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摘要
使用数字图像进行秘密通信的艺术和科学被称为图像隐写术。本论文介绍了背后的关键概念。隐写区域的表示会以图形和数学方式显示。本论文概述了这个领域的起源和发展历程，以及数字图像隐写的重要属性和主要的应用。而且提供了隐写检测的介绍，隐写术之间的区别，简要探讨了密码学、水印技术方面的。概述了图像表示的详细方式。本文的重点在于分析隐写域的优点和缺点。详细讨论了将信息嵌入到数字图像中的常用方法，重点研究了当前的隐写术工具。通过示范可用的隐写工具，展示秘密信息是如何被嵌入数字图像中。还提供了不同图像隐写算法之间的比较。
关键词：数字图像隐写；频域；空域；隐写检测
1介绍
互联网和无线网络使得多媒体信息之间的交换成为了可能。强大的软件和日新月异的硬件设备已为全球用户提供具有访问，开发和修改多媒体对象的能力。总会有个人或某些组织尝试解密信息或找到隐藏在数字媒体的秘密信息。关于这些组织可能是，往往想要对公民有所隐藏的政府或者其他想要对竞争对手保护商业秘密的政府活动、公司。总是存在不同的动机来检测隐藏的信息，因此隐藏方式也越来越发达，以此同时隐写术的方式也越来越多。隐写术是一门通过隐藏秘密信息于其他载体中，实现秘密通信的艺术和科学。只有预期的收件人才可以从载体提取并解码隐藏的信息（嵌入秘密信息的数字媒体）。由于数字图像在互联网的通信中被频繁使用，数字图像中被广泛当成载体。在希腊语，隐写术意味着“covered writing”，即隐藏消息的存在性。
在信息安全领域，信息加密和信息隐藏是两个常见的用来保护秘密信息的学科。信息加密或加密是通过使用加密密钥生成干扰消息，所以它变得没有意义。无论加密算法是多么坚不可破，经过加密的信息总会引起怀疑。在某些加密信息被明令禁止的国家，密文本身就会成为罪证。隐写术不是阻止他人获取隐藏信息的手段,但它是防止他们察觉到隐秘信息的存在，因此在某种意义上，隐写术则要优于加密技术。隐藏信息在一个图片中而不是传输一个加密的文件，实际上会更隐秘。在开放系统中，隐写术和加密都不是隐私问题的交钥解决方案。尽管如此，两者都可以促进系统通信和传输的隐蔽性。
以不可察觉的方式将秘密信息嵌入数字媒体的做法被称为水印技术。 例如，为网站销售图片的公司或广告，可以通过使用在图像嵌入水印以确认付款。 因为该技术关联到知识产权保护，因此水印技术应该能够应对任何形式的攻击。隐写术和水印在概念上是不同的。然而，在水印技术中，通信是载体数据和隐藏在版权保护形式数据的受保护信息;而隐写术，通信是秘密信息，载体只是一个表象。
隐写方案在数学上进行如下的定义（主要过程以图形方式表示 如图2所示）：令M表示可嵌入消息的集合C表示载体图像的集合。令k表示从一组密钥K获得的隐秘密钥。两个映射包含在隐写方案中，即嵌入映射（Emb）和提取映射（Ext）。
Emb：CxKxM
Ext：
在这里 Ext (Emb (c, k, m)) = m 对于所有的c，km, C = Emb (c, k, m)指代隐写图像。
在隐写通信中，为了防止秘密信息被检测，发件人和接收方约定使用隐写方法，可以使用秘密（隐写）密钥。 特别的，该密钥在发送方和接收方之间共享，并用于消息嵌入和提取。这样的密钥可能会散布秘密信息在载体图片。
1.1 隐写术：一个简短的历史
隐写术可以追溯到古希腊。几个世纪以来，有信使将消息消息纹在他们的剃光的头上。然后让他们的头发成长出来，让消息隐藏起来，直到他们到达收件人那里，当需要再次剃光头的时候，才能辨认信息。 另一种方法是在那些时候使用的是蜡片来掩盖信息。在这种方法中，文字写在木头上并被一层蜡覆盖，检查时出现空白。
随着世纪之交，一种使用隐形墨水的方法非常受欢迎。二次大战期间，人们尤其使用这种墨水写秘密信息。 加热时，混合变得越来越暗，写入的信息就变显现出来领导。 过了一段时间，德国人介绍了微点技术，其中微点作为类似印刷期间的照片，但使用类似打字机清晰的格式。 它们是放在在一封信或信封中，并且因为它们尺寸很小，几乎察觉不到它们。 微点照片也被隐藏在身体部位，包括鼻孔，耳朵或在指甲下。
文件本身被用来隐藏信息;文档中的文本可以通过隐藏消息，空密码，伪装在一个实际的消息文字中。 使用大多数开放编码的消息，不会引起怀疑，正常浏览文件往往不会被察觉秘密信息。 例如，在世界二战期间，下面的空密码消息由德国a间谍发送：“Apparently neutralrsquo;s protest is thoroughly discounted and ignored. Isman hard hit. Blockade issue affects pretext for embargo on by‑products, ejecting suets and vegetable oils”.通过提取每个单词的第二个字母，经过这样解码上述消息后，隐藏的消息被揭示：“Pershing sails from NY June 1”.
