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1、 1以物件為基礎的影像隱藏技術之研究 A Study on Object-Based Image Steganography 計劃編號：92-2213-E-130-006 執期限: 92 8 月 1 日至 93 7 月 31 日 主持人：遠坤 助教授 銘傳大學 資訊工程系 計劃與人員：張業誠 冠伶 楊雅茹 交通大學 資訊科學研究所 1. 中文摘要中文摘要 本計劃提出一個以物件為基礎的隱藏模型，將機密 訊息嵌入位影像的物件之中 ， 用以保護秘密通訊的雙方 人員。機密訊息在嵌入程序中，首先被轉換成幾何扭曲係 ，由於扭曲程是有限制的，扭曲後的物件，看起仍 然非常自然，肉眼難以分辨。在嵌入過程中，物件
2、的色彩 並沒有被改變 ， 導致所以針對色彩資訊做的統計分析的攻 擊法，完全派上用場，無法偵測出通訊為。因此，本 計畫所提出的隱藏技術 ， 確實可以達到保護通訊人員的目 的。在萃取程序中，接收者必須用原始物件的穩定特 徵，找到扭曲物件在偽裝影像中的位置。接著，透過比對 扭曲物件與原始物件之間的扭曲程而還原機密訊息。為 使比對程序可以即時完成，本計劃提出一個搭配反覆 式搜尋及階層式由粗至細搜尋的快速比對搜尋法。 實驗結果顯示，嵌入的機密訊息，影像儲存成 JPEG、 GIF 或 J2K 格式，甚至在同影像格式間轉換，也可以正 確地取出，證明本計畫所提出的隱藏模型確實可，具有 高實用價值。 關鍵詞關鍵
3、詞：隱藏學、偽裝影像 Abstract In this project, an object-based image steganographic model is proposed for protecting the privacy of communication on the Internet. In the embedding process, the secret message is first converted into coefficients of an affine transformation. Then, the coordinates of each pixel
4、of a selected object are recomputed by this affine transformation. Since these coefficients are restricted in a specific range, the transformed object looks natural. Because the color of each pixel is unchanged, all steganalytic techniques that use the color information to break the proposed stegano
5、graphic technique are unavailable. In the extracting process, a coarse-to-fine iterative search is proposed to accelerate the object location and the message extraction. Experimental results indicate that the hidden message can be correctly extracted while the stego-images are stored in various comp
6、ression formats, such as GIF, JPEG and J2K. Therefore, the proposed steganographic model is very practical. Keywords: steganography, stego-image. 2. 計劃緣由與目的計劃緣由與目的 近，由於電腦與網科技的高發展，資訊的 傳遞但方迅速而且正確。隱藏學(steganography) 和 密碼學(cryptography) 項技術可以應用於秘密通訊 上1-2。 項技術最大的同在於隱藏學將訊息的存在性 隱藏起，讓人完全感受到訊息是存在的，其主要的考 但是要保
7、護機密訊息 ， 也要同時保護通訊雙方人員的 安全。一個可的做法, 就是將機密訊息隱藏於位媒體中，然後再將位媒體透過網際網傳送。 將機密訊息嵌入位媒體的技術可分成大：第 一、與位媒體儲存格式相關的隱藏技術3-7；第二、與 儲存格式無關的隱藏技術8-10。第一隱藏技術的缺點 就是當偽裝媒體的儲存格式或改變，所隱藏的機密 訊息可能會遭受破壞，無法送達目的地。第二隱藏技術 並考慮位媒體的儲存格式，可以直接在空間域嵌入機 密訊息，或是先將媒體轉換到頻域後，再將機密訊息嵌 入；然而嵌入訊息的偽裝媒體，在傳送前仍必須儲存才能 傳送，這隱藏技術必須考機密訊息是否會因為儲存成 失真壓縮格式，而遭受破壞。 隱藏技
8、術強調機密訊息的可偵測性，要破解一套 訊息隱藏系統，訊息的意義為何並需要破解，只要證明 出訊息是存在的，就會曝出通訊為，等於失去保護 通訊人員的作用11。傳統的隱藏技術大多是針對像素的 色彩值，或是轉到各種頻域的係值再去做改變，期望 在影響影像品質的情況下將機密訊息嵌入。因此，許多 隱藏技術破解分析法也是針對這些色彩值或係值去 做統計與分析，期望能找到哪些媒體隱藏有機密訊息的證 據12-16。 本計劃針對網際網上最廣泛使用的種位影像 失真壓縮格式：JPEG 與 GIF 格式，及最新制定的影像壓 縮標準 JPEG 2000 (J2K)，提出一個以物件為基礎的幾何 扭曲嵌入法，隱藏機密訊息。由於物
9、件扭曲的程是有 限制的，因此扭曲後的物件，看起仍然是非常地自然， 所以人眼完全無法察覺影像上的物件是有嵌入機密訊息 的。由於嵌入的過程並沒有改變物件的色彩資訊，所以針 對色彩資訊所做的各統計攻擊法，是無效的。 3. 隱藏模型隱藏模型 本計劃選定彩色影像為掩護媒體，為使嵌入的機 密訊息，在偽裝影像儲存成各種失真壓縮格式時，可以正 確地的取出，我們分析各型的失真壓縮後發現：壓縮 技術通常只對影像內的色彩值做處，並會去改變物件 的幾何特性。因此，物件的形是一項穩定的特徵，如果 把機密訊息嵌入在物件的幾何扭曲變形中，並會因為失 真壓縮而消失。 本計劃所提出的隱藏模型分為基本模型和進階模 型。在基本模型
10、中，一張影像僅有一個影像物件；進階模 型則允許一張影像置入多個物件，以增加影像的隱藏容 。接下，我們會詳細地分別明所提出的隱藏模型。 3.1 基本模型基本模型 基本模型分成嵌入程序和萃取程序部份。在嵌入 程序之中，使用仿射轉換(affine transformation)，對物件 中的每個像素座標做轉換；在萃取程序之中，用所提出 的一項搭配反覆式(iterative) 搜尋法及階層式由粗 至細(coarse-to-fine) 搜尋法項技術的快速搜尋技 術 ， 快速找出物件的扭曲程 ， 最後將其還原成機密訊息 。 23.1.1 嵌入程序嵌入程序 針對影像中的物件，使用仿射轉換對每個像素的座 標做
11、轉換，假設物件中的某一個像素，其座標是(x, y)，經 過仿射轉換後，我們得到： + = fe yx dcba yx (3-1) (x, y) 是該像素的新座標；a, b, c, d, e, f 是仿射轉換的係 。為讓嵌入過機密訊息的物件，換話，就是經過 仿射轉換扭曲的物件，看起是自然的，必須對物件的扭 曲程做限制。假設轉換矩陣的係為 a = d = 1，b = c = 0 且 e = f = 0，那麼這個物件和原物件是完全相同的。 我們將係 a 與 d 限制在 1 - l, 1 + l ，係 b 與 c 限 制在 -l, l 的範圍內，如果 l 的值很小，扭曲後的物件， 用人眼觀察，應該也是
12、非常地自然才對。 式子(3-2) 是設計將機密訊息 m 轉換成扭曲係 a 與 d，式子(3-3) 則是用轉換成扭曲係 b 與 c : +2，這樣就 可以保證所嵌入的機密訊息可以正確地萃取出。表表 1. 出扭曲係間隔 與隱藏容 k 之間的關係。 表表 1. 扭曲係間隔與隱藏容之間的關係 扭曲係間隔 隱藏容 訊息 m 0.0001 11 0 m 2047 0.0002 10 0 m 1023 0.0004 9 0 m 511 0.0008 8 0 m 255 3.1.2 萃取程序萃取程序 萃取程序的最主要工作就是比對偽裝物件和原始物 件之間的扭曲程，然後再將其還原成機密訊息。 首先，我們定義出個物
13、件 O1 及 O2 之間的比對誤 差: =21OOj)(i,2121j)(i,O-j)(i,O)O,E(O(3-4) 其中 Ok(i, j) 所代表的是物件 Ok中的色彩向值, k = 1, 2。我們用 O 表示原始物件，用 Ostego表示所接收到的 偽裝物件，用 Oa,b,c,d表示將原始物件 O 用 a, b, c, d 四 個仿射轉換係將物件扭曲所得到的新物件。因此，萃取 程序所要解決的問題就是比對原始物件與所接收到的扭 曲物件，找到當初嵌入程序所使用的 a, b, c, d 四個仿射 轉換係，換話就是找到使得 E(Oa,b,c,d, Ostego) 誤差 值最小的扭曲係，就是取出的機
14、密訊息。 要解決上述問題最簡單的方法就是將四個係所有 種排組合，共 24k 種可能值搜尋一遍，找出最小的比對 誤差即可。但是這樣搜尋太過耗時，並實用。為解決 這個問題，我們根據問題本身特有的比對特性，提出項 可以加速搜尋最佳解的技術： 反覆式搜尋法及階層 式由粗至細搜尋法 。 反覆式搜尋法是指先固定與 x 座標相關的 a, b 的係值，然後搜尋與 y 座標相關的 c, d 個係所有可 能的排組合，即 )O ,(Omin)O ,E(Odc,b,a,stegod c,d,cb,a,stego00=(3-4) 接著將 c, d 個係固定在所搜尋出的 c0, d0 值，重新 尋找 a, b 個係可能的
15、最佳排組合，即 )O ,(Omin)O ,E(Odc,b,a,stegob a,dc,b ,astego00=(3-5) 個程序反覆交替執, 直到所找到的值穩定下再 有變化。 階層式由粗至細搜尋法是指先出粗地搜尋可 能的係值，然後在所找到的粗值附近詳細去搜尋最佳 的結果。 3.2 進階模型進階模型 為增加一張影像的隱藏容，在進階模型中，我 們允許將多個物件嵌入到同一張影像之中。進階模型的嵌 入程序和基本模型的嵌入程序幾乎相同，唯一的差別是必 須將多個扭曲後的物件貼到同一張影像的同位置中。圖圖 2. 為使用進階模型所產生的偽裝影像，影像中共有 8 個 影像物件，每個物件有 4 個扭曲係可供嵌入訊息，係 嵌入容定為 11 個位元，則可嵌入 352 位元的機密訊 息。 在萃取程序中，首先要面對的問題就是如何從影像 中，找到特定扭曲物件的位置。唯有正確地定位出扭曲物 件的位置，我們才可以使用基本模型中所提出的快速搜尋 技術還原機密訊息。 物件定位程序分成三個步驟：首先，用扭曲物件 在失真壓縮後依然存在的穩定特徵，找到包含特定物件的 影像區塊；然後，找出區塊中最大結物件的重心當作扭 曲物件的中心點；最後，在所找到中心點及與其相鄰的 8
