基于加密与LSB算法的图像信息隐写与提取系统

资 源 简 介

本项目旨在MATLAB环境下实现一套结合数据加密与最低有效位（LSB）替换技术的数字图像隐写系统。系统首先对待隐藏的秘密信息进行预处理，通过加密算法（如AES、RSA或简单的异或位操作）将文本或小型图像转换为不可直接解析的加密二进制流，从而在信息隐藏的基础上增加第二层安全防护。在嵌入阶段，系统读取载体图像的像素数据，并根据LSB算法原理，将加密后的二进制位依次替换载体图像像素值的最低有效位。由于LSB替换仅对像素值产生极小影响（通常为±1），因此含密图像在视觉上与原始图像几乎无异，实现了良好的隐蔽性。提取

详 情 说 明

基于加密与LSB替换的图像信息隐藏与提取系统

项目介绍

本项目是在 MATLAB 环境下实现的一套数字图像隐写系统，结合了对称加密技术与最低有效位（LSB）替换算法。系统的核心目标是在保证图像视觉质量的同时，通过加密和隐写两层防护手段实现秘密信息的安全传输。用户可以向图像中嵌入经过加密的文本流，并在之后通过逆向过程完整、准确地提取和还原原始信息。

主要功能特性

1. 自动载体处理：系统具备自愈性，若当前环境缺失载体图像，会自动生成一张 512x512 的灰度渐变测试图。同时支持将彩色图像自动转换为灰度图像以简化算法复杂度。
2. 双层安全防护：

* 第一层（加密层）：利用特定密钥控制伪随机数生成器，对秘密信息比特流进行异或（XOR）加密，确保即使隐写位被发现，攻击者也无法直接解析内容。 * 第二层（隐藏层）：采用经典 LSB 算法，将加密数据嵌入像素的最低有效位。

1. 自描述信息结构：在嵌入秘密数据前，系统动态计算并添加 32 位的长度头信息，使得提取过程无需手动输入字数，实现了自动化提取。
2. 质量客观评估：集成 MSE（均方误差）和 PSNR（峰值信噪比）计算模块，通过数值量化隐写操作对原始图像造成的失真程度。
3. 可视化分析界面：系统可一键生成多维度对比图，包括原始图、含密图、增强后的灰度差异图、直方图对比以及系统运行状态实时报告。

系统要求

• 运行环境：MATLAB R2016b 或更高版本。
• 工具箱需求：Image Processing Toolbox（图像处理工具箱）。
• 硬件要求：标准桌面或笔记本电脑，至少 4GB 内存。

详细实现逻辑及流程

1. 载体与数据预处理

系统首先加载指定的 carrier 图像。如果图像为 RGB 彩色格式，则调用算法将其转换为单通道灰度图。随后，系统将预定义的秘密字符串转换为 8 位二进制编码。为了确保提取时的准确性，系统会计算二进制流的总长度，并将其转换为一个 32 位的二进制头。

2. 异或加密实现

在信息嵌入之前，系统利用用户设定的加密密钥初始化随机数种子（rng）。根据秘密信息的总长度生成一组伪随机比特序列，并将原始信息比特流与该随机序列进行异或运算。这一步骤将明文转换为看似随机的加密二进制流。

3. LSB 信息嵌入算法

系统采用空间域隐写技术。首先将二维图像矩阵展开为一维向量，计算嵌入容量是否满足要求（信息位 + 32位长度头）。在嵌入时，使用位设置函数（bitset）将每个像素值的第 1 个比特（最低位）替换为对应的加密信息位。嵌入完成后，将向量还原为图像矩阵格式并保存。

4. 提取与解密流程

提取阶段是嵌入的逆过程：

• 长度识别：从含密图像的前 32 个像素中提取 LSB 位，解析出秘密信息的总位长度。
• 比特流提取：根据解析出的长度，从后续像素中依次提取存储加密位的比特。
• 逆向解密：使用与嵌入阶段相同的密钥再次初始化随机数种子，产生相同的伪随机序列，与提取的比特流进行异或运算，利用异或运算的可逆性还原出原始二进制流。
• 文本重构：将还原的比特流按 8 位一组重新组合，并映射回对应的字符。

5. 评价指标计算

系统通过对比原始图像与含密图像的像素值差异来评估性能。MSE 反映了平均像素改变量，而 PSNR 则以分贝（dB）为单位衡量图像的保真度。通常 PSNR 值高于 30dB 表示肉眼难以察觉两者的区别。

关键函数与算法说明

• bitset / bitget：这是 LSB 算法的核心。bitset 用于将特定位置的比特改为目标值，而不影响其他位；bitget 用于从指定像素值中读出特定的二进制位。
• rng / randi：实现流加密算法的关键。通过固定种子（Key）产生可重复的随机比特序列，实现加密与解密的同步。
• imhist：用于生成直方图。通过对比嵌入前后的直方图，可以分析隐写算法对图像统计特性产生的影响。
• dec2bin / bin2dec：实现十进制、字符串形式与二进制位流相互转换的基础工具。