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高效隐写算法的设计研究

廖鑫  
【摘要】:隐写术是信息隐藏技术的一个重要分支,它将秘密信息嵌入到载体中,通过公开信道进行传输,实现了隐蔽通信,解决了利用密码学传输秘密信息过程中容易引起察觉的问题。隐写算法主要关注隐写容量、嵌入失真度、安全性等性能指标。为了提升上述性能指标以便更好地实现隐蔽通信,本文设计了高效实用的隐写算法,其中涉及具有高隐写容量和低嵌入失真度的基于像素差值的数字图像隐写算法,具有高安全性的基于量子信息技术的量子隐写算法。 大部分现有的基于像素差值的数字图像隐写算法都是基于相邻两个像素的差值,本文首先分析了两种基于两像素差值的数字图像隐写算法,指出它们分别存在秘密信息不能准确提取的漏洞和再调整操作像素选择较少的局限性,在此基础上提出了两种基于两像素差值的数字图像隐写的改进算法,保证了算法的正确性,在相同的隐写容量下减小了嵌入失真度。 基于两像素差值的数字图像隐写算法未能充分考虑图像边缘特性,算法性能有待提高,而基于四像素差值的数字图像隐写算法较好地解决了上述问题。本文提出了一种基于四像素差值和模函数的数字图像隐写算法,性能优于现有的基于四像素差值的数字图像隐写算法。然而,进一步分析表明上述这些算法本质上仍然都是基于两像素差值的。因此本文随后给出了“四像素平均差值”这个新定义,将像素差值从传统的一维空间推广到了二维空间,并基于此提出了两种新颖的数字图像隐写算法,具有较高的隐写容量和较低的嵌入失真度。 量子隐写算法实现了在量子通信信道上隐蔽传输量子/经典秘密信息,并且能够检测出隐蔽通信过程中的外部攻击者,具有由量子力学基本原理所保证的高安全性。本文提出了两种基于量子信息技术的量子隐写算法,在隐写容量、密钥消耗率和应用环境上具有较好性能。 论文的主要研究成果具体如下: 1.指出了Wang等人提出的基于两像素差值和模函数的数字图像隐写算法存在漏洞,在某些特定的情况下算法会发生错误,接收者无法准确提取秘密信息。通过扩大像素值的修改范围,提出了一种改进算法,修正了原算法的漏洞,保证了秘密信息的准确提取。 2.通过分析Yang等人提出的基于两像素差值和再调整步骤的数字图像隐写算法,指出了算法的再调整操作存在局限性,只允许再调整隐写前后属于不同划分区域的两像素对的1个像素值。通过扩大执行再调整操作的像素选择,提出了一种改进算法,在相同的隐写容量下减小了嵌入失真度。 3.提出了一种新颖的基于四像素差值和模函数的数字图像隐写算法。用含有2×2相邻四个像素的四像素块形成3个两像素对,在模函数下利用每个像素对的2个像素值之和来负载秘密信息,对四个像素值进行整体修改,并归约成一个带约束条件的最优化问题,理论证明了最优化问题的可解性。 4.提出了一种新颖的基于四像素平均差值和改进LSB替换的数字图像隐写算法。对含有2×2相邻四个像素的四像素块,利用K比特改进LSB替换将秘密信息分别嵌入到每个像素中,K由四像素平均差值来确定,对四像素块进行再调整操作,既保证了秘密信息的准确提取,又减小了嵌入失真度。详尽的理论分析保证了算法的正确性。 5.提出了一种新颖的基于四像素平均差值和编码技术的数字图像隐写算法。对含有2×2相邻四个像素的四像素块,设计了一个关于四个像素值整体修改的编码函数,用四像素平均差值来选择合适的编码函数参数,从而自适应地修改像素值和嵌入秘密信息。 6.提出了一种基于非极化信道噪声和量子隐形传态的量子隐写算法。利用Puali操作将秘密信息伪装成信道噪声所引起的量子纠错编码的码字错误。通过引入量子隐形传态过程,用Puali操作的随机选择性来负载额外的秘密信息。理论分析表明算法能够提供较高的隐写容量和较低的密钥消耗率,促进了在未来实际应用环境中的发展。 7.大部分隐写术适用于一对一的应用环境,为了提高多方通信的安全性,本文定义了适用于一对多应用环境的多方隐蔽通信,并提出了一种基于量子秘密共享的量子隐写算法来具体实现三方隐蔽通信,理论分析表明算法较好地满足三方隐蔽通信的各项要求。


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