专利名称：一种利用遥感影像进行海量信息隐藏的方法
技术领域：
本发明涉及一种以遥感影像为载体进行海量信息隐藏并加密的方法，属于模式识 别中的信息隐藏及信息科学中的数据加密领域。
背景技术：
信息隐藏技术是数字化信息时代信息安全领域的重要方向，信息隐藏技术是利用 载体信息的冗余性，将秘密信息隐藏于普通载体数据(文本、图像、视频、音频等)之中，通 过普通载体数据的发布而将秘密信息发布出去，可以避免引起其他人注意，从而具有更大 的隐蔽性和安全性，十分容易逃过拦截者的破解。近年来，计算机技术和网络通信的迅速发展使得人们可以很容易的通过计算机存 储介质、互联网以及通信网络传输数据。为了保证数据传输的安全性，在并不安全的网络上 传送机密数据，方法之一就是在发送前将数据加密，然后在接收端解密。然而这些加密数据 如果不利用一些宿主文件而是单独直接地传递，往往容易引起怀疑。而利用图像文件携带 加密数据更为隐蔽，更具有欺骗性，因为它表现为一幅有意义的图像，而不是杂乱无章的2 进制代码。目前被广泛使用的在数字图像中隐藏数据的方法是空间域的LSB方法，信息被嵌 入到每个像素值的最低有效位，这种方法的优点是简单易行，隐藏容量较大，不可见性好， 但可靠性较差，嵌入的信息可以通过某些方法鉴别出来。因为对于图像来说，被加入的加密 数据是一种人为噪声，在这些加密位上会丢失图像的特征(如轮廓、纹理、形状等)一种检 测方法是将11位图像N个波段每个像元所占用IlN个位全部分离出来，形成IlN幅二值图 像，比较这IlN幅图像与原始图像的特征差别，很容易发现携密图像，因为该图像的特征与 原始图像不符。另外，随着计算机、网络的普及，BMP(位图文件格式)、JPG(联合图像专家组)、 GIF(图像交换格式)三种图像格式已被广泛使用，以图像为掩体的信息隐藏，所采用的图 像格式主要是以上三种。以普通图像为载体在信息隐藏的不可见性方面能取得较好的效 果，但其面临的主要问题是嵌入信息量小。以24位BMP格式的图像文件为例，其数据组织 方式为定长文件、信息结构，各像元3个通道上的亮度值(每个像元占3个字节)，一幅 1200X1500的24位真彩色BMP图像约5. 3MB，截获每一字节的后三位用来存储加密数据，携密比为37. 5%，最多可携带2MB信息，显然无法满足海量信息隐藏的需求。自20世纪60年代以来遥感技术迅速发展，它改变了人类认识地球，了解地球的角 度和方式。随着计算机技术、光学感应技术以及测绘技术的发展，遥感技术也从以飞机为主 要载体的航空遥感发展到以航天飞机、人造地球卫星等为载体的航天遥感，极大地拓展了 人们的观测视野，丰富了对地观测信息的来源，遥感影像逐渐成为一种常见的数字图像。遥 感影像具有信息量丰富的特点，以IKONOS影像产品为例，该产品皆是以libit来储存，因 此每个像元有2048阶灰度值，而传统以Sbit存储的影像只有256个灰度级。IKONOS影像 提供使用者更为丰富的色彩信息，于对比度较低的影像以及阴影区域等细节辨别有很大帮助。一景1米分辨率全色和4米分辨率多光谱影像可携带大约1. 5G数据，因此可用于隐藏 海量信息。本发明以遥感影像为载体，通过改进LSB方法，实现了海量信息的加密隐藏。
发明内容
