基于ElGamal的改进最低有效位信息隐藏算法设计.pdf
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1、Software Engineering and Applications 软件工程与应用软件工程与应用,2023,12(4),639-650 Published Online August 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/sea https:/doi.org/10.12677/sea.2023.124062 文章引用文章引用:熊涛,丁海洋.基于 ElGamal 的改进最低有效位信息隐藏算法设计J.软件工程与应用,2023,12(4):639-650.DOI:10.12677/sea.2023.124062 基于基于ElGamal的改进最
2、低有效位信息隐藏算法的改进最低有效位信息隐藏算法设计设计 熊熊 涛,丁海洋涛,丁海洋 北京印刷学院,信息工程学院,北京 收稿日期:2023年7月11日;录用日期:2023年8月17日;发布日期:2023年8月25日 摘摘 要要 当前网络环境下,数据安全与隐私威胁日趋多样化和复杂化,单一使用信息隐藏技术或者图像加密技术当前网络环境下,数据安全与隐私威胁日趋多样化和复杂化,单一使用信息隐藏技术或者图像加密技术进行信息的传输,已经无法满足安全可靠传输的要求,提出了一种信息隐藏和图像加密相结合的方法,进行信息的传输,已经无法满足安全可靠传输的要求,提出了一种信息隐藏和图像加密相结合的方法,对数据进行了
3、双层保护。第一层利用改进最低有效位信息隐藏算法将秘密信息嵌入至载体图像中,第二对数据进行了双层保护。第一层利用改进最低有效位信息隐藏算法将秘密信息嵌入至载体图像中,第二层利用层利用ElGamal加密算法对载体图像进行加密。通过实验证明,该方法能够准确提取秘密信息,可实行加密算法对载体图像进行加密。通过实验证明,该方法能够准确提取秘密信息,可实行性高,在提高数据嵌入量的同时,为数据提供了更高级别的安全性。性高,在提高数据嵌入量的同时,为数据提供了更高级别的安全性。关键词关键词 信息隐藏信息隐藏,图像加密图像加密,EIGamal,改进最低有效位改进最低有效位 ElGamal-Based Impro
4、ved Least Significant Bit Information Hiding Algorithm Design Tao Xiong,Haiyang Ding College of Information Engineering,Beijing Institute of Graphic Communication,Beijing Received:Jul.11th,2023;accepted:Aug.17th,2023;published:Aug.25th,2023 Abstract In the current network environment,data security a
5、nd privacy threats are becoming increa-singly diverse and complex.So the single use of information hiding technology or image encryp-tion technology for information transmission can no longer meet the requirements of safe and reliable transmission,and a method combining information hiding and image
6、encryption is proposed to protect the data in two layers.The first layer uses the improved least significant bit information hiding algorithm to embed the secret information into the carrier image,and the 熊涛,丁海洋 DOI:10.12677/sea.2023.124062 640 软件工程与应用 second layer uses the ElGamal encryption algori
7、thm to encrypt the carrier image.Through expe-riments,it is proved that the method can accurately extract secret information with high imple-mentability and provide a higher level of security for the data while improving the data embed-ding volume.Keywords Information Hiding,Image Encryption,ElGamal
