LSB算法分析与实现数字水印LSB简介算法分析实现步骤程序设计结果展示附录

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我是靠谱客的博主顺心树叶，最近开发中收集的这篇文章主要介绍LSB算法分析与实现数字水印LSB简介算法分析实现步骤程序设计结果展示附录，觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

Title:《LSB算法分析及实现》

Author: Hugu

Started Date: Oct. 10th. 2019.

Finished Date: Oct. 11th. 2019.

数字水印

数字水印（Digital Watermark）是一种应用计算机算法嵌入载体文件的保护信息，数字水印技术是一种基于内容的、非密码机制的计算机信息隐藏技术，它是将一些标识信息（即数字水印）直接嵌入数字载体当中（包括多媒体、文档、软件等）或是间接表示（修改特定区域的结构），且不影响原载体的使用价值，也不容易被探知和再次修改，但可以被生产方识别和辨认。

常用的数字水印有很多种，LSB是其中一种简单的隐写算法。

LSB简介

LSB全称为 Least Significant Bit（最低有效位），是一种常被用做图片隐写的算法（在CTF中经常见到她的身影）。LSB属于空域算法中的一种，是将信息嵌入到图像点中像素位的最低位，以保证嵌入的信息是不可见的，但是由于使用了图像不重要的像素位，算法的鲁棒性差，水印信息很容易为滤波、图像量化、几何变形的操作破坏。

算法分析

PNG和BMP图片中的图像像素一般是有由RGB三原色组成（如图1所示），每一种颜色占用8位，取值范围为0x00~0xFF，既有 $2^{24}$ 种色值。而人类的眼睛可以区分约1000万种不同的颜色，这就意味着人类眼睛无法区分的颜色还有600多万。

rgb

图1

当仅仅更改颜色分量的最低位时，人类的眼睛不能区分这前后的变化，LSB就是在该位置存放信息。如图2所示。

lsb

图2

实现步骤

将图像文件中的所有像素点以RGB形式分隔开，并将各个颜色分量转换成二进制表示
把每个颜色分量值的最后一位全部设置成0，对图像得影响非常细微，不会影响图像的显示格式
信息嵌入：将水印字符转化为二进制字符串，并将这些信息依次填入颜色分量的最低位上，即可完成信息的嵌入
信息提取：将图像像素的最低位依次提取出来，并进行拼接，即可得到原始信息

程序设计

嵌入信息框图：

lsb-embed

提取信息框图：

lsb-extract

文档结构：

文档结构

程序主界面：

主界面

主界面代码:

using System;
using System.Windows.Forms;
namespace LSBAlgorithmDemo
{
public partial class MainFrm : Form
{
#region 定义全局变量
Form frm;
#endregion
#region 构造函数
public MainFrm()
{
InitializeComponent();
}
#endregion
#region 嵌入按钮得Click事件
private void btnEnbed_Click(object sender, EventArgs e)
{
frm = new InfoEmbedmentFrm();
this.Hide();
if(frm.ShowDialog() == DialogResult.Cancel)
{
this.Show();
}
else
{
Application.Exit();
}
}
#endregion
#region 提取按钮的Click事件
private void btnExtract_Click(object sender, EventArgs e)
{
frm = new InfoExtractionFrm();
this.Hide();
if (frm.ShowDialog() == DialogResult.Cancel)
{
this.Show();
}
else
{
Application.Exit();
}
}
#endregion
}
}