读者参考可以参考资料[14]了解更多古代隐写方法。 Simmons描述了当代隐写术的主要概念，他解释到两个囚犯，爱丽丝和鲍勃，打算越狱。在监狱长夏娃监视下，他们需要以隐蔽的方式沟通，以免引起怀疑。史料记载，探讨在数字媒体中运用隐写术，最早是由Kurak和McHugh提出，这两个人发明了一种使用4个MSB（最高有效位）替代8位的4 LSB的方法。他们表示被嵌入信息的数字图像，之后可以很简单地提取的信息。军方和政府机构正在为自己的秘密信息传输寻找隐写方法。他们也很渴望获取犯罪分子，恐怖分子和其他侵略势力传达的敏锐秘密信息。接下来，政府调查调查基地组织袭击，、他们怀疑隐写术被用来攻击世界贸易中心。
1.2 隐写术：特征与应用
不同功能表征的性能，隐写法最重要的是统计不可检测性，嵌入率和鲁棒性。不可检测是隐写术的的第一要素;这意味着没有现有的方法，可以确定图像中是否存在隐藏的消息。可以隐藏在图像中的最长信息，而不会引起视觉或统计上可检测的伪像被称为嵌入容量（或隐写有效载荷）。嵌入的有效载荷最小化的图片，大多数隐写工具都可以通过隐写检测来避免检测。最小化嵌入信息数量，嵌入类似有效载荷的更改也将减少嵌入的影响，这样的工具也更安全。鲁棒性意味着，隐藏的信息隐藏在图像通过常规图像处理操作，例如缩放，旋转，添加随机噪声和有损压缩，修改之后可以可靠地提取。
理想的隐写方法应该有在每个属性都具有高性能。不幸的是，没有任何方法可以满足所有的属性。 因此，在大多数情况下，存在具体应用中权衡那个属性也是有必要的。 有些应用可能需要隐藏尽可能多的秘密信息，而可能其他人需要一种绝对不可检测到信息的嵌入方式。
隐写术的最主要应用是秘密交流。保密信息以秘密的方式在世界各地传输，在这样的情况下智力是无用的; 例如，秘密代理能够在图像中，通过隐写软件隐藏恐怖分子阵营的位置，并将其发布在论坛或公众讨论板块。 一名在总部的军官，能够从论坛中下载图像，并且潜敌军。
隐写术有各种各样其他有用的应用程序。其中最有趣的是文件认证，注释，银行交易和增强的数据结构。此外，由于可以隐藏信息而不修改载体数据，隐写可以用于实现水印。 隐写术也可以用于异议和犯罪组织。Petitcolas提供了在医疗成像系统中的应用示范：患者的图片里，包含了医师姓名、患者姓名、地址和相关细节。当然，这些细应当是两者之间的联系。因此，在图像中嵌入病人的信息证明了，解决这样的问题这是一个安全的解决方式。
2 隐写检测
随着越来越多的隐写方法被提出，算法改进和增强隐藏信息的能力，检测隐藏信息的方法也随之改进。大多数隐写方法需要改变原始图像属性，并有各种各样的方法检测这些变化。当嵌入的信息被检测到，这样的隐写方法被认为是
不完善的，即解密出秘密信息不是问题。可靠的检测隐藏信息的隐写检测与日俱增。据传闻，儿童色情摄影师和恐怖分子都在利用隐写术。
隐写检测与隐写术密不可分，隐写检测可以研发用于测试隐写术有效性。没有花费相当的时间研究如何攻克难题，不能创建一个有效的隐写方法。隐写检测也可用于计算机取证，尤其是追踪互联网上的犯罪活动，收集反社会活动调查证据，随着和平方面的应用，这也导致了隐写工具安全性的提高。
根据其应用领域，隐写检测方法可以分为通用（盲检测）和特定（定向）。通用隐形方法有检测未知隐写算法的能力，而不用知道实际嵌入过程的详情。这种隐身检测由于其在现实生活中的灵活性和实用性，是非常有优势的方法。而相对于特定隐写检测技术，劣势在于其检测精度低。通用隐写包括两个主要组成部分，即特征提取和特征分类。在特征提取中，从图像数据集中提取一组不同的统计数据。在特征分类中，操作分为两种模式：首先，从载体图片收集不同的统计数据，以及隐写图像用于修整分类器。其次，使用已修整的分类器将输入图像分类为原图，即载体图像，或携带秘密信息的图片，即隐写后的图像。
特定的隐写检测方法使用完整的目标隐写算法的相关知识设计专用的检测器。尽管它不能够检测未知的隐写算法，但是特定隐写检测算法更可靠，且准确检测精度为某种已知隐写方法，还可以扩展到主动隐写检测。此外，个别的隐写检测算法可以有效地在低比特率的情况下，也可以高效预估嵌入位置。有了隐写检测技术的综合分类。
在实际操作中，因为检测者无法知道使用了什么隐写方法，部署特定的隐写检测方法是不可取的，通用隐写检测方法可能就是用于成功检测任何一种隐写算法的正确方式。 确保隐写方法是安全的，需要满足两个关键条件：（1）攻击者不应该知道密钥和（2）攻击者不应该知道原始图像。
2.1 破解隐写术
成功检测每一种情况下的隐写算法是不可能的。但是，有不同的方法从隐秘图像中删除秘密信息。不需要渊博的知识或确信有隐藏信息的存在，就能破坏秘密信息。发送秘密信息的可能方法并不总是能被检测到。尽管如此，有通过任意的组合方法来消除隐秘信息。有一种方法是基于压缩图像的有损压缩。这将删除由LSB隐写算法隐藏的信息。调整图像大小、修该调色板或修改颜色本身也可能删除隐秘信息。转换为不同的压缩类型的图像格式，也可以删除秘密信息。
2.2 统计检测
统计检测主要有两种类型，它们是：图像直方图和峰值信噪比（PSNR）。直方图被视为用于显示数据分布，定量变量的图形。 至于图像，变量或频率被认为是图像的强度值。 使用峰值信噪比（PSNR）作为失真图像的性能测量。通过比较原始图片和隐形后的图像S，PSNR用于测量图像质量。 特别的，这种方法定义为：
PSNR(C,S) =
其中，d表示原始图像的位深，对于灰度图像该值等于8。MSE表示原始图像与隐写图像之间的方差，并被定义为：
MSE(C,S) =
其中和分别表示原始的像素值图像和隐写图像的像素值。M和N 表示原始图片的尺寸。
PSNR值越大，隐写图像质量越好。 PSNR的值低于30 dB意味着低质量，即嵌入失真可以显而易见，而40dB及以上则意味着高品质的隐写图像。
3.数字图像隐写
目前对隐写术的关注度越来越大，可归因于数字媒体的普及和飞速发展的互联网。互联网现在是个人晒图，与亲朋好友分享视频和语音的常见方式。这样的物体已经成为隐藏秘密信息很方便的地方。主要原因是典型的数字媒体文件包含有冗余信息用于嵌入一个秘密信息。 相比其他数字媒体，图像隐写领域是目前最发达的领域，为最常见的图像格式提供了各种隐写方法。截至2008年，图3展示了在数字媒体中隐藏秘密信息的隐写应用数量。
3.1 计算机中的数字图像
计算机图像文件通常通过电子邮件、网站和其他在互联网上的数字方式共享。在秘密沟通中，计算机图像文件被认为是数字载体的好候选方案。数字图像被表示为表示所调用的各个点强度的数值矩阵像素。事实上，这些像素构成了图像的栅格数据。比特深度被称为在一个配色方案中的位数量，这个数量用于每个像素。目前的配色方案，最微小的位深是8，即8位用于描述每个像素的颜色。截至2008年，图1显示隐藏信息应用程序隐写应用的数量。
单色和灰度图像使用每个像素8位，能够呈现共有256（）种不同颜色或灰度。图片数字颜色主要保存在24位文件中作为真正的颜色，其中RGB颜色模型被使用于图像。一个24位图像像素的颜色组合来自三原色：红色（R），绿色（G）和蓝色（B），使用8位表示每种原色。因此，在一个单一的像素，总共有256种不同的红色，绿色和蓝色，总共超过1600万种组合，达到1600多万种颜色。一个像素的红色值为255，绿色和蓝色值为0会显现出红色。一个24位彩色图像分辨率为1024times;768，可以隐藏大约2.36MB的数据。
图1 在数字媒体中隐藏秘密信息的隐写应用的数量。很明显，数字图像是最常见的载体。
为了达到合理显示图像的目的，必须加入减少图像的文件大小的方法。 有两种类型的图像压缩方法，即有损压缩和无损压缩。尽管它们的实现有所不同，但是两者都能节省存储空间。有损压缩通过处理掉原始图像的额外数据，产生较小的文件大小。 它处理掉对人眼来说太小的细节信息，这导致原始图像的近似值不是一个准确的副本。 使用这种压缩方法的图片格式是JPEG（Joint Photographic Experts Group）。由于其体积小，这个图片格式是互联网上使用最广泛的图像文件格式。
在选择隐写算法中压缩技术起到重要作用;有损压缩最有可能减少一部分秘密消息，多余的图像数据将被消除。另一方面，无损压缩可防止秘密信息最轻微地丢失，但无法压缩图片大小。对于两种压缩类型，已经提出了各种隐写算法。
现今常用的隐写方法将秘密信息嵌入到数字图像。这些方法利用了人类视觉系统（HVS）的弱点。 任何文本或数字图像都可以嵌入到数字图像中。当将秘密信息嵌入到图像中时，根据嵌入的信息图像的像素被改变。 大多数数字格
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