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基于图像LSB的隐藏检测算法研究

2023-07-09 来源:九壹网
总第211期 舰船电子工程 Ship Electronic Engineering Vo1.32 No.1 66 2012年第1期 基于图像LSB的隐藏检测算法研究 孙碧容马春波 桂林541004) (桂林电子科技大学信息与通信学院摘要文章研究了RS(Regular Groups and Singular Groups)、QRS(Quadratic RS Steganalysis)和IRS(仅R)(Improved RS by Only RegularGroups) ̄种图像隐藏检测算法,并提出了一种将QRS和IRS(仅R)算法思想相结合的改进算法,即QRS(仅R)。通过大量图像的 仿真表明:该算法相比于RS、QRS、IRS(仅R)算法,在检测率、估计精度和检测时间上均有所改善,改善的相对值分别高达l7 、3O 和 38 。该算法对各种LSB(Least Signification Bit)隐藏算法均能有效检测,是一种简单实用的隐写分析算法。 关键词信息隐藏;隐写分析;RS;QRS;IRS TP309.7;TP301.6 中图分类号Detection Algorithm Research Based on Image LSB SteganOgraphy SUN Birong MA Chunbo (School of Information and Communication,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004) Abstract This paper researches on three algorithms of RS,QRS,and IRS(only R),detecting LSB steganography in images and pres— ents an improved algorithm based on the QRS and IRS(only R)algorithms,called QRS(only R).Simulation results of a large number of ima— ges show that:compared to the RS,the QRS and the IRS(only R),this new algorithm has improved performances on the detection rate,the accuracy and the executive time,and their improved relative values can be up to 17 ,30 and 38 .The algorithm can detect all kinds of LSB steganography algorithms reliably and is a simple and practical steganalysis algorithm. Key Words steganography,steganalysis,RS,QRS,IRS CIass Number TP309.7:TP301.6 1 引言 2o世纪9O年代以来,利用信息隐藏来解决信息安全 的问题,成为了当前较为有效的手段之一。然而,信息隐藏 技术有利于确保国家机密在网络上安全传递,但也会被非 法分子所利用。于是,隐写分析技术就这样应运而生。 2几种图像隐藏检测算法的性能分析 2.1 RS隐藏检测算法 2.1.1基本思想 Fridrich等人E 于2001年提出了针对图像LSB隐藏 的检测算法,即RS算法。该算法对空域频域隐写,以及顺 序随机嵌入的隐秘图像检测均有效。 RS算法将图像像素分为互不交叠的像素组G(x , z, …目前,隐写分析技术还处于刚刚起步的阶段,主要集中 在信息检测和破坏的研究上,还未达到将秘密信息提取出 来的程度。图像隐藏检测算法中,以最低有效比特位LSB 隐藏检测算法最为常见。例如,1999年,Westfeld等l_1]提出 了卡方统计检测算法;2000年,Fridrich等[2]提出了基于相 近颜色对的检测算法(RQP,Raw Quick Pairs);2001年, Provos等E3_提出了Outguess检测算法;同年,Fridrich 等[4 ]人又提出了基于空间相关性的RS检测算法;2002 年,Fridrich等L3 提出了F5检测算法。 在所有LSB检测算法当中,RS检测算法有着较高的 ,-z ),根据M置换像素组前后分辨函数l厂值的大小关 系,像素组G可分为R(,(F(G))>_厂(G))、S(_厂(F(G))<_厂 (G))、U(厂(F(G))一厂(G))组。其中,厂的表达式为 _厂(zl,…,z )一> IT l—T l —(1) l F(G)表示为:F(G)一(FM(1)( 1),FM(2)( 2),…,FM( ) (z )),M( )∈{~1,0,1),F1:0一l,2—3,…,254—255; F l:0一O,1—2,…,253~254,255—255;F0:F0(z)一 。 检测效果。