信息嵌入技术【2】

仓库地址:https://github.com/guofei9987/HideInfo

Info Hiding Library
一些原理简洁的信息隐藏方法

算法 说明
幻影坦克 使图片在不同的背景下显示不同的图片
化物为图 把数据以图片形式存放
藏物于图 把数据藏在图片中
图种 把图片和文件黏在一起,并存为图片
EXIF 把一段信息放到图片的EXIF中
藏物于音 把数据隐藏在音频文件中
化物为音 把数据以音频的形式存放
藏物于文 把数据隐藏在文本中

安装

pip install HideInfo

幻影坦克

功能:一个带透明通道的图片,使其在黑色背景下显示图片A,在白色背景下显示图片B

说明

  • 一般情况下,手机/浏览器的预览和点击大图分别使黑色背景和白色背景,因此有”预览是一张图片,点开是另一张图片”的效果
  • 代码:example/example_mirage_tank.py

背景知识:

  • PNG 有4个通道,除了RGB之外,还有个 alpha 通道(透明通道)
    • RGB 通道全部为 255 表示纯白色,全部为 0 表示纯黑色
    • alpha 通道值为 0 表示完全透明,值为 255 表示完全不透明
  • 对于一个 PNG 图片,假设某个像素的 RBG 值分别是 R、G、B,透明通道值为 a,底色像素值为 $x_R, x_G, x_B$
  • 在页面显示出的像素值为:
    • $R_{final} = \dfrac{\alpha}{255} R +(1-\dfrac{\alpha}{255})x_R$
    • $G_{final} = \dfrac{\alpha}{255} G +(1-\dfrac{\alpha}{255})x_G$
    • $B_{final} = \dfrac{\alpha}{255} B +(1-\dfrac{\alpha}{255})x_B$

原理(灰度图)

  • 目的是计算出灰度图的两个通道 P 和 a,使其在纯白色背景下显示 A,在纯黑色背景下显示 B
  • 联立方程:
    • 白色背景下显示 A:$\dfrac{\alpha}{255} P +(1-\dfrac{\alpha}{255})255 = A$
    • 黑色背景下显示 B:$\dfrac{\alpha}{255} P +(1-\dfrac{\alpha}{255})0 = B$
  • 其中 白色 = 255,黑色 = 0,代入方程,解得
    • $\alpha=255-(A-B)$
    • $P=255B/\alpha$ 或者 $P=\dfrac{A-(255-\alpha)255}{\alpha}$
    • 因为计算过程中数据可能溢出,因此两个值可能不一样,希望哪个图的质量更好就用哪个
  • 另外,数据不能溢出,这要求 $A>B$,也就是 A 比较亮,B 比较暗

原理(彩色图片)

  • 对于1个像素点而言,RGB三通道得到 6 个方程,而只有 4 个未知数,如下:
    • 白色背景
      • $\dfrac{\alpha}{255} R +(1-\dfrac{\alpha}{255})255 = A_R$
      • $\dfrac{\alpha}{255} G +(1-\dfrac{\alpha}{255})255 = A_G$
      • $\dfrac{\alpha}{255} B +(1-\dfrac{\alpha}{255})255 = A_B$
    • 黑色背景
      • $\dfrac{\alpha}{255} R +(1-\dfrac{\alpha}{255})0 = B_R$
      • $\dfrac{\alpha}{255} G +(1-\dfrac{\alpha}{255})0 = B_G$
      • $\dfrac{\alpha}{255} B +(1-\dfrac{\alpha}{255})0 = B_B$
  • 方程大概率是无解的
    • 方案1:用最优化方法使 6 个方程尽可能的近似成立
    • 方案2:作为近似,计算 a 的时候,使用 A 和 B 对应的 grey 值,用得到的 a 计算 P

彩图方案2算法步骤

  1. 输入 图片 A,B,其 RGB 通道记为 $A = [A_R, A_G, A_B], B = [B_R, B_G, B_B]$
  2. 计算其对应的灰度值,记为 $A_{grey}, B_{grey}$,也可以使用平均值
  3. 计算 alpha = 255 - (A_grey - B_grey),然后 clip 保证其值范围在 0-255
  4. 计算结果图片的 RBG 通道,[R, G, B] = (A-(255-alpha))/(alpha/255)

以上算法的评价

  1. 在纯白背景下显示为 $\dfrac{\alpha}{255}RGB+\dfrac{255-\alpha}{255} 255$
    • $=\dfrac{\alpha}{255}\dfrac{A-(255-\alpha)}{\alpha/255}+\dfrac{255-\alpha}{255} 255$
    • $=A$
  2. 在纯黑背景下显示为 $\dfrac{\alpha}{255}RGB+\dfrac{255-\alpha}{255} 0$
    • $=\dfrac{\alpha}{255}\dfrac{A-(255-\alpha)}{\alpha/255}$ = $A-A_{grey}+B_{grey} $
  3. 以上是理论情况,实际情况是,参与运算的各个值都是 uint8 类型,因此每个算式都会有偏差。尤其是 $A_{grey} - B_{grey}$ 接近 255 时,$\alpha$ 接近 0,它作为分母取整会导致值剧烈变化。
    • 最极端的情况,如果 A=255,B=0,那么 a=0,但是 a 之后作为除数了
    • 后果就是:合成图片在白色背景下,还是能隐约看到图片 B 的一些轮廓
  4. 如果某个位置的像素点 B 值 比 A 值大,那么合成的透明通道值为 255,RGB 值等于图片 A 的值,也就是说,B 像素点不在结果中体现
  5. 为了解决以上问题,可以先把图片 B 的范围做个映射,使 B 的值不要太小(为了规避取整带来的结果波动问题),同时使 B 值不要太大(为了规避 B>A 时 B 不再显示的问题),使用线性映射 B = a * B + b
    • 效果:a 越大,在黑色背景下 B 越清晰,但是在白色背景下 A 越可能隐约看到 B
    • 调整两个参数有些费劲,为了减少一个参数,可以添加限制 a * 255 + b < img1_avg,从而令 b = img1.mean() - 255 * a

缩放藏图

效果:一张图片缩放后,变成另一张图片

原理:

  • 缩小图片时,如果使用近邻法,缩放过程就是把指定的像素提取,然后组成一个新图片。
  • 如果事先把这些像素找到,并替换成另一个图片,那么就能够得到“缩放前是图片A,缩放后是图片B”的效果了

限制:

  • 必须是 PNG,不能是 JPG 格式
  • 缩放后的大小是确定的,才能显示图片B
  • 缩放算法必须是近邻法
  • 操作系统自带的缩放算法未必和嵌入算法一致,因此最好用代码来统一(这样做这算法好像使用范围很窄了)

额外

  • 可以做多层嵌套,效果是:缩小图片后得到图片B,再次缩小后得到图片C

代码示例:https://github.com/3150601355/SimpleScaleDown



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