信息隱藏實驗十一LSB信息隱藏的RS分析

1、lsb信息隱藏的rs分析一，實驗目的：了解rs隱寫分析的原理，掌握一種圖像lsb隱寫算法的分析方法，設計并實現(xiàn)一種基于圖像的lsb隱寫的rs隱寫分析算法。二，實驗環(huán)境(1) windows 7操作系統(tǒng)；(2) matlab r2012b 版本軟件;(3) 圖像文件lena. bmp;s-tools工具；三，實驗原理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藏信息，而且還能比較準確地估算出隱藏的信息長度。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性，當利 用lsb隱寫算法隱藏秘密信息后，這種相關性就會破壞。只要

2、能找出衡量這一相 關性的方法，并對隱藏秘密信息前后的情況加以對比，就有可能設計出隱寫分析 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，蘇最低比特位 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a/xtv像素的圖片，設各個像素的值取自集合p，例如一個8bit 的灰度圖像，p = 0，l，2,，255。將這些像素分為有著h個相鄰像素的子集，例如n可以取值為4,記為進一步利用如下函數(shù)表示圖像塊的空間相關性，即_x/l (1)z = 1函數(shù)/使得每一個集合g都對應一個實數(shù)。g中的噪聲越大，函數(shù)/的值越大。/的值越小，說明圖像相鄰像素之間的起

3、伏越小，而圖像塊的空間相關性 越強。然后，定義集合p上的3個函數(shù)：(1) 交換函數(shù)2ng2n + l，0gl，2g3<.，254g255。(2) 偏移函數(shù)2/z > 2" 1，10,12,，255 > 256。(3) 恒等變換 fq: f0(x) = x,xg p o復雜度分辨函數(shù)/和三種變換函數(shù)f定義以下三種類型的元素組/?，s，(/。(1) regular g： ge/? »/(f(g) >/(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差別程度，表示正則組。(2) singular g： gg5«/(f(g)</(g)

4、,也就是說對g中的元素進行變換之后減小了元素之間的差別程度，s表示奇異組。(3) unusable g : gg «/(f(g) =/(g),也就是對g 中的元素進行 變換之后元素之間的差別程度不變，g表示無用組。引入偽裝m,它的取值范圍是-1、0、1。對應著f,、巧、f三個變換函數(shù)。記對于偽裝m的/?組的數(shù)量為久，類似的s組記為sjw。例如g = (27, 28, 26, 25), m= (1,0, 1,0),貝ij-a/= (-1，0, -1,0)。于是就得到/(g) = (26, 28,27, 25), f_m (g) = (28,28,25,25)。對于一個原始不包含隱藏信息

5、的載體來說具有下面的規(guī)律：之 r，sm但是當在載體屮嵌入了秘密信息，就會有下面的式子成立：(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)之間的人小關系就能夠判斷出載體屮是否含有秘密信息。rs算法不但能夠判斷載體是否含奮秘密信息，rs隱寫分析算法還能夠估計 出隱寫容量。上面算出的一組/?w、sa/、r_m、是在比例為/?/2 (/?為隱寫 率)的樣點值己經(jīng)作了一次f變換情況下得到的。將該隱寫體的所有樣點值應用/v變換，和對于原始載體則有比例為(l-p/2)的樣點值作了 f變換，計算此 吋的心、sjw、r_m、值。如下圖1所示，得到的是兩組統(tǒng)計量的數(shù)據(jù)。%

6、 706050403020100p"20.5l-p/2像素更改比率正則組與組比志卞圖1 rs曲線與像素更改比率間的關系示意圖 具體步驟如下：將待檢測閣像分成若干大小相等的閣像塊，通常定義n =4,對每個小閣像 塊定義一個掩膜算法函數(shù)，通常為m ( 0, 1，1，0 ),即 fm(g) = (fo(xt), f(x2), f(x3),fq(x4)，判斷此圖像小塊屬于 regular 或 singular,(4)(5)遍歷整幅圖像，得到心(/?/2), sjv/(/7/2)o rm(p/2)9 s,w(p/2)定義為:bufsize / 4bufsize / 4改變掩膜算法函數(shù)，令m為(

7、0, -1，-1,0)重復上一步操作得到7?(/9/2)和 s_m(p/2)o將圖像數(shù)據(jù)的1sb位取反，用獲得的數(shù)據(jù)重復上述操作得到/?w(l-p/2),sm(i p/2)以及 r_m(i p/2)，s_m(l-p/2)o 結(jié)合如下方程：2(6?j + d)x + d_q d 3dx + d d | 0 (6)其中：d0 = rm(p/2)-sm(p/2),di=rm(l-p/2)-sm(i-p/2) d_, = rm(p/2)-s.m(p/2d_=rm(l-p/2)-s_m(l-p/2)解方程式(6)，取絕對值較小的x,計算嵌入概率/7為：p = x/(x-l/2)。2. s-tools工具