嵌入界面：

嵌入界面

嵌入界面代码：

using System;
using System.Drawing;
using System.IO;
using System.Windows.Forms;
namespace LSBAlgorithmDemo
{
public partial class InfoEmbedmentFrm : Form
{
#region 定义全局变量
private string fileName;
private LSBHelper lsb;
private string msg = null;
private MemoryStream memStream = null;
#endregion
#region 构造函数
public InfoEmbedmentFrm()
{
InitializeComponent();
// 初始化界面
Form_Init(0);
}
#endregion
#region 设置显示界面
/// <summary>
/// 设置显示界面
/// </summary>
/// <param name="flag">0:初始化、下载之后;1:图片加载之后;2:图片嵌入之后
/// </param>
private void Form_Init(int flag)
{
if(flag == 0)//初始化、下载之后
{
// 设置界面显示的起始位置
this.StartPosition = FormStartPosition.CenterScreen;
// PictureBox控件
pBoxDisplay.SizeMode = PictureBoxSizeMode.StretchImage;
// 两个必须都要设置（因两次的加载途径不一样）
pBoxDisplay.ImageLocation = null;
pBoxDisplay.Image = null;
// RichTextBox控件
rtbInfo.Clear();
rtbInfo.ReadOnly = true;
// Button控件
btnDownloadImage.Enabled = false;
btnEmbedInfo.Enabled = false;
btnLoadImage.Enabled = true;
btnLoadImage.Focus();
}
else if(flag == 1)//图片加载之后
{
// RichTextBox控件
rtbInfo.Clear();
rtbInfo.ReadOnly = false;
rtbInfo.Focus();
// Button控件
btnDownloadImage.Enabled = false;
btnEmbedInfo.Enabled = true;
btnLoadImage.Enabled = true;
}
else if(flag == 2)//图片嵌入之后
{
// Button控件
btnDownloadImage.Enabled = true;
btnEmbedInfo.Enabled = true;
btnLoadImage.Enabled = true;
btnDownloadImage.Focus();
}
}
#endregion
#region 加载图片的事件
private void btnLoadImage_Click(object sender, EventArgs e)
{
// 再次单击加载图片按钮时，回到初始化状态
Form_Init(0);
// 设置打开对话框的标题
openImageDialog.Title = "请选择一张位图";
// 对文件格式进行筛选
openImageDialog.Filter = "bmp | *.bmp;*.BMP";
// 默认设置为空
openImageDialog.FileName = "";
if (openImageDialog.ShowDialog() == DialogResult.OK)
{
// 存储打开文件的全文件名
fileName = openImageDialog.FileName;
// 设置显示图片的样式
pBoxDisplay.SizeMode = PictureBoxSizeMode.StretchImage;
// 加载要显示的图片
pBoxDisplay.ImageLocation = fileName;
// 设置显示界面
Form_Init(1);
}
}
#endregion
#region 嵌入文本的事件
private void btnEmbedInfo_Click(object sender, EventArgs e)
{
// 已经在界面设置中代替
if (string.IsNullOrWhiteSpace(fileName))
{
MessageBox.Show("请选择一张位图", "提示", MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Information);
}
else if (string.IsNullOrWhiteSpace(rtbInfo.Text))
{
MessageBox.Show("请输入要嵌入的文本信息", "提示", MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Information);
}
else
{
lsb = new LSBHelper();
if (lsb.EmbedInfo(fileName, rtbInfo.Text, out msg, out memStream))
{
pBoxDisplay.ImageLocation = null;
//pBoxDisplay.ImageLocation = "C:\Users\ss\Desktop\664204.bmp";
pBoxDisplay.Image = Image.FromStream(memStream);
MessageBox.Show(msg, "提示", MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Information);
// 设置显示界面
Form_Init(2);
}
else
{
MessageBox.Show(msg, "提示", MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Error);
}
}
}
#endregion
#region 下载图片按钮触发的事件
private void btnDownloadImage_Click(object sender, EventArgs e)
{
if (memStream != null)
{
saveImageDialog.Filter = "位图（*.bmp）|*.bmp";
if (saveImageDialog.ShowDialog() == DialogResult.OK)
{
FileStream fs = null;
BinaryWriter bw = null;
try
{
fs = new FileStream(saveImageDialog.FileName, FileMode.Create, FileAccess.Write);
bw = new BinaryWriter(fs);
// 指针回位（每次操作之前都要先操作一下）
memStream.Position = 0;
while (memStream.Position != memStream.Length)
{
// ReadByte()强制转换成Int32类型
byte write = Convert.ToByte(memStream.ReadByte());
bw.Write(write);
}
MessageBox.Show("图片下载成功", "提示", MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Information);
//设置显示界面
Form_Init(0);
}
catch (Exception ex)
{
MessageBox.Show(ex.Message, "提示", MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Information);
}
finally
{
fs.Close();
bw.Close();
}
}
}
}
#endregion
}
}

