寫入載體圖像從第78字節(jié)開始的每8字節(jié)塊的LSB中void Ex

9、ecuteEncrypt()執(zhí)行LSB水印信息嵌入操作 根據上表5.1中的函數及功能，主要的源碼分析見下面：namespace LSB_Algorithm class LSBEncrypt /原始載體圖片路徑 private string _originalPicPath = null; /水印信息路徑 private string _hidingInfoPath = null; /原始載體圖片的文件流 private FileStream _picStream = null; /水印信息的文件流 private FileStream _infoStream = null; / <sum

10、mary> / LSBEncrypt類的構造函數 / </summary> / <param name="path1">原始圖片路徑</param> / <param name="path2">隱藏信息的路徑</param> public LSBEncrypt(string path1, string path2) _originalPicPath = path1; _hidingInfoPath = path2; / <summary> / 將長整型數轉換為24位二進制表示的

11、字節(jié)數組 / </summary> / <param name="x">長整型數，數的不會超過2的24次方</param> / <returns>二進制表示的字節(jié)數組</returns> private byte ConvertToBinaryArray(long x) byte binaryArray = new byte24; for (int i = 0; i != 24; i+) binaryArray23- i = (byte)(x & 1); x = x >> 1; return b

12、inaryArray; / <summary> / 將1個字節(jié)的數組轉換為8位二進制表示的字節(jié)數組 / </summary> / <param name="array">長度為1的字節(jié)數組</param> / <returns>二進制表示的字節(jié)數組</returns> private byte ConvertToBinaryArray(byte array) byte binaryArray = new byte8; int a = array0; for (int i = 0; i != 8; i+)

13、 binaryArray7 - i = (byte)(a & 1); a = a >> 1; return binaryArray; / <summary> / 將圖像的第55至第77字節(jié)的LSB替換為水印信息文件的長度 / </summary> private void HideInfoLength() byte picBlock = new byte24; /讀取原始載體圖像的第55至第77字節(jié)的內容塊 _picStream.Position = 54; _picStream.Read(picBlock, 0, picBlock.Length);

14、 byte lenArray = ConvertToBinaryArray(_infoStream.Length); /置入水印文件的長度信息 int index = 0; for (int i = 0; i < 24; i+) picBlocki = (byte)(lenArrayindex+ = 0) ? (picBlocki & 254) : (picBlocki | 1); /將原始載體文件流重定位到第55字節(jié)處/并將已嵌入長度信息的24字節(jié)塊寫回 _picStream.Position = 54; _picStream.Write(picBlock, 0, picBlo

15、ck.Length); _picStream.Flush(); / <summary> / 將水印信息以每1字節(jié)寫入載體第78字節(jié)開始每8字節(jié)塊LSB中 / </summary> private void HideInfoContent() int readCnt = 0; /計算循環(huán)處理的次數 long infoLen = _infoStream.Length; _picStream.Position = 78; for (int i = 0; i < infoLen; i+) /每次循環(huán)讀取BMP圖像的下一個8字節(jié)的內容 byte picBlock = new

16、 byte8; readCnt = _picStream.Read(picBlock, 0, picBlock.Length); /讀取水印信息的下一個1字節(jié)內容 byte readBuffer = new byte1; _infoStream.Read(readBuffer, 0, readBuffer.Length); byte infoBlock = ConvertToBinaryArray(readBuffer); /置位操作 int index = 0; for (int ii = 0; ii < 8; ii+) picBlockii = (byte)(infoBlockind

17、ex+ = 0) ? (picBlockii & 254) : (picBlockii | 1); _picStream.Position -= readCnt; _picStream.Write(picBlock, 0, picBlock.Length); _picStream.Flush(); / <summary> / 執(zhí)行LSB水印嵌入操作 / </summary> public void ExecuteEncrypt() _picStream = new FileStream(_originalPicPath, FileMode.Open, FileA

18、ccess.ReadWrite);/讀取載體圖片信息流 _infoStream = new FileStream(_hidingInfoPath, FileMode.Open, FileAccess.Read); /讀取水印信息流 HideInfoLength(); /嵌入水印信息長度 HideInfoContent(); /嵌入水印信息內容 _picStream.Close(); _infoStream.Close(); LSB水印嵌入源碼說明： 1。整體源碼執(zhí)行流程和前面的LSB嵌入流程圖一致，各功能有具體的函數實現，算法思想簡單傳統(tǒng)，沒有做很大的改進，整體代碼設計簡單易懂。5.2 LSB

19、算法水提取根據前面的原理和分析，我主要是利用visual studio 2012結合C#語言進行LSB算法的實現。LSB水印嵌入主要是建立LSBDecrypt類來實現，其中有如下4個函數，具體功能見下表5.2所示。表5.2 LSB水印嵌入所用函數及功能函數名功能int GetInfoLength()調用長度提取函數來獲取水印信息長度ExtractHidingLengthBits(byte arr)從24字節(jié)中提取出3字節(jié)水印長度信息ExtractHidingBits(byte arr)從8字節(jié)塊中提取出的1字節(jié)水印信息ExecuteDecrypt()執(zhí)行LSB水印提取功能 根據上表5.2中的函

20、數及功能，主要的源碼分析見下面：namespace LSB_Algorithm class LSBDecrypt /隱寫體圖片的路徑 private string _camouflagePicPath = null; /還原出的水印信息的保存路徑 private string _infoSavePath = null; /隱寫體圖片的文件流 private FileStream _camouflageStream = null; /還原出的水印信息的文件流 private FileStream _infoSaveStream = null; / <summary> / LSBDec

21、rypt的構造函數 / </summary> / <param name="path1">隱寫體圖片的路徑</param> / <param name="path2">還原出的水印信息的保存路徑</param> public LSBDecrypt(string path1, string path2) _camouflagePicPath = path1; _infoSavePath = path2; / <summary> / 從隱寫體的第55至第77字節(jié)中提取出水印信息的長度 /

22、 </summary> / <returns>隱藏信息長度</returns> private int GetInfoLength() _camouflageStream = new FileStream(_camouflagePicPath, FileMode.Open, FileAccess.Read); /將文件流定位到第55個字節(jié)處 _camouflageStream.Position = 54; /讀取包含水印信息長度的24個字節(jié)塊 byte lengthBlock = new byte24; _camouflageStream.Read(leng

23、thBlock, 0, lengthBlock.Length); /提取LSB byte lengthBitArray = ExtractHidingLengthBits(lengthBlock); int len = lengthBitArray0* 65536 + lengthBitArray1 * 256 + lengthBitArray2; /如果長度不正確表明該圖片可能不含有隱藏信息（檢測較簡單） if (len <=0 | len > (_camouflageStream.Length - 54) / 8 - 3) _camouflageStream.Close();

24、return -1; return len; / <param name="arr">長度為24的字節(jié)數組，含有隱藏信息</param> / <returns>從24字節(jié)塊中提取出的3字節(jié)隱藏信息</returns> private byte ExtractHidingLengthBits(byte arr) /用于存放從24個字節(jié)塊中提取出來的3個字節(jié)的隱藏信息 byte buf = new byte3; /24個bit位的處理 buf0 = (byte)(arr0 & 1) = 0 ? (buf0 & 12

25、7) : (buf0 | 128); /a7 buf0 = (byte)(arr1 & 1) = 0 ? (buf0 & 191) : (buf0 | 64); /a6 buf0 = (byte)(arr2 & 1) = 0 ? (buf0 & 223) : (buf0 | 32); /a5 buf0 = (byte)(arr3 & 1) = 0 ? (buf0 & 239) : (buf0 | 16); /a4 buf0 = (byte)(arr4 & 1) = 0 ? (buf0 & 247) : (buf0 | 8); /a

26、3 buf0 = (byte)(arr5 & 1) = 0 ? (buf0 & 251) : (buf0 | 4); /a2 buf0 = (byte)(arr6 & 1) = 0 ? (buf0 & 253) : (buf0 | 2); /a1 buf0 = (byte)(arr7 & 1) = 0 ? (buf0 & 254) : (buf0 | 1); /a0 buf1 = (byte)(arr8 & 1) = 0 ? (buf1 & 127) : (buf1 | 128); /b7 buf1 = (byte)(arr9 &

27、amp; 1) = 0 ? (buf1 & 191) : (buf1 | 64); /b6 buf1 = (byte)(arr10 & 1) = 0 ? (buf1 & 223) : (buf1 | 32); /b5 buf1 = (byte)(arr11 & 1) = 0 ? (buf1 & 239) : (buf1 | 16); /b4 buf1 = (byte)(arr12 & 1) = 0 ? (buf1 & 247) : (buf1 | 8); /b3 buf1 = (byte)(arr13 & 1) = 0 ? (bu

28、f1 & 251) : (buf1 | 4); /b2 buf1 = (byte)(arr14 & 1) = 0 ? (buf1 & 253) : (buf1 | 2); /b1 buf1 = (byte)(arr15 & 1) = 0 ? (buf1 & 254) : (buf1 | 1); /b0 buf2 = (byte)(arr16 & 1) = 0 ? (buf2 & 127) : (buf2 | 128); /c7 buf2 = (byte)(arr17 & 1) = 0 ? (buf2 & 191) : (b

29、uf2 | 64); /c6 buf2 = (byte)(arr18 & 1) = 0 ? (buf2 & 223) : (buf2 | 32); /c5 buf2 = (byte)(arr19 & 1) = 0 ? (buf2 & 239) : (buf2 | 16); /c4 buf2 = (byte)(arr20 & 1) = 0 ? (buf2 & 247) : (buf2 | 8); /c3 buf2 = (byte)(arr21 & 1) = 0 ? (buf2 & 251) : (buf2 | 4); /c2 buf

30、2 = (byte)(arr22 & 1) = 0 ? (buf2 & 253) : (buf2 | 2); /c1 buf2 = (byte)(arr23 & 1) = 0 ? (buf2 & 254) : (buf2 | 1); /c0 return buf; / <summary> / 利用位操作提取隱寫體文件流中每8字節(jié)的LSB位 / </summary> / <param name="arr">長度為8的字節(jié)數組，含有隱藏信息</param> / <returns>從8字節(jié)

31、塊中提取出的1字節(jié)隱藏信息</returns> private byte ExtractHidingBits(byte arr) /用于存放從8個字節(jié)塊中提取出來的1個字節(jié)的隱藏信息 byte buf = new byte1; /8個bit位的處理 buf0 = (byte)(arr0 & 1) = 0 ? (buf0 & 127) : (buf0 | 128); /a7 buf0 = (byte)(arr1 & 1) = 0 ? (buf0 & 191) : (buf0 | 64); /a6 buf0 = (byte)(arr2 & 1)

32、= 0 ? (buf0 & 223) : (buf0 | 32); /a5 buf0 = (byte)(arr3 & 1) = 0 ? (buf0 & 239) : (buf0 | 16); /a4 buf0 = (byte)(arr4 & 1) = 0 ? (buf0 & 247) : (buf0 | 8); /a3 buf0 = (byte)(arr5 & 1) = 0 ? (buf0 & 251) : (buf0 | 4); /a2 buf0 = (byte)(arr6 & 1) = 0 ? (buf0 & 253)

33、 : (buf0 | 2); /a1 buf0 = (byte)(arr7 & 1) = 0 ? (buf0 & 254) : (buf0 | 1); /a0 return buf; / <summary> / 執(zhí)行信息提取操作 / </summary> / <returns>執(zhí)行成功返回true，失敗返回false</returns> public bool ExecuteDecrypt() int infoLen = GetInfoLength(); if (infoLen = -1) return false; /判定長度是

34、否合格，不合格退出 _infoSaveStream = new FileStream(_infoSavePath, FileMode.Create, FileAccess.Write); /置文件流位置 _camouflageStream.Position = 78; _infoSaveStream.Position = 0; /按8字節(jié)一組每次提取1個字節(jié)的隱藏信息并寫入文件 for (int i = 0; i < infoLen; i+) byte contentBlock = new byte8; _camouflageStream.Read(contentBlock, 0, co

35、ntentBlock.Length); byte contentBitArray = ExtractHidingBits(contentBlock); _infoSaveStream.Write(contetBitArray, 0, contentBitArray.Leth); _infoSaveStream.Flush(); _camouflageStream.Close(); _infoSaveStream.Close(); return true; LSB水印提取源碼說明： 1。整體源碼執(zhí)行流程和前面的LSB提取流程圖一致，主要是嵌入過程的逆操作。其中有兩個提取函數：一個是從24位字節(jié)中

36、提取3字節(jié)的長度信息；一個是從8字節(jié)中提取1字節(jié)的水印內容，其實這兩個函數可以合在一起，但是為了更好地理解程序，故沒有整合在一起。5.3 計算PSNR值 計算PSNR值，主要是根據其原理和計算公式見下面，利用C#做出程序實現。圖5.3 PSNR值計算公式具體的實驗程序代碼分析見下面：public double countPSNR(string formerFpath, string laterFpath) Bitmap formerImage = new Bitmap(formerFpath); Bitmap laterImage = new Bitmap(laterFpath); double sumR = 0; double sumG = 0; double sumB = 0; for (int i = 0; i < formerImage.Width - 1; i+) for (int j = 0; j < formerImage.Height - 1; j+) Color color1 = formerImage.GetPixel(i, j); Color color2 = laterImage.GetPixel(i,