8、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藏原理和使用方法。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藏信息吋，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 significant 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，假設一個音頻文件有以下8個字節(jié)的信息，分別為132/p>

9、11017438二進制表示為10000100 10000110 10001001 10001101 01100101 0100101000100110如果要隱藏二進制字節(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)進行信息隱藏。因此上述順序?qū)⒆兏鼮?33 1351361411201017439用二進制表示為10000101 10000111 10001000 10001101 01111000 0100101000100111這樣，秘密信息就隱藏在載體咅頻文件屮，音頻文件在聽覺效果上和原始文件幾 乎沒有區(qū)別。四，實驗分析1.隱藏信息并分析 源代碼rs

10、. m如下: clc，clear allorg = imreadclena.bmp)； org = double(org); org = org(:)'row samplejen = size(org); rs = zeros(2, 4); cor = zeros( 1,3); m = floor(sample_len / 4);m = randsrc(4, 1，0 1); 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一len，1，0 1; 0.

11、5 0.5); stg =org;for i = 1 : msgjenstg(i) = bitset(stg(i), 1, msg(i);end%對待檢測圖像應用非負和非正翻轉(zhuǎn)，統(tǒng)計翻轉(zhuǎn)前后的空間相關性i= 1；forj = 1 : mtmp = stg(j - 1)*4 + 1 :j *4); %把圖像分為四個像素一組cor(l) = spacecor(tmp);cor(2) = spacecor(fpos(tmp, m);cor(3) = spacecor(fneg(tmp, m);if cor(2) > cor(l)%rmrs(i, 1) = rs(i, 1)+1;endif co

12、r(2) < cor(l)%smendif cor(3) > cor(l)%r-mrs(i, 3) = rs(i, 3)+1; endif cor(3) < cor(l)%s-mrs(i, 4) = rs(i, 4)+1;endend%對待檢測閹像所有像素應用正翻轉(zhuǎn)stg = fpos(stg, ones(sample_len，1);%對待檢測閹像應用非負和非正翻轉(zhuǎn)，統(tǒng)計翻轉(zhuǎn)前后的空間相關性i = 2;for j = 1 : mtmp = stg(j - 1) * 4 + 1 : j * 4); cor(l) = spacecor(tmp); cor(2) = spaceco

13、r(fpos(tmp, m); cor(3) = spacecor(fneg(tmp, m); if cor(2) > cor(l)%rmrs(i, 1) = rs(i, 1)+1;end;if cor(2) < cor(l)%smrs(i, 2) = rs(i, 2)+1;end;if corcor(l)%r-mrs(i, 3) = rs(i, 3)+1;end;if cor(3) < cor(l)%s-mend;end;rs = rs / m;% j. fridrih方法計算隱寫率，并判斷待檢測閣像lena.bmp是否經(jīng)過lsb替換隱寫 % do = rm(p/2)-sm

14、(p/2), d 1 =rm( 1 -p/2)-sm( 1 -p/2) dpz = rs( 1, 1) - rs( 1，2); dpo = rs(2, 1) - rs(2, 2);% d-0 = r-m(p/2)-s-m(p/2), d-1 =r-m( 1 -p/2)-s-m( 1 -p/2) dnz = rs(l, 3) - rs(l, 4); dno = rs(2, 3) - rs(2, 4);%判定待檢測圖像lena.bmp是否經(jīng)過lsb替換隱寫p = 2.5* le-2;%設定門限值，對于rs分析一般為2%-3%if dnz0 && dpo0 %用十判斷rm足否大sm,

15、 r-m足否大s-mdisp(待檢測圖像lena.bmp屮沒有經(jīng)過lsb替換隱寫！ iend判定待檢測圖像if dnz - dpo > p %用于判定 r-m - s-mrm - sm 是否經(jīng)過 lsbdispc待檢測圖像lena.bmp經(jīng)過lsb替換隱寫！ i); 替換隱寫 end% get roots of polynomialc = 2 * (dpo + dpz), (dnz - dno - dpo - 3 * dpz), (dpz - dnz); z = roots(c); p = z / (z - 0.5);fprintf(l, fridrih algorithm:expect

16、ive embedding rate is %fn p(2);運行上述代碼，得到隱寫率p為0.476476。由于模板a/是隨機產(chǎn)生的，對此可以采取多次執(zhí)行代碼，依據(jù)所得結(jié)果計算平均隱寫率。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執(zhí)行初始設定隱寫率p相對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)

17、表1所示結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過多次執(zhí)行代碼后，運用rs分析方法對 載體隱寫率進行估算的平均誤差約為19.80%,即估算正確率為80. 20%,近似達 到了估算準確度要求。這也就表明rs方法在分析低隱寫率的載體圖像時，其檢 測誤差較大，所得結(jié)果的可靠性較低。為進一步研究ks分析方法能否比較正確地判斷載體是否進行l(wèi)sb替換隱寫, 在實驗屮繼續(xù)修改原設定的隱寫率（分別設定隱寫率為3%、5%、10%、20%、30%、 40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%）,分析不同設定隱寫率下利用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m設定隱寫率下利用rs方法得到的隱寫

18、率估算值與誤差分析初始設定隱寫率p 值隱寫率p估算值相對誤差（）平均誤差（）0.030.04078635.950.050.06740534.810.100.1078027.800.200.2171888.590.300.35971519.910.400.47647619.129.190.500.5215294.310.600.599674-0.050.700.7155602.220.800.702172-12.230.900.811252-9.861.000.996865-0.312.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力hidden.txt，載體圖像力lena.b

19、mp。（1）把載體圖像拖入s-tools界面，并隱藏秘密信息（圖9所示）。圖9利用s-tools工具隱藏秘密信息（2）隱藏后，出現(xiàn)原始圖八（圖10示）和攜密圖像（圖11示），將攜密圖像另存為lenahidden.bmpo圖10原始圖片圖11攜密圖片由上圖10與圖11,可以發(fā)現(xiàn)：利川s-tools工具在載體圖像文件中加載隱秘信息后，攜密圖片在視覺上和原始圖片幾乎無差別。通過查看攜密圖片文件信息，將隱秘信息提出出來，保存為lenahidden.txt,利用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

20、。文本比絞 ultracompare lite文菊輯(e)視圖(v)連項(o)合井(r)高級合井報助(h)銩助(h)h 3 y j * | *hidden.txt 仗第.1234567 00 9-l n，a奧巴馬牲選感3，寫得真是不銪，難圣美巨2008-11-05 13:48 i (分類：馱認分類)|jif there is anyone out there who stilizrs the answer told by lines that stitz s the answer spoken by young and oit7 s the answer that led chose who

21、ha'奧巴馬牲選感3.寫得真是不箝，難逢美 2008-11-05 13:48 i 分類：馱認分類 if there is anyone out there who stils the answer told by lines that stitj s the answer spoken by young and oitf s the answer that led those who ha*output window第一個文件名稱:' 第二個文件名稱: 報告類型：完成可滾動圖對l-2-0塊差異0:0行差異 9全部圖12原始隱秘信息文件與提取的含冇隱秘信息文件的比較3. 利用上述

22、算法估計隱寫率源代碼rsl.m如下： clc,clear all;org=imread(lenahidden.bmp,);org=double(org);org=org(:)r;row sample_lenl=size(org);stg =org;rs = zeros(2, 4);cor = zeros( 1, 3);m = floor(sample_len / 4);m = randsrc(4, 1, 0 1); tmp = zeros(4, 1);%對待檢測圖像應用非負和非正翻轉(zhuǎn)，統(tǒng)計翻轉(zhuǎn)前后的空間相關性for j = 1 : mtmp = stg(j - 1) * 4 + 1 : j *

23、 4); %把圖像分為四個像素一組cor(l) = spacecor(tmp);cor(2) = spacecor(fpo$(tmp, m);cor(3) = spacecor(fneg(tmp, m);if cor(2) > cor(l)%rmrs(i, l) = rs(i, 1)+1;end;if cor(2) < cor(l)%smrs(i, 2) = rs(i, 2) + 1；end;if cor(3) > cor(l)%r-mrs(i, 3) = rs(i, 3) + 1;end;ifcor(3)<cor(l)%s-mrs(i, 4) = rs(i, 4) +

24、 1;end;end;%對待檢測閣像所有像素應用正翻轉(zhuǎn)stg = fpos(stg，ones(sample_len，1);%對待檢測閣像應用非負和非正翻轉(zhuǎn)，統(tǒng)計翻轉(zhuǎn)前后的空間相關性 i = 2;for j = 1 : mtmp = stg(j - 1) * 4 + 1 : j * 4); cor(l) = spacecor(tmp); cor(2) = spacecor(fpos(tmp, m); cor(3) = spacecor(fneg(tmp，m); if cor(2) > cor(l)rmrs(i，l) = rs(i, 1)+1;end;if cor(2) < cor(l

25、)%smrs(i, 2) = rs(i，2) + 1；end;if cor(3) > cor(l)%r-mrs(i, 3) = rs(i, 3)+1;end;if cor(3) < cor(l)%s-mrs(i, 4) = rs(i, 4) + 1;end;end;rs = r$ / m;% j. fridrih方法% do = rm(p/2)-sm(p/2), d 1 =rm( 1 -p/2)-sm( 1 -p/2)dpz = rs( 1, 1) - rs(1,2); dpo = rs(2, 1) - rs(2, 2);% d-0 = r-m(p/2)-s-m(p/2), d-1 =r-m(l -p/2)-s-m(l -p/2)dnz = rs(l, 3) - r$(l, 4); dno = rs(2, 3) - r$(2, 4);%判定待檢測圖像1卻“叩是否經(jīng)過lsb替換隱寫p = 2.5* le-2;%設定門限伉，對于rs分析一般為2%-3%if dnz > 0 && dpo > 0 %用于判斷1111足否大于5111，r-nvs否大s-m dis