提取界面：

提取界面

提取界面代码：

using System;
using System.IO;
using System.Windows.Forms;
namespace LSBAlgorithmDemo
{
public partial class InfoExtractionFrm : Form
{
#region 定义全局变量
private string fileName;
private MemoryStream memorystream = null;
private string info = null;
private string msg = null;
#endregion
#region 构造函数
public InfoExtractionFrm()
{
InitializeComponent();
// 初始化展示界面
Form_Init(0);
}
#endregion
#region 界面设置操作
/// <summary>
/// 界面设置操作
/// </summary>
/// <param name="flag">
/// 0:初始化
/// 1:提取之后
/// </param>
private void Form_Init(int flag)
{
if(flag == 0)
{
// 设置界面显示位置
this.StartPosition = FormStartPosition.CenterScreen;
// 设置PictureBox控件
pBoxDisplay.SizeMode = PictureBoxSizeMode.StretchImage;
pBoxDisplay.ImageLocation = null;
// 设置RichTextBox控件
rtbInfo.Clear();
rtbInfo.ReadOnly = true;
// 设置Button控件
btnLoadImage.Enabled = true;
btnExtractInfo.Enabled = false;
}
else if(flag == 1)
{
// 设置RichTextBox控件
rtbInfo.Clear();
// 设置Button控件
btnLoadImage.Enabled = true;
btnExtractInfo.Enabled = true;
}
}
#endregion
#region 加载图片
private void btnLoadImage_Click(object sender, EventArgs e)
{
Form_Init(0);
// 设置打开对话框的标题
openImageDialog.Title = "请选择一张已嵌入信息的位图";
// 对文件格式进行筛选
openImageDialog.Filter = "bmp | *.bmp;*.BMP";
openImageDialog.FileName = "";
if (openImageDialog.ShowDialog() == DialogResult.OK)
{
// 存储打开文件的全文件名
fileName = openImageDialog.FileName;
// 设置显示图片的样式
pBoxDisplay.SizeMode = PictureBoxSizeMode.StretchImage;
// 加载要显示的图片
pBoxDisplay.ImageLocation = fileName;
Form_Init(1);
}
}
#endregion
#region 提取信息
private void btnExtractInfo_Click(object sender, EventArgs e)
{
// 图片是否加载
if (string.IsNullOrWhiteSpace(fileName))
{
MessageBox.Show("请选嵌入文字的位图", "提示", MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Information);
return;
}
else
{
try
{
LSBHelper lsb = new LSBHelper();
// 将图像存入内存流中
using (FileStream fileReadStream = new FileStream(fileName, FileMode.Open, FileAccess.Read))
{
using (BinaryReader br = new BinaryReader(fileReadStream))
{
byte write;
memorystream = new MemoryStream();
for (int i = 1; i <= fileReadStream.Length; i++)
{
write = br.ReadByte();
memorystream.WriteByte(write);
}
// 回位操作
memorystream.Position = 0;
}
}
// 信息提取
if (lsb.ExtractInfo(memorystream, out info, out msg))
{
// 将提取到的信息展示在文本控件中
rtbInfo.Text = info;
}
else
{
MessageBox.Show(msg, "警告", MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Warning);
}
}
catch (Exception ex)
{
MessageBox.Show(ex.Message, "警告", MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Warning);
}
finally
{
// 释放占用的资源
memorystream.Dispose();
}
}
}
#endregion
}
}

LSBHelper代码：

using System;
using System.IO;
namespace LSBAlgorithmDemo
{
public class LSBHelper
{
#region 定义全局变量
FileStream fileReadStream = null;
MemoryStream memStream = null;
BinaryReader br = null;
#endregion
#region 用于判断图片是否为Bitmap格式
/// <summary>
/// 用于判断图片是否为Bitmap格式
/// </summary>
/// <param name="imgFormat">图片前几个字节</param>
/// <returns>返回判断结果</returns>
private bool IsBitmap(byte[] imgFormat)
{
// 判断类型表示字节是否为2
if (imgFormat.Length == 2)
{
// 判断标识字节是否为：42 4d
if (imgFormat[0] == 0x42 && imgFormat[1] == 0x4d)
{
// 是Bitmap
return true;
}
else
{
return false;
}
}
else
{
return false;
}
}
#endregion
#region 判断文本信息能否写入图片中
/// <summary>
/// 判断文本信息能否写入图片中
/// </summary>
/// <param name="streamSize">图片流的字节个数</param>
/// <param name="infoSize">文本信息的字符个数</param>
/// <returns>返回判断结果</returns>
private bool CanEmbed(long streamSize, long infoSize)
{
if (streamSize < (infoSize * 16 + 54))
{
return false;
}
else
{
return true;
}
}
#endregion
#region 判断指定文件是否存在
/// <summary>
/// 判断指定文件是否存在
/// </summary>
/// <param name="fullFileName">文件全名称</param>
/// <returns>返回判断结果</returns>
private bool IsFileExists(string fullFileName)
{
return File.Exists(fullFileName);
}
#endregion
#region 判断图像中是否写入信息
private bool IsEmabed(MemoryStream memorystream)
{
// 复位
memorystream.Position = 0;
memorystream.Seek(54L, 0);
byte reader;
char ch;
int temp = 0;
int state = 0;
int index = 0;
while((index = memorystream.ReadByte()) > 0 && index != memorystream.Length)
{
temp = 0;
for (int k = 0; k < 16; k++)
{
reader = Convert.ToByte(memorