基于matlab和python的LSB隐写实现

做一个柔情的程序猿 2021-04-07

1773

LSB隐写技术

LSB全称为 least significant bit，是最低有效位的意思。Lsb图片隐写是基于lsb算法的一种图片隐写术。

在二进制数中意为最低有效位，一般来说，MSB(最高有效位)位于二进制数的最左侧，LSB位于二进制数的最右侧。

由于图像的每一个像素点都是由RGB（红、绿、蓝）三原色组成，而这三种颜色又可以组合成各种其它颜色，每个颜色占8位(如#FFFFFF)，LSB隐写即是修改每个颜色值的最低一位，将其替换为我们想要嵌入的信息中的内容，以此来实现数据隐藏。

一个像素点包含三种颜色，每个颜色修改最后1位，这样一个像素点就可以携带3位信息。

应用LSB算法的图像格式需为位图形式，即图像不能经过压缩，如LSB算法多应用于png、bmp等格式，而jpg格式较少。

首先来讲png图片，png图片是一种无损压缩的位图片形格式，也只有在无损压缩或者无压缩的图片（BMP）上实现lsb隐写。如果图像是jpg图片的话，就没法使用lsb隐写了，原因是jpg图片对像数进行了有损压缩，我们修改的信息就可能会在压缩的过程中被破坏。而png图片虽然也有压缩，但却是无损压缩，这样我们修改的信息也就能得到正确的表达，不至于丢失。BMP的图片也是一样的，是没有经过压缩的。BMP图片一般是特别的大的，因为BMP把所有的像数都按原样储存，没有进行压缩。

png图片中的图像像数一般是由RGB三原色（红绿蓝）组成，每一种颜色占用8位，取值范围为0x00~0xFF，即有256种颜色，一共包含了256的3次方的颜色，即16777216种颜色。而人类的眼睛可以区分约1000万种不同的颜色，这就意味着人类的眼睛无法区分余下的颜色大约有6777216种。

LSB隐写就是修改RGB颜色分量的最低二进制位也就是最低有效位（LSB），而人类的眼睛不会注意到这前后的变化，每个像数可以携带3比特的信息。

上图我们可以看到，十进制的235表示的是绿色，我们修改了在二进制中的最低位，但是颜色看起来依旧没有变化。我们就可以修改最低位中的信息，实现信息的隐写。我修改最低有效位的信息的算法就叫做lsb加密算法，提取最低有效位信息的算法叫做lsb解密算法。

再放两张图加深下理解：

顺序嵌入

顺序嵌入很简单，遍历每个像素点，然后将二进制嵌入最后一位即第八位即可。

画了一个流程图，这里贴上来方便理解：

python版本

首先我用python实现了一个，利用python3的PIL库写起来还是很简单的。直接看代码吧

# coding:utf-8
# python 3.6.6

from PIL import Image
import time

# 将字符串转为二进制
def str_convert_bin(s):
    result = ''
    for c in s:
        b = bin(ord(c)).replace('0b', '')
        b = '0'*(7-len(b))+b
        result = result+b
    return result

# 将二进制转化为字符串
def bin_convert_str(b):
    str=''
    # 将二进制字符串每7位分割，成列表
    b1 = [b[i:i+7] for i in range(0, len(b), 7)]
    for i in range(len(b1)):
        b2 = chr(int(b1[i],2))
        str = str+b2
    return str

# 将二进制字符串嵌入图片像素B通道 im:Image()、bin1:要嵌入的二进制串
def insert(im,bin1):
    size = im.size
    length = len(bin1)
    k=0
    flag=0
    for i in range(size[0]):
        for j in range(size[1]):
            # im.getpixel((i,j))读取像素点(i,j)的像素值
            pixel_b=bin(im.getpixel((i,j))[2]).replace('0b', '')
            if pixel_b[-1:]<bin1[k]:
                # im.putpixel((i,j),(x,y,z))设置像素点(i,j)的RGB值为(x,y,z)
                im.putpixel((i,j),(im.getpixel((i,j))[0],im.getpixel((i,j))[1],im.getpixel((i,j))[2]+1))
            if pixel_b[-1:]>bin1[k]:
                im.putpixel((i,j),(im.getpixel((i,j))[0],im.getpixel((i,j))[1],im.getpixel((i,j))[2]-1))    
            k=k+1 
            if k==length:
                flag=1
                break
        if flag==1:
            break
    print("字符串嵌入完成\n\n")

# 提取字符串 im:Image()、length:二进制字符串长度
def extract(im,length):
    size = im.size
    k=0
    result=''
    flag=0
    for i in range(size[0]):
        for j in range(size[1]):
            pixel_b=bin(im.getpixel((i,j))[2]).replace('0b', '')
            result=result+pixel_b[-1:]
            k=k+1 
            if k==length:
                flag=1
                break
        if flag==1:
            break
    print("提取完成，二进制字符串为：\n%s"%result)
    str = bin_convert_str(result)
    print("转换完成，结果为：\n%s"%str)

def main():
    test_str=input("请输入字符串:\n")
    result = str_convert_bin(test_str)
    print("待嵌入字符串转化为二进制为:\n%s"%result)
    print("开始嵌入....")
    im = Image.open("2.bmp")
    insert(im, result)

    time.sleep(5)
    print("开始提取字符串：")
    extract(im, len(result))

if __name__=='__main__':
    main()

结果：

matlab版本

后续更复杂的隐写还是需要用到matlab，于是乎还是转matlab吧。

matlab就不介绍了，代码写得粗糙，勉强贴上代码：

% LSB隐藏（顺序隐藏）
% 可以隐藏数字、字母、英文字符 ex: hello,world.111
% jpg失真！用png/bmp

clear all;clc;
data=imread('1.png');  % 读入图片
str=input('请输入要潜入的字符串:','s'); % 接收字符串
str_bin_mat=dec2bin(str); % 字符串转二进制矩阵

% 二进制矩阵转字符串
l_str_bin_mat=size(str_bin_mat); %二进制矩阵
str_bin='';
for i=1:l_str_bin_mat(1)
    for j=1:l_str_bin_mat(2)
        str_bin=[str_bin,str_bin_mat(i,j)];
    end
end
disp('待嵌入的字符串二进制形式为');
disp(str_bin);

% 检测是否能够完全嵌入
[l,w,h]=size(data);
if length(str_bin)>=l*w*h
    error('字符长度超出!!!');
end

%嵌入程序
data1=data;
disp('开始嵌入');
flag1=1; %输入字符二进制长度，判断嵌入是否结束
flag2=1;
flag3=1;
for i=1:l
    if flag3==0
        break
    end
    for j=1:w
        if flag2==0
            flag3=0;
            break
        end
        for k=1:h
            if flag1>length(str_bin)
                disp('over');
                flag2=0;
                break
            end
            a=dec2bin(data1(i,j,k),8);%数字取二进制
            data1(i,j,k)=bin2dec([a(1:7),str_bin(flag1)]);%二进制相加，再取十进制  
            flag1=flag1+1;
        end
    end
end
%保存图片
imwrite(data1,'1-2.png')
disp('嵌入完成,保存为1-2.png');

%以下为提取程序
disp('开始提取...')
data2 = imread('1-2.png');
[l,w,h]=size(data2);
str_bin1='';%提取到的二进制字符串
locationx=[];
locationy=[];
locationxy=[];
m=length(str_bin);
flag1=1;
flag2=1;
flag3=1;
for i=1:l
    if flag3==0
        break
    end
    for j=1:w
        if flag2==0
            flag3=0;
            break
        end
        for k=1:h
            if flag1>length(str_bin)
                flag2=0;
                break
            end
            a=dec2bin(data2(i,j,k),8);%十进制转二进制
            str_bin1=[str_bin1,a(8)];% 取最后一个数
            flag1=flag1+1;
        end
    end
end
disp('提取完成!');
disp('提取到的二进制字符串为：');
disp(str_bin1);
disp('开始转换...')

