信息隱蔽 試驗十一 LSB信息隱蔽的RS分析

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一，

試驗?zāi)康模?/p>

了解RS隱寫分析的原理，把握一種圖像LSB隱寫算法的分析方法，設(shè)計并實現(xiàn)一種基于圖像的LSB隱寫的RS隱寫分析算法。二，

試驗環(huán)境

（1）Windows7操作系統(tǒng)；（2）MATLABR2023b版本軟件；（3）圖像文件lena.bmp；（4）S-Tools工具；三，

試驗原理

1.RS隱寫分析原理

RS主要是針對采用偽隨機LSB嵌入算法進行攻擊的一種方法。RS方法不但能檢測出圖像是否隱蔽信息，而且還能比較確鑿地估算出隱蔽的信息長度。

RS隱寫分析算法考慮圖像各個位平面之間具有一定的非線性相關(guān)性，當利用LSB隱寫算法隱蔽機要信息后，這種相關(guān)性就會破壞。只要能找出衡量這一相關(guān)性的方法，并對隱蔽機要信息前后的狀況加以對比，就有可能設(shè)計出隱寫分析方法。

RS隱寫分析方法的理論核心是：任何經(jīng)過LSB隱寫的圖像，其最低比特位分布滿足隨機性，即0、1的取值概率均為1/2，而未經(jīng)過隱寫的圖像不存在此特性。對于一個M?N像素的圖片，設(shè)各個像素的值取自集合P，例如一個8bit的灰度圖像，P?{0,1,2,?,255}。將這些像素分為有著n個相鄰像素的子集，例如n可以取值為4，記為G?(x1,x2,x3,x4)。進一步利用如下函數(shù)表示圖像塊的空間相關(guān)性，即

f(x1,x2,x3,?,xn)??xi?1?xii?1n?1（1）

函數(shù)f使得每一個集合G都對應(yīng)一個實數(shù)。G中的噪聲越大，函數(shù)f的值越大。f的值越小，說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。然后，定義集合P上的3個函數(shù)：

（1）交換函數(shù)F1：2n?2n?1,0?1,2?3,?,254?255。（2）偏移函數(shù)F?1：2n?2n?1,?1?0,1?2,?,255?256。（3）恒等變換F0：F0(x)?x,x?P。

繁雜度分辯函數(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）RegularG：G?R?f(F(G))?f(G)，也就是說對G中的元素進行變換之后增大了元素之間的區(qū)別程度，R表示正則組。

（2）SingularG：G?S?f(F(G))?f(G)，也就是說對G中的元素進行變換之后減小了元素之間的區(qū)別程度，S表示奇異組。

（3）UnusableG：G?U?f(F(G))?f(G)，也就是對G中的元素進行變

換之后元素之間的區(qū)別程度不變，G表示無用組。

引入偽裝M，它的取值范圍是-1、0、1。對應(yīng)著F?1、F0、F1三個變換函數(shù)。記對于偽裝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)?M(G)=（28,28,25,25）。

對于一個原始不包含隱蔽信息的載體來說具有下面的規(guī)律：RM?R?M?SM?S?M?S?M?RM?SM（2）

但是當在載體中嵌入了機要信息，就會有下面的式子成立：R?M（3）

也就是說對于一個待檢測的載體，只需要得到上述的統(tǒng)計量，然后通過對比這四個統(tǒng)計參數(shù)之間的大小關(guān)系就能夠判斷出載體中是否含有機要信息。

RS算法不但能夠判斷載體是否含有機要信息，RS隱寫分析算法還能夠估計出隱寫容量。上面算出的一組RM、SM、R?M、S?M是在比例為p/2（p為隱寫率）的樣點值已經(jīng)作了一次F1變換狀況下得到的。將該隱寫體的所有樣點值應(yīng)用

F1變換，相對于原始載體則有比例為（1-p/2）的樣點值作了F1變換，計算此時的RM、SM、R?M、S?M值。如下圖1所示，得到的是兩組統(tǒng)計量的數(shù)據(jù)。

圖1RS曲線與像素更改比率間的關(guān)系示意圖

具體步驟如下：

將待檢測圖像分成若干大小相等的圖像塊，尋常定義n=4，對每個小圖像塊定義一個掩膜算法函數(shù)，尋常為M（0,1,1,0），即判斷此圖像小塊屬于Regular或Singular，F(xiàn)M(G)?(F0(x1),F1(x2),F1(x3),F0(x4))，

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)?RM（4）

bufsize/4SMSM(p/2)?（5）

bufsize/4改變掩膜算法函數(shù)，令M為（0，-1，-1,0）重復(fù)上一步操作得到R?M(p/2)和S?M(p/2)。

將圖像數(shù)據(jù)的lSB位取反，用獲得的數(shù)據(jù)重復(fù)上述操作得到RM(1?p/2)，

SM(1?p/2)以及R?M(1?p/2)，S?M(1?p/2)。

結(jié)合如下方程：

2(d1?d0)x其中：

2?d?0?d?1?3d0x?d0?d?1?0（6）

d0?RM(p/2)?SM(p/2),d1?RM(1?p/2)?SM(1?p/2)d?0?R?M(p/2)?S?M(p/2),d?1?R?M(1?p/2)?S?M(1?p/2)

解方程式（6），取絕對值較小的x，計算嵌入概率p為：p?x/(x?1/2)。2.S-Tools工具簡介

S-Tools是一個時（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蔽原理和使用方法。

WAV格式的音頻文件在Windows中存儲為8位或16位值，對于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蔽信息時，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（leastsignificantbits）方法，把機要信息代替載體音頻文件的最不重要比特位。

例如，假設(shè)一個音頻文件有以下8個字節(jié)的信息，分別為1321341371411211017438二進制表示為

10000100100001101000100110001101011001010100101000100110

假使要隱蔽二進制字節(jié)11010101（213）在這個序列里。簡單地取代了音頻文件的LSB（最低有效位）進行信息隱蔽。因此上述順序?qū)⒆兏鼮?/p>

1331351361411201017439用二進制表示為

10000101100001111000100010001101011110000100101000100111

這樣，機要信息就隱蔽在載體音頻文件中，音頻文件在聽覺效果上和原始文件幾乎沒有區(qū)別。

四，試驗分析1.隱蔽信息并分析

源代碼RS.m如下：

clc,clearall

org=imread('lena.bmp');org=double(org);org=org(:)';

[rowsample_len]=size(org);rs=zeros(2,4);cor=zeros(1,3);m=floor(sample_len/4);M=randsrc(4,1,[01]);tmp=zeros(4,1);

%使用LSB，準備待檢測圖像，隱寫率為40%msg_len=floor(sample_len*0.4);msg=randsrc(msg_len,1,[01;0.50.5]);stg=org;fori=1:msg_len

stg(i)=bitset(stg(i),1,msg(i));end

%對待檢測圖像應(yīng)用非負和非正翻轉(zhuǎn)，統(tǒng)計翻轉(zhuǎn)前后的空間相關(guān)性i=1;forj=1:m

tmp=stg((j-1)*4+1:j*4);%把圖像分為四個像素一組cor(1)=SpaceCor(tmp);cor(2)=SpaceCor(fpos(tmp,M));cor(3)=SpaceCor(fneg(tmp