8、,Improvement of the Lowest Effective Bit Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 新型网络环境尤其是云计算和群智感知环境下数据安全与隐私威胁日趋多样化、复杂化和规模化,对传统信息安全保护技术带来了巨大冲击和严峻挑
9、战。人们在日常生活当中无时无刻不在进行数据的传递、信息的交换,这也使得一些非法分子有机可乘,通过窃取他人信息进行非法牟利。因此,信息的安全传输已然成为当今社会人们的重要课题。密码学是研究如何隐密地传递信息的学科,在现代特别指对信息以及其传输的数学性研究,常被认为是数学和计算机科学的分支,和信息论也密切相关。信息隐藏的使用从远古时代就开始了,以限制未经授权的干预对机密内容的检测的方式来交换秘密信息1。信息隐藏技术发展的历史表明,各种方法如隐形墨水、微点、密码术、哈希、隐写术等被引入到载体介质中,以隐藏秘密信息,减少与安全相关的问题1 2。随着数字化时代的发展,人们慢慢发现,单纯的使用密码学技术或
10、者信息隐藏技术进行信息的传输,已经无法满足安全可靠传输的要求,所以有学者开始提出将两者进行结合的方式,即密码学结合信息隐藏,来实现更高可能的安全性。简单来说,在发送方发送秘密数据之前,先将密文数据嵌入到载体之中,再对载体进行加密,通过两者结合的方式,使得数据的保密性大大增强,提高了数据在传输过程中的安全性。加密图像信息隐藏是将图像加密和信息隐藏结合使用的一种技术3 4 5 6 7,发送方使用该技术进行信息的发送,接收方在收到信息之后,需要先对载体图像进行解密,才能提取秘密信息,一定程度上为秘密信息提供了双层保护,提供了更好的安全性8。基于上述情况,本文提出了一种基于信息隐藏和图像加密相结合的方
11、法,对原始待传输的数据以二进制数据流形式通过改进最低有效位的方法嵌入到载体图像中,采用 ElGamal 加密算法对载体图像进行数据加密,将加密后的数据作为信息进行传输,通过将两者结合的方式提升了数据传输的安全性。2.预备知识预备知识 2.1.阶阶 设 n 1,a 和 n 互质,则必有一个 x(1 x n-1)使得:ax 1(mod n),满足 ax 1(mod n)的最小整数 x,称为 a 模 n 的阶。观察方程 ax 1(mod n),根据欧拉定理,若 (n)是方程的一个解,且 (n)是 a 模 n 的阶时,称 a 为 n 的一个本原元。Open AccessOpen Access熊涛,丁海
12、洋 DOI:10.12677/sea.2023.124062 641 软件工程与应用 2.2.本原元本原元 当 a 模 n 的阶为 (n),当且仅当 x 是 (n)的倍数,使得 ax 1(mod n)成立,此时称 a 为 n 的本原元。2.3.离散对数问题离散对数问题 设 p 是素数,g 是 p 的本原元,即 g0,g1,g2,.,gp 2 在 mod p 下产生 1 到 p 1 的所有值,所以对任意 y 1,.,p 1有唯一的 x 0,.,p 2使得 y gx(mod p),称 x 为模 p 下以 g 为底 y 的离散对数,即为 x loggy(mod p 1)。当 g,p,x 已知时,求
13、y 比较容易,但如果已知 g,p,y 且 p 很大,求 x 则非常困难。2.4.EIgamal 密码系统密码系统 ElGamal 加密算法是由 Tather ElGamal(塔希尔盖莫尔)在 1985 年提出的一个基于迪菲赫尔曼密钥(D-H)交换的非对称加密算法。它是一种基于离散对数难题的加密体系,与 RSA 算法一样,都能用于数据加密和数据签名。但是两者的原理不一样,ElGamal 算法基于离散对数问题,而 RSA 算法基于大素数分解困难问题。与 RSA 算法相比,ElGamal 算法的特点就是,哪怕是使用相同的私钥,对相同的明文进行加密,每次加密后得到的签名也各不相同,有效的防止了网络中可
14、能出现的重放攻击,因此,ELGamal 算法得到了广泛的应用9 10。2.4.1.参数定义和密钥生成参数定义和密钥生成 1)随机选择一个大素数 p,且要求 p 1 有大素数因子。再选择一个模 p 的本原元 g,将 p 和 g 公开;2)随机选择一个整数 x 作为密钥,2 x p 2;3)计算 y=gx mod p,取 y 为公钥。2.4.2.加密算法加密算法 1)将 M 编码为一个在 0 到 p 1 之间的整数 m 作为传输的明文;2)随机地选取一个整数 r,2 r p 2;3)C1=gr mod p,C2=m yr mod p;4)密文为(C1,C2)。2.4.3.解密算法解密算法 由密文可
15、得明文 M,M=C2 C1(x)mod p。3.图像加密图像加密 3.1.图像加密概述图像加密概述 数字图像比声音、文字等蕴涵更多的信息量,在多媒体信息中也占有举足轻重的地位。因此,对图像信息处理是信息保密通信中重要的部分。数字图像加密就是在发送端采用一定的算法,如 ECC,RSA 等加密算法作用于一幅待传输的图像明文,在密钥控制下使其变成不可识别的密文,达到图像保密的目的。解密时,在接收端采用相应的算法解密,恢复出原文。一个完整的图像加解密流程应该如图 1 所示。熊涛,丁海洋 DOI:10.12677/sea.2023.124062 642 软件工程与应用 Figure 1.Digital