本发明要解决技术问题是克服现有技术的上述不足，提供一种利用遥感影像进 行海量信息隐藏的方法。为了解决以上技术问题，一种利用遥感影像进行海量信息隐藏的方法，包括以下 步骤第一步、设定待隐藏数据字节中二进制数码存入隐藏数据存储区的位序，将该位 序称之为位置密码；第二步、读取作为隐藏载体的遥感影像数据，将所述遥感影像每个像元像素值的 字节低端预定位作为待隐藏数据存储位；第三步、在遥感影像像元像素值的隐藏数据存储位以外任取一位作为隐藏数据筛 位，遥感影像各像元像素值的隐藏数据筛位构成一副二值图像，遥感影像各像元的隐藏数 据筛位的0区或1区作为隐藏数据筛区；第四步、以所述遥感影像各像元像素值的待隐藏数据存储位对应所述隐藏数据筛 区的区域作为隐藏数据存储区；第五步、按照位置密码的顺序读取隐藏数据形成的二进制数据流，按序存入所述 隐藏数据存储区内。第六步、对隐藏信息后的遥感影像采用游程编码压缩算法进行无损压缩。本发明利用图像携带密文(隐藏数据)的基本思路如下在计算机存储的文件中，数据字节内二进制数码之间位序具有一定的实际意义。 例如，计算机在处理有符号数时，通过其最高位来标识当前数的正负；有些信息在存储时， 一个或几个二进制位能够组成的独立数据项。如果将用户要加密的数据文件按照字节内 二进制数码的排列顺序依次存储到密位，每个二进制位不是独立的存在，可能存在某种关 系，这样就有利用前面的二进制位推断后面的可能，降低加密文件的安全性。为解决该问 题，本发明利用随机数列(位置密码)变换数据字节中二进制数码存入隐藏数据存储区的 位序。对于假彩色合成的3多波段遥感图像，不按次序进行携密，采用一个随机生成的8 位置密码，如85213647，表示852位存储于R3 (红波段低端后三位)中，136位存储于G3 中，47位存储于B2中。如果遥感影像有7个波段，不妨表示为ABCDEre波段，各波段存储 A3B3C2D2E2F2G2位(16位，2个字节)，仍然用8位密码，表示某个字节的各位按如下方案分 解 852- > A3,136- > B3，47_ > C2，85_ > D2，21_ > E2，36_ > F2，47_ > G2。经位置密码 变换存储位序后，二进制位之间不存在任何关系，进一步提高了加密文件的安全性。此外， 该过程完成了对隐藏数据的加密。遥感影像是一种栅格图像，对于多波段遥感影像，最常用的记录方式是将一幅图像按行、列划分为若干个像元，顺序地记录每个像元的不同波段的亮度值。如果每个波段存 储一副影像，那么各波段影像均以二维矩阵形式存储；如果多波段的影像叠合在一块，那么 遥感影像以三维矩阵形式存储。以11位IKONOS影像产品中4米分辨率多光谱影像为例，其 数据组织方式为定长文件头、信息结构、各像元3个波段(红、绿、蓝)的亮度值(每个像元占3X 11个字节)，可以表示的颜色总数为211X211X211 = 8589934592种，肉眼或一般的计算机检测根本无法分辨这些颜色间的细微差别。因此，可以设想，将这些颜色通道的低位 将这些颜色通道的低位截获，用来存储被加密的数据文件，而对原始图像的效果不会造成 明显的影响。对某一个波段像元来说，它表示的数据范围为O 2"-1，如果后(低端)5位 作为隐藏数据存储位，用来存储隐藏数据，对原始图像来说是一种噪声，噪声值范围为O 25_1，平均影响强度为25/2" = 1. 57%，由于像素灰度值的后五位对图像质量影响�。虼� 最终对图像的影响强度远低于1. 57%。因而在携密前后图像文件表象上几乎没有变化，肉 眼或普通的计算机检测方法很难分辨出如此细微的颜色差别，这就是利用图像携带密文的 基本思想。这种方法不但具有较强的隐蔽性，而且具有携密容量大的特点。因为遥感影像 文件一般都很大，携带加密数据比率为5/11，一景1米分辨率全色和4米分辨率多光谱影像 大约1. 5GB，可携带0. 68GB加密数据(相当于3. 65亿字的文本文件)，完全可以满足海量 信息隐藏的要求。简单地利用上述方法携带加密数据(隐藏数据)，虽然图像在外观上几乎没有变 化，但可以通过某些方法鉴别出来。因为对于图像来说，被加入的加密数据是一种人为噪 声，在这些加密位上会丢失图像的特征(如轮廓、纹理、形状等)。一种检测方法是将图像各 波段每个像元所占用11个位全部分离出来，形成33幅二值图像，比较这33幅图像与原始 图像的特征差别。加密图像的特征与原始图像不符，很明显不属于自然噪声。为了有效地防止携密图像被检测出来，就需要考虑图像的特征，使带密位在分离 出来后，其表象仍然是原始图像的轮廓，而不能简单、顺序地将数据存储到密位。为此，本发 明从遥感影像中选取一位作为隐藏数据的“筛位”，隐藏数据筛位的0区或1区作为隐藏数 据筛区，隐藏数据存储位中与“筛区”对应的区域为隐藏数据存储区，而不是在全图像区域 上都存储私有数据，存储示意图，这样在携密后，即使将密位(隐藏数据存储位)分离出来， 其0/1的分布仍具有原始图像的轮廓，不容易被发现，并且只有通过“筛区”才能提取隐藏 数据，增加了隐藏数据的提取难度。由于筛区来源于图像本身，不同图像筛区各异，而且同 一副影像也可指定不同位作为筛位，可见该设置更有利数据隐藏。如果用户要加密的数据文件中，0/1的分布具有一定的规律性。如1 Ii1位全为 0，ηι+1 II2位全为1，或者每个字节的高端全为0，仅低端分布稍具随机性。因此，仅仅考 虑利用遥感图像特征区域存储私有数据还不能避免图像特征的破坏。为防止这类由于待隐 藏的文件本身的特征造成图像特征的破坏，本发明方法所述待隐藏数据形成的二进制数据 流为按照位置密码的顺序从隐藏文件中读取并经过加密运算的二进制数据流。目前，数据 加密手段较为成熟，比如利用一个二值随机数序列(密钥)，对二进制数据流进行“加”或 “减”运算，获得一个变换过的数据流，此时用户隐藏数据的特征被筛除，所得到的新序列是 由隐藏数据和随机数据复合而成的随机数据序列。经加密后，带隐藏数据的特征将消失，获 得的新数据流具有完全随机性，将它存储到特征区域内，就不会出现前述情形。遥感图像具有分辨率高、信息量大、码速率高、多光谱、多传感器等特点，遥感影像 数据已经进入了“海量”阶段。虽然能作为海量信息隐藏的存储介质，但遥感影像增加了 加密文件的存储空间，给加密文件的传输、存储带来了极大的压力。为了减少传输、存储图 像时需要的数据量，本发明采用游程编码方法对影像进行无损压缩。该方法是利用遥感影 像数据的统计冗余进行压缩，可完全回复原始数据而不引起任何失真，但压缩率是受到数据统计冗余度的理论限制，一般为2 1到5 1。其原理为将一扫描行中的颜色值相 同的相邻像素用一个计数值和那些像素的颜色值来代替。例如aabccccccddeee，则可用 3alb6C2d3e来代替。对于拥有大面积，相同颜色区域的图像，用RLE压缩方法非常有效。在 隐藏信息后，对遥感影像采用游程编码压缩算法进行无损压缩，所得到的数据实际上进行 了“二次加密”，有效地防止这类图像被识别与解密。利用本发明中提供的方法将海量机密文件存储到遥感影像文件中，具有较强的隐 蔽性。