信息隐藏LSB算法实验报告

本科生课程考试答题本考生姓名＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿考生学号＿＿＿＿＿＿＿专业班级＿＿＿＿＿＿＿＿指导老师＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿考试科目＿＿＿＿＿＿＿＿＿考试日期＿＿年＿＿月＿＿日1目录一、实验任务和要求..................................................................................................21.1实验任务..........................................................................................................21.2实验要求..........................................................................................................2二、实验算法LSB原理..............................................................................................2三、实验环境和采用的工具........................................................................................3四、具体实现步骤........................................................................................................34.1LSB算法水印嵌入.........................................................................................34.2LSB算法水印提取.........................................................................................44.3LSB算法实验测试.........................................................................................5五、源码分析................................................................................................................55.1LSB算法水印嵌入.........................................................................................55.2LSB算法水提取.............................................................................................95.3计算PSNR值...............................................................................................12六、实验测试..............................................................................................................136.1LSB水印的嵌入...........................................................................................136.2水印的提取...................................................................................................146.3对水印进行鲁棒性测试...............................................................................146.4对水印进行有效性测试...............................................................................146.5对水印计算PSNR值...................................................................................146.6对水印容量进行分析...................................................................................15七、结论......................................................................................................................152一、实验任务和要求1.1实验任务•信息载体：每个人自己的一张外景照片；•水印信息：每个人将学号、姓名按上下两列写在白纸上，然后手机拍摄，转化为黑白图片，作为水印信息；•信息隐藏方法：LSB算法（空域或频域）。1.2实验要求实验可采用matlab6.5以上版本（C++、Java等），程序分为嵌入与检测两部分，最好有友好的操作方式；程序代码需要注释，编码简洁可靠明了，易检查。实验测试要求有：•需对信息处理进行鲁棒性测试；•对水印嵌入的有效性进行测试；•计算嵌入前后的PSNR值；•对水印容量进行分析。二、实验算法LSB原理LSB是L.F.Turner和R.G.vanSchyndel等人提出的一种典型的空间域信息隐藏算法。LSB最低有效位法(LeastSignificantBit；LSB)是运用人类视觉系统无法觉察细微变化之掩蔽效果，将秘密信息隐藏在图像像素的最低位，具有计算速度快且容易秘密信息隐藏在图像像素的最低位，具有计算速度快且容易实现有点。通常最低位是表示图像细节信息，一般人眼不容易觉察，也因此容易成为一般信号处理和压缩时被抛弃的部分。本次主要是针对24位的BMP图片做处理，算法通过把信息嵌入到24位真彩色BMP图象中，从而达到隐藏的效果。通常BMP图像可以用一个M*N的矩阵表示，矩阵的数值表示一个像素的色彩信息，一般用8位二进制数表示。每个像素对应的数值的每位bit其意义和作用不尽相同，我们可以把每个数据的每一位bit构成一个平面数据，称为位平面，其中由每一个像素最低比特位组成的称为第0个位平面，为最不重要为平面，相应的比特位称为最低有效位（LSB）。LSB算法原理就是通过修改最不重要的LSB后，图像的改变根本无法用肉眼识别，以此来实现以图像为载体的信息隐藏。3三、实验环境和采用的工具此次试验环境及工具见下表3.1所示。表3.1实验环境及工具项目内容实验环境Windows7（64位）开发工具MicrosoftVisualStudio2012（C#）图像处理Matlab2010Ra辅助工具Photoshop/画图四、具体实现步骤实验主要包括三个方面，LSB算法水印嵌入、LSB算法水印提取以及针对LSB算法性能的测试。4.1LSB算法水印嵌入LSB算法水印嵌入主要步骤是加载载体和水印图片、将图片文件流转换成二进制数组（设计两个转换函数：长整型转换成24位和1字节转换成8位，详见后面源码分析）、获得水印长度判定是否大于载体长度大约1/8（程序中有详细的图4.1LSB水印嵌入流程图计算公式）、大于则重新选择水印；符合则进行水印长度嵌入（设计长度值嵌在4载体BMP第55-77位字节（24位）的LSB处）、循环获得水印内容并嵌入（内容从载体BMP的78位字节处开始，载体每8位嵌入1位字节水印）、最后保存隐写体、备份载体。该嵌入步骤说明下：（1）长度嵌入在载体第55-77字节，这是因为24位BMP图前54位存储的是图片本身信息（如果嵌入可能会破坏载体图片导致嵌入后的隐写体无法正确读取）；选择24位字节是因为可以嵌入24位的二进制长度，即能够嵌入2的24方水印信息（此范围合适，当然最终能否嵌这么多还要看载体信息长度）。（2）备份载体，这是为后面进行嵌入效果的对比和PSNR值做准备。4.2LSB算法水印提取LSB算法水印提取与嵌入基本相同，主要步骤是加载隐写体、选择提取水印的保存名字及位置、将图片文件流转换成二进制数组（同嵌入）、提取隐写体第55-77位的水印信息长度、判定长度是否大于隐写体长度的大约1/8（程序中有详细的计算）、大于，则提示可能不包含水印（判定方式做的比较简单）；小于，则开始从隐写体的78位逆置换提取水印、保存水印、选择原始水印进行比较。图4.2LSB水印提取流程图说明：1.因为长度不满足，系统就不做提取（设计比较简单）；2.水印对比中，如有嵌入过程，则不需选择；直接提取需要选择原始水印。54.3LSB算法实验测试测试这一模块主要有：鲁棒性测试、可行性分析、计算PSNR值以及水印容量分析等内容。这一部分的实验步骤主要按照它们的分析进行，具体见下。1．鲁棒性检测主要是对嵌入水印后的隐写体进行各种变换（比如旋转、裁剪、放大缩小等），转换后再进行隐写体的水印提取。其中变换可以借用Photoshop或者画图来简单实现。2．LSB水印嵌入的可行性分析主要是针对嵌入是否合理、提取是否成功等进行分析。作为最简单常用的水印嵌入算法LSB，它的可行性分析具体见后面。3．计算PSNR值，这个依据PSNR值计算公式，使用C#语言界面化实现。具体步骤就是加载隐写体和原始载体，计算PSNR值并显示。4．水印容量分析，这个在设计实现LSB算法时已经做了初步定论，分析的实现可以简单计算出来或者利用matlab实现。五、源码分析5.1LSB算法水印嵌入根据前面的原理和分析，我主要是利用visualstudio2012结合C#语言进行LSB算法的实现。LSB水印嵌入主要是建立LSBEncrypt类来实现，其中有如下五个函数，具体功能见下表5.1所示。表5.1LSB水印嵌入所用函数及功能函数名功能byte[]ConvertToBinaryArray(longx)将长整型数转换为24位二进制字节数组ConvertToBinaryArray(byte[]array)将1个字节转换为8位二进制字节数组voidHideInfoLength()在载体55-77字节LSB替换为水印的长度voidHideInfoContent()将水印信息以每1个字节写入载体图像从第78字节开始的每8字节块的LSB中voidExecuteEncrypt()执行LSB水印信息嵌入操作根据上表5.1中的函数及功能，主要的源码分析见下面：namespaceLSB_Algorithm{classLSBEncrypt{//原始载体图片路径privatestring_originalPicPath=null;6//水印信息路径privatestring_hidingInfoPath=null;//原始载体图片的文件流privateFileStream_picStream=null;//水印信息的文件流privateFileStream_infoStream=null;///summary///LSBEncrypt类的构造函数////summary///paramname=path1原始图片路径/param///