% 二进制转字符串
str2='';
for q=1:length(str_bin1)/l_str_bin_mat(2)
    w=str_bin1((q-1)*l_str_bin_mat(2)+1:q*l_str_bin_mat(2));%w为每七位
    a=bin2dec(w); % 转换为十进制
    if a>9
        str2=[str2,char(a)];
    end
    if a<9
        str2=[str2,a];
    end
end
disp('转换完成');
disp('最终结果为：');
disp(str2);

可以嵌字符，数字，字母，结果如下：

随机LSB隐写

其实这个和顺序差不多，无非就是在遍历像素点的时候，将（i,j)改为随机的点，我们可以写个随机函数随机生成列表X和Y,当要嵌入(i，j)时我们就将其变为(X(i+j), Y(i+j))，为什么不是（X(i), Y(j))读者可以想想（这样不随机）。

接下来看生成随机列表的函数 randomxy.m：

% 随机生成两个列表
% l为长，w为宽，len_str_bin为嵌入二进制长度，key为随机种子
function [x,y]=randxy(l,w,len_str_bin,key)
    %设置随机种子，生成一串随机数
    rand('seed',key);
    disp('hhhhhhhhh');
    x=randperm(l,len_str_bin);
    y=randperm(w,len_str_bin);
    %x = unique(x); %去重处理
    %y = unique(y) ;%去重处理
end

然后看主要代码：

% By gengyanqing
% LSB隐藏（随机隐藏）
% 可以隐藏数字、字母、英文字符 ex: hello,world.111
% jpg失真！用png/bmp

clear all;clc;
data=imread('1.png');  % 读入图片
str=input('请输入要潜入的字符串:','s'); % 接收字符串
str_bin_mat=dec2bin(str); % 字符串转二进制矩阵

% 二进制矩阵转字符串
l_str_bin_mat=size(str_bin_mat); %二进制矩阵
str_bin='';
for i=1:l_str_bin_mat(1)
    for j=1:l_str_bin_mat(2)
        str_bin=[str_bin,str_bin_mat(i,j)];
    end
end
disp('待嵌入的字符串二进制形式为');
disp(str_bin);

% 检测是否能够完全嵌入
[l,w,h]=size(data);
if length(str_bin)>=l*w*h
    error('字符长度超出!!!');
end

%嵌入程序
data1=data;
disp('开始嵌入');
flag1=1; %输入字符二进制长度，判断嵌入是否结束
flag2=1;
flag3=1;
% 调用randxy函数
[x,y]=randxy(l,w,length(str_bin),88);
for i=1:l
    if flag3==0
        break
    end
    for j=1:w
        if flag2==0
            flag3=0;
            break
        end
        for k=1:h
            if flag1>length(str_bin)
                disp('over');
                flag2=0;
                break
            end
            a=dec2bin(data1(x(i+j),y(i+j),k),8);%数字取二进制
            data1(x(i+j),y(i+j),k)=bin2dec([a(1:7),str_bin(flag1)]);%二进制相加，再取十进制  
            flag1=flag1+1;
        end
    end
end
%保存图片
imwrite(data1,'1-2.png')
disp('嵌入完成,保存为1-2.png');

%以下为提取程序
%这里提供了x和y，提取二进制字符串位数的信息
disp('开始提取...')
data2 = imread('1-2.png');
[l,w,h]=size(data2);
str_bin1='';%提取到的二进制字符串
locationx=[];
locationy=[];
locationxy=[];
m=length(str_bin);
flag1=1;
flag2=1;
flag3=1;
for i=1:l
    if flag3==0
        break
    end
    for j=1:w
        if flag2==0
            flag3=0;
            break
        end
        for k=1:h
            if flag1>length(str_bin)
                flag2=0;
                break
            end
            a=dec2bin(data2(x(i+j),y(i+j),k),8);%十进制转二进制
            locationx=[locationx,x(i+j)];%随机点x坐标
            locationy=[locationy,y(i+j)];%随机点y坐标
            locationxy=[locationxy;x(i+j),y(i+j),k];
            str_bin1=[str_bin1,a(8)];% 取最后一个数
            flag1=flag1+1;
        end
    end
end
disp('提取完成!');
disp('提取到的二进制字符串为：');
disp(str_bin1);
disp('开始转换...')

% 二进制转字符串
str2='';
for q=1:length(str_bin1)/l_str_bin_mat(2)
    w=str_bin1((q-1)*l_str_bin_mat(2)+1:q*l_str_bin_mat(2));%w为每七位
    a=bin2dec(w); % 转换为十进制
    if a>9
        str2=[str2,char(a)];
    end
    if a<9
        str2=[str2,a];
    end
end
disp('转换完成');
disp('最终结果为：');
disp(str2);

disp('随机位置分别为');
disp(locationxy);
plot(locationx,locationy);