16、image encryption and decryption flowchart 图图 1.数字图像加解密流程图 3.2.最低有效位最低有效位(LSB)数字水印算法数字水印算法 LSB(Least Significant Bit)数字水印算法是一种常用的数字图像水印技术,用于在数字图像中嵌入隐藏信息,以实现版权保护、身份验证或数据完整性验证等目的。该算法利用数字图像像素中的最低有效位(Least Significant Bit)来嵌入水印信息,因此被称为 LSB 数字水印算法。LSB 数字水印算法的基本思想是将待嵌入的水印信息的二进制比特序列插入到数字图像像素的最低有效位中,从而实现信息的隐
17、藏。最低有效位是指二进制数中的最右边一位,其对图像的视觉影响较小,不容易被察觉到11 12。3.3.改进最低有效位改进最低有效位(LSB)数字水印算法数字水印算法 传统的 LSB 数字水印算法,通过每个像素的最低位隐藏 1 比特的秘密信息,信息被嵌入到数字媒体中的最低有效位中,对于人眼或耳朵来说,这些变化通常是微不可见或听不出来的。该算法通常是将待嵌入图像的像素值,转化为二进制比特流,即将每一位像素值表示成为 8 位二进制比特流,在此基础上通过修改 8 位中的最低位,来嵌入秘密信息。我们观察到,对于载体图像,一个像素值的最低两位,即最低位和次低位两位,穷举其组合位 00,01,11,10。除此
18、之外最低两位不会再有其他组合。我们考虑到嵌入信息,同样也可将其转化为二进制比特流,考虑两两组合的形式,其组合同样为 00,01,11,10。以此推理,当我们需要将秘密信息嵌入到载体图像当中时,以此规律可进行更高效的信息嵌入。此处我们假设秘密信息的两两组合为(a,b),具体方法可分四种情况进行讨论,即(a,b)可以表示(0,0)、(0,1)、(1,1)、(1,0)四种情况进行讨论。1、当嵌入信息(a,b)为(0,0)组合时,载体像素值最低两位为(0,0)或者(0,1)情况时,不需修改(像素值为(0,0)或者仅修改最低位数据(像素值为(0,1)即可完成信息的嵌入。2、当嵌入信息(a,b)为(0,1
19、)组合时,载体像素值最低两位为(0,0)或者(0,1)情况时,不需修改(像素值为(0,1)或者仅修改最低位数据(像素值为(0,0)即可完成信息的嵌入。3、当嵌入信息(a,b)为(1,0)组合时,载体像素值最低两位为(1,0)或者(1,1)情况时,不需修改(像素值熊涛,丁海洋 DOI:10.12677/sea.2023.124062 643 软件工程与应用 为(1,0)或者仅修改最低位数据(像素值为(1,1)即可完成信息的嵌入。4、当嵌入信息(a,b)为(1,1)组合时,载体像素值最低两位为(1,0)或者(1,1)情况时,不需修改(像素值为(1,1)或者仅修改最低位数据(像素值为(1,0)即可完
20、成信息的嵌入。以上我们考虑了四种特殊的组合情况,在对像素值最低两位至多修改一位的情况下即可嵌入两位秘密信息。但当(a,b)为(1,1)或者(1,0)的组合,遇到像素最低两位(0,1)和(0,0)的组合的时候,无法通过修改一位或是不修改位进行数据的嵌入,当(a,b)为(0,0)或者(0,1)的组合,遇到像素值最低两位为(1,1)和(1,0),同样也无法通过仅修改最低位信息位来完成信息的嵌入,此时,我们通过引进标识位,来实现修改最低位来隐藏两位数据。具体逻辑如下:当我们嵌入秘密信息的首位和载体图像像素值的次低位相同时,即上文我们考虑到的四种情况,我们可将标识位置为 0。当我们嵌入秘密信息的首位和载
21、体图像像素值的次低位不同时,我们可将标识为置为 1。即当(a,b)为(1,1)或者(1,0)的组合,遇到像素最低两位(0,1)和(0,0)的组合时和当(a,b)为(0,0)或者(0,1)的组合,遇到像素值最低两位为(1,1)和(1,0)时。改进的 LSB 数字水印算法,以一定的嵌入规则,可实现修改一个最低有效位,嵌入两位数据,实现了从 4 个像素嵌入 4 比特信息,到 4 个像素嵌入 8 比特信息的转变,极大提升了原始 LSB 嵌入算法的容量,且因为只修改了最低有效位,可实现同原本 LSB 数字水印一样的隐蔽性。4.EIGamal 加密隐藏算法加密隐藏算法 Figure 2.Image enc
22、ryption and information embedding flowchart 图图 2.图像加密及信息嵌入流程图 本文所提出的算法是基于非对称密码体制来实现图像加密,系统隐藏和加密主要流程如图 2 所示,图 3 为解密以及信息提取的主要流程,隐藏与加密的具体步骤如下:熊涛,丁海洋 DOI:10.12677/sea.2023.124062 644 软件工程与应用 (1)发送方读取待隐藏的秘密信息;(2)在信息隐藏之前,对图像信息进行预处理,具体算法参考 4.1 部分;(3)读取载体图像的各位上的像素值;(4)将载体图像十进制像素值转化为二进制比特流,提取各个像素值的次低位和最低位;(5
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- 基于 ElGamal 改进 最低 有效 信息 隐藏 算法 设计
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