同时，由于数据仅存储在影像文件的特征区域内，而且数据事先经过随机数筛变换， 使得携密后的图像不仅在外观上影像甚微，而且在密位上仍保持其特征，即使有一定程度 的噪声，也表现为随机的、自然的造成，很难用常规的方法检测出来。本发明有两个特点一、以遥感影像为载体，实现了海量信息的隐藏；二、利用遥 感图像特征数据筛保持携密图像的带密位仍具有原始图像特征，利用随机数筛消除加密数 据的特征，从而有效地防止这类图像被识别与解密，为私有信息的存储与传递提供安全保 障。此外，本发明还提供了一种基于本发明利用遥感影像进行海量信息隐藏的方法的 遥感影像隐藏信息提取方法，包括以下步骤第一步、采用游程编码方法解压缩携带隐藏信息的遥感影像；第二步、根据预设的隐藏数据筛位获取隐藏数据筛区，所述隐藏数据筛区为遥感 影像各像元的隐藏数据筛位的0区或1区；第三步，遥感影像各像元预定的待隐藏数据存储位与隐藏数据筛区对应的区域为隐藏数据存储区；第四步，从隐藏数据存储区中按预设位置密码的顺序提取待隐藏数据形成的二进 制数据流。本发明隐藏信息提取方法与前述信息隐藏方法相对应，其只需如下几个参数即可 实现信息提取1、位置密码；2、隐藏数据筛位；3、隐藏数据筛位的0区还是1区作为隐藏数 据筛区；4、待隐藏数据存储位。隐藏数据筛区源自于遥感影像本身，因遥感影像不同而异，其隐蔽性更好。对于提 取隐藏数据一方，一旦知道前述第2、第3个参数即可将“筛区”轻易分离，并根据预设的待 隐藏数据存储位即可进行数据提�。杉崛⌒畔⑺璨问仙伲沟帽疽匦畔⒁涡� 强且提取易于实现。在信息影藏方法中，如果待隐藏数据形成的二进制数据流为经过加密运算的二进 制数据流，也就是说待隐藏信息经过了加密，那么相应的提取方法中，在完成第四步完成 后，应当对提取的待隐藏数据形成的二进制数据流进行解密运算，根据位置密码恢复隐藏 数据数据流中二进制数码的排列次序，最终获得隐藏信息。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。图1为本发明隐藏数据筛区与隐藏数据存储区示意图。图2为存储有隐藏数据的二值图像示意图。图3为待隐藏数据的加密算法示意图。
具体实施例方式本实施例以假彩色合成的3多波段11位遥感图像为例，对本发明利用遥感影像进 行海量信息隐藏的方法进行描述，其包括以下步骤第一步、设定待隐藏数据字节中二进制数码存入隐藏数据存储区的位序，将该位 序称之为位置密码，本例中采用一个8位的位置密码85213647，其表示待隐藏文件每个字 节中二进制数码的按85213647位次序存储于遥感影像中； 第二步、读取作为隐藏载体的遥感影像数据(3波段11位遥感影像)，将所述遥感 影像每个像元像素值的字节低端5位(预定位)作为待隐藏数据存储位；如果将每个波段遥感影像数据均转化为与遥感影像像元灰度值一一对应的若干 幅二值图像，那么本例中3波段11位遥感影像则转化为33副二值图像(每个波段转化为 11副)，本发明数据隐藏方法的第一步就相当于在这33副二值图像选取与分别于各波段低 端位对应的共15副图像，存储隐藏存储在这15副图像内，但并非所有的单元格都存数据， 这正是本发明的创新点；第三步、在遥感影像像元像素值的隐藏数据存储位以外任取一位(本例取像元像 素值高位的第1位)作为隐藏数据筛位，遥感影像各像元像素值的隐藏数据筛位构成一副 二值图像，遥感影像各像元的隐藏数据筛位的0区作为隐藏数据筛区，当然也可以1区作为 隐藏数据筛区，区域的选择可人为设定；第四步、以所述遥感影像各像元像素值的待隐藏数据存储位对应所述隐藏数据筛 区的区域作为隐藏数据存储区；如图1所示，上方的栅格网络表示为提取遥感图像所有像元的隐藏数据筛位而构 成的一副与该隐藏数据筛位对应的二值图像，该二值图像(栅格网络)中0区定义为隐藏 数据筛区。图中下方的栅格网络为由某一待隐藏数据存储位构成的二值图像。图中向下的 箭头指向的区域(与隐藏数据筛位的0区对应)为隐藏数据存储区。本实施例部分以二值 图像的形式对本发明数据隐藏方法进行直观形象的描述，易于理解，而本实施例的操作过 程中，并未将遥感影像转化为二值图像进行处理。第五步、将待隐藏数据形成的二进制数据流按位置密码的顺序存入所述隐藏数据 存储区内；第六步、对隐藏信息后的遥感影像采用游程编码压缩算法进行无损压缩。本实施例仅中以假彩色合成的3多波段11位遥感图像的遥感影像为例进行描述， 其核心思想在于建立了 “筛区”，并将数据存储于与该筛区对应的各存储区域，这样增加数 据隐藏的隐蔽性，在隐藏数据的时依然保留一些原有图像的轮廓，不易被发现。而且即使被 发现图像中携带有隐藏数据，不知道筛区的选择依然无法将隐藏数据提取出来。筛区引入 实现了对带隐藏数据的筛变换，相当于对数据进行了一次加密，可见本发明利用遥感影像 进行海量信息隐藏的方法在良好隐蔽性基础之上还具有一定的保密性。本发明中，待隐藏数据存储位的选择具有一定灵活性，本例选择了三个波段后5 位进行隐藏信息存储，波段可任意选择，对于一个具体的波段而言，待隐藏数据存储位的数 量甚至在像元灰度值低位的具体位置都可以设置。像元灰度值中，位置越靠后其对图像的 贡献越�。话憬ㄒ榻膊苛娜舾晌蛔魑厥荽娲⑽唬庋酝枷裥畔⒌钠苹翟叫。负蹩梢院雎圆患�。隐藏数据筛位的选择也具有灵活性，比如各波段皆设置隐藏数据 筛位形成隐藏数据筛区，同一波段的隐藏数据存储区与当前波段的隐藏数据筛区对应，那 么三个波段图像就有三个筛区，每个筛区对应一个波段；再比如三个波段中只选取其中一 个隐藏数据筛位，那么形成的一个隐藏数据筛区对应三个波段的待隐藏数据存储位。如果待隐藏数据形成的二进制数据中，0/1的分布具有一定的规律性，往往造成图 像特征的破坏(图2中具有几个明显的条带)，数据隐藏易于被发现。为防止这类由于待加 密的文件本身的特征造成图像特征的破坏，本发明对待隐藏数据形成的二进制数据流进行 加密。如图3所示，本实施例利用一个二值随机数序列，对加密数据进行“加”运算(也可 以是“减”运算)，获得一个变换过的数据流，此时用户加密数据的特征被消除，所得到的新 序列是由加密数据和随机数据复合而成的随机数据序列。加密变换后的数据流打乱了原有 数据规律性的0/1分布，从图像上看更像是噪声，具有一定随机性，进一步提高隐蔽性，并 且经加密的隐藏数据更具保密性。目前，二进制数据流的加密算法较为常见，比如密 钥选用 二进制随机数序列，密钥长度可以人为指定，如1000位的随机数密钥，也可以是整个图像 的像元数。本实施例还提供了一种基于上述所述利用遥感影像进行海量信息隐藏的方法的 遥感影像隐藏信息提取方法，包括以下步骤第一步、采用游程编码方法解压缩携密影像；第二步、根据预设的隐藏数据筛位(遥感影像像元像素值高端第1位)获取隐藏 数据筛区，所述隐藏数据筛区为遥感影像各像元的隐藏数据筛位的0区(也可以是1区，需 要与数据隐藏方法中筛区的建立相对应)，本步骤与信息隐藏方法的第二步类似，可直接参眧.
/、、、 第三步，遥感影像各像元预定的(遥感影像像元像素值低端后5位)待隐藏数据 存储位与隐藏数据筛区对应的区域为隐藏数据存储区，本步骤与信息隐藏方法的第三步类 似，可直接参照；第四步，从隐藏数据存储区中按位置密码的顺序提取待隐藏数据形成的二进制数 据流。如果数据隐藏方法中，对带隐藏数据进行了加密，那么本提取方法中，完成第四步 后，需要对提取的待隐藏数据形成的二进制数据流进行相应的解密运算，获得隐藏信息。除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形 成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
权利要求
一种利用遥感影像进行海量信息隐藏的方法，包括以下步骤第一步、设定待隐藏数据字节中二进制数码存入隐藏数据存储区的位序，将该位序称之为位置密码；第二步、读取作为隐藏载体的遥感影像数据，将所述遥感影像每个像元像素值的字节低端预定位作为待隐藏数据存储位；第三步、在遥感影像像元像素值的隐藏数据存储位以外任取一位作为隐藏数据筛位，遥感影像各像元像素值的隐藏数据筛位构成一副二值图像，遥感影像各像元的隐藏数据筛位的0区或1区作为隐藏数据筛区；第四步、以所述遥感影像各像元像素值的待隐藏数据存储位对应所述隐藏数据筛区的区域作为隐藏数据存储区；第五步、按照位置密码的顺序读取隐藏数据形成的二进制数据流，按序存入所述隐藏数据存储区内；第六步、对隐藏信息后的遥感影像采用游程编码压缩算法进行无损压缩。
2.根据权利要求1所述的利用遥感影像进行海量信息隐藏的方法，其特征是所述待 隐藏数据形成的二进制数据流为经过加密运算的二进制数据流。
3.根据权利要求2所述的利用遥感影像进行海量信息隐藏的方法，其特征是所述加 密运算的密钥为二进制随机数序列。
4.一种基于权利要求1所述利用遥感影像进行海量信息隐藏的方法的遥感影像隐藏 信息提取方法，包括以下步骤第一步、采用游程编码方法解压缩携带隐藏信息的遥感影像；第二步、根据预设的隐藏数据筛位获取隐藏数据筛区，所述隐藏数据筛区为遥感影像 各像元的隐藏数据筛位的O区或1区；第三步，遥感影像各像元预定的待隐藏数据存储位与隐藏数据筛区对应的区域为隐藏 数据存储区；第四步，从隐藏数据存储区中按预设位置密码的顺序提取待隐藏数据形成的二进制数 据流。
5.根据权利要求4所述的遥感影像隐藏信息提取方法，其特征是所述第四步完成后， 对提取的待隐藏数据形成的二进制数据流进行解密运算，获得隐藏信息。
全文摘要
本发明涉及一种利用遥感影像进行海量信息隐藏的方法，属于模式识别中的信息隐藏及信息科学中的数据加密领域，其将海量机密文件存储到遥感影像文件中，具有较强的隐蔽性，本发明将数据仅存储在影像文件的特征区域内，隐藏数据事先经过随机数加密，保持携密图像的带密位仍具有原始图像特征，使得携密后的图像不仅在外观上影像甚微，从而有效地防止这类图像被识别与解密，为私有信息的存储与传递提供安全保障。此外本发明还提供了一种基于该海量信息隐藏的方法的遥感影像隐藏信息提取方法，能有效提取隐藏信息，提取方法简单，易于实现。
文档编号G01S7/48GK101840564SQ20101016615
公开日2010年9月22日 申请日期2010年5月7日 优先权日2010年5月7日
发明者于庆, 王结臣, 蒲英霞, 陈刚, 马劲松 申请人:南京大学
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