因此本文对RS算法及其两种演变算法QRSE ] 和IRS(仅R)_7]进行了研究,并通过实验仿真,对它们的检 测性能做出了分析和比较。本文还提出了一种将QRS和 RS算法的基本思想:计算+M、一M置换图像像素组 后R和S组的百分比R(P/2)、s(P/2),将图像所有像素 LSB位正翻转,再次计算置换后的R和S组的百分率,记 为R(1--P/2)、S(1--P/2),依照RS曲线图(如图1),基于 RS的三个假设条件,通过以上八个数据值,即可模拟出四 IRS(仅R)算法思想相结合的改进算法,QRS(仅R)算法。 实验结果表明,该算法与RS、QRS和IRS(仅R)相比,在性 能上均有所改善。 *收稿日期:2011年7月19日,修回日期:2011年8月26日 基金项目:国家自然科学基金资助项目(编号:60862001);广西研究生教育创新计划资助项目(2010105950810M15)资助。 作者简介:孙碧容,女,硕士研究生,研究方向:图像隐藏检测、信息安全。马春波,男,博士,教授,研究方向:信息安全。 2012年第1期 舰船电子工程 67 条曲线和建立一个求解嵌入率P值的二次方程式。 :I :  :: : i: : I; — .孽≥越鬈 ;:: !R j: :I ≮: 二 .. :。。r … … — — 一 …。: 一-. ;: ;S , I: : 图1典型RS曲线图 二次方程的表达式为 2(dl+do) +( 。一 —l— l--3d。)-z+d。--d o一0 (2) 其中,d。一RM(p/2)一SM(P/2),dl=RM(1一P/2)~SM(1 P/2) d—o—R M(P/2)--S—M(P/2),d一1一R—M(1一P/2)一 S—M(1一P/2) 解得方程绝对值较小的解z,则P—z/( 一1/2)。 2.1.2实验结果 本实验从UCID ̄ 、CBIR_s 标准图像库和互联网上分 别选取了彩色图像200幅进行仿真。仿真结果显示图像的 判断阈值为[一1.5 ,1.5 ]。实验中像素组为2*2方 块,置换矩阵M为E1,0;0,1]。建立嵌入率为1O ,3O%, 5O ,7O ,9O 的UCID图像库,对应的检测率和集中值 的偏离度如表1所示。 表1 RS算法各嵌入率时的检测率 2.2 QRS隐藏检测算法 2.2.1基本思想 QRS隐藏检测算法是基于RS算法作出的改进l_6]。在 RS算法中,尺一”、s—M曲线用两条直线来拟合。QRS算法 指出对于某些图像,直线确实是可以较好地拟合R—M、S 曲线,但对于大多数图像,R一 、S—M曲线更接近于二次曲 线。用二次曲线来拟合R一 、S一”曲线,可以减少误差,从 而获得更高的检测率和估计精度。 ORS算法与RS算法计算过程的不同之处在于,QRS算 法除了获取前述八个数据值外,还需获得四条曲线在1/2处 的四个数值。由于将图像LSB位随机化,即可得到近似的全 秘载体图像,于是在1/2处的四个数值便可很快获取。由四 条拟合曲线求得的R 与R一”、sⅥ与S—M的交点XR、22S和关 系式(xR+-27S)/2一p/(2p一2),便可求得嵌入率P。 2.2.2实验结果 嵌入10%隐秘图像 曩茎?F鬲i的估i it 嵌入率  嵌入50%隐秘图像 ~ 差墨 瑙一冉————百 — () 箍 薹墨。E两; 冀 差芝 妲瑙(广————而 —— 0 图2嵌入率为1O 图3嵌入率为5O 的对比图 的对比图 通过对200幅UCID标准彩色图像仿真得到,各嵌入 率下QRS算法都有着比RS算法更高的估计精度,如图2 和图3所示。两图分别是嵌入率为1O 和5O 时QRS和 RS算法的对比图。每幅图的上方是RS算法的仿真结果, 下方是QRS算法的仿真结果。 2.3 IRS(仅R)隐藏检测算法 2.3.1基本思想 2004年Ker等人[7]对RS算法进行了改进,提出了 IRS算法。IRS(仅R)思想为该算法的其中一个改进点。 作者指出,仅利用RM和R M两条曲线就能够可靠地估计出 嵌入信息长度,而且可获得比RS更高的检测率,不过两者 检测效果的差距不是很大。 IRS(仅月)算法求解嵌入率的计算过程与QRS算法相 似,除了获得RM、R一”曲线在p/2、(1一p/2)处的4个值 外,还需获得RM曲线在1/2处的中点值。之后由两条拟合 的RM、R—M曲线求得交点,即可得到嵌入率P值。 2.3.2实验结果 由于IRS算法主要是针对灰度图像而进行的研究,因 而本实验从USC-SIPI: 标准图像库中选取了200幅灰度 图像来仿真和验证。为了体现该算法优于RS算法的特 性,本实验选择的嵌入率为1 ,2 ,3 ,5 ,7 ,1O 。 两算法各嵌入率下的检测率及其相对差值具体见表2。其 中,检测率用200幅隐秘图像中检测出来的图像幅数表示。 表2 IRS(仅R)与RS算法检测率的比较 嵌入率 1 2 A o3 A o5 7 10 RS 154 164 18O 191 195 200 IRS(仅R)176 184 187 193 197 200 相对差值14.28 12.19 3.88 1.04 1.02%0.O0% 3 新算法一QRS(仅R)隐藏检测算法 3.1基本思想 本文提出的QRS(仅R)算法,是将QRS算法和IRS (仅R)算法思想相结合的一种新算法。前文已提到,将 R 、S— 曲线拟合为两条二次曲线的QRS算法和仅利用 两条R 和R— 就能够可靠地估计信息长度的IRS(仅R) 算法,均具有比RS算法更高的性能。故将QRS与IRS(仅 R)算法结合,便能获得更佳的检测效果。 QRS(仅R)算法在估计嵌入率前,事先须求出八个数 值,即RM(P/2)、R M(P/2)、RM(1/2--zD、R M(1/2--zD、 RM(]/2+△)、R M(]/2+△)、RM(1一P/2)、R M(1一P/2)。 八个数值的获得即可估计出两条抛物曲线R”和R一 的表 达式,现假设: 尺M: 一 1 +61z+n RM: 一Ⅱ2 +62z+r2 则两曲线的交点方程为 (al—a2).72。+(61—62)z+(,1一r2)一0 (3) 其中,a1—2R—M(P/2)+2R—M(1一P/2)一4R—M(1/2),a2 —2RM(P/2)+2RM(1一P/2)一4RM(1/2) bl—一3R M(P/2)一 M(卜P/2)+4R M(1/2),rl— M(P/2) bz—一3RⅥ(P/2)一RⅥ(卜P/2)+ M(1/2),r2一RM(P/2) 设由交点方程解得的绝对值较大解为XR,由P一2XR/ (2xR~1),便可求出嵌入率值。 3.2实验结果 由于IRS(仅R)算法主要针对的是灰度图像,本实验选 68 孙碧容等:基于图像LSB的隐藏检测算法研究 总第211期 取200幅USI图像作为QRS(仅R)算法的实验对象。 3.2.1 QRS(仅R)与QRS算法的比较 ORS(仅R)算法都比QRS算法的检测率要高。除此之外, QRS(仅R)算法相比于QRS算法,检测时间明显减少,减 少的相对差约为38.89 。 3.2.2 QRS(仅R)与IRS(仅R)算法的比较 对载体图像进行统计仿真,求出两算法各自判断图像 i 7 51 00 5.  2 8 是否隐秘的阈值。建立嵌入率为1 、2 、3 、5%、7 、 % 1O 的隐秘图像库,根据阈值对各嵌入率图像库进行检测。 7 138 l々,8. 1 9 实验结果显示,对于灰度图像,ORS(仅R)与IRS(仅R) 算法估计精度优劣性的比较不太明显。为了体现两者的差 别,现对200幅UCID无损彩色图像库进行仿真,嵌入的信息 长度分别为1O 、3O 、5O 、7O 、90 。仿真结果表明,与 两算法在不同嵌入率下的检测率及其相对差值如表3所 % 示。检测率用200幅隐秘图像中检测出来的图像幅数表 8 16 9 1l 2.  6 示。 8 衰3 QRS(仅R)与QRS算法检测率的比较 L IRS(仅R)算法相比,ORS(仅R)算法估计嵌入率值的波动胜 明显要小,估计精度较高。在检测时间上,ORS(仅R)算法 相对于IRS(仅R)延长了32.oo 。表4为两算法各嵌入率 嵌入率 ORS 1 2 3 5 1 3 7X 0 吐‘ 10 QRS(仅S) 相对差值 L 5 7 0 2 仿真图中估计嵌入率值的波动情况统计表。其中,上限和下 限值指的是估计嵌入率的值域范围的上界和下界值,“1.0” 表示嵌入率值为100%,“0.o”表示嵌人率为o 。 O 20 20.  从表上数据可以看出,对于任何嵌入率的隐秘图像, O O O 0 表4 QRS(仅R)与IRS(仅R)算法检测率的比较 解释说明:两算法仿真图中的估计嵌入率值都比较集 中于实际嵌入率值,估计嵌入率值异常的图像占少数。这 相对提高了15 ;2)相比于IRS(仅R),估计精度提高的 相对值可高达3O ;3)相比于RS,检测率相对提高了 里的上限和下限值,指的就是仿真图中一些不稳定图像的 嵌入率估计值。 3.2.3 QRS(仅R)与RS算法的比较 l7 。QRS(仅R)算法适于检测各种LSB隐写工具,是一 种简单实用和性能较高的隐藏检测算法。 通过图像仿真统计表明,在检测率方面,ORS(仅R)算 法相对于RS算法性能有所提高。表5是嵌入信息长度为 1 、2 、3 、5 、7 、10 时两算法的检测率及其相对差 值的统计表。检测率用200幅隐秘图像中检测出来的图像 幅数表示。 表5 ORS(仅R)与RS算法检测率的比较 嵌入率 RS 参考文献 E1]贺海玉,汤光明,贾利新.基于JPEG图像的信息隐藏检测算法 研究EJ].河南科学,2005,23(3):429—432. 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[8]UCID无损彩色图像库[-EB/OL].http://vision.CS.aston.ac. uk/datasets/UCID/ucid.htm1. 线拟合为两条二次曲线的ORS算法和仅利用两条RM和 R—M便能够可靠地估计信息长度的IRS(仅R)算法,均具有 比RS算法更好的性能。本文提出的QRS(仅R)算法,则 是将QRS和IRS(仅R)相结合的一种算法。实验结果表 明:1)该算法相比于QRS,检测时间减少了38 ,检测率 E9]CBIR有损彩色图像库[EB/OL].http:/www.CS.washington. edu/research/imagedatabase/groundtruth. [-10]USC SIPI无损灰度图像库[EB/OI ].http://sipi.use.edu/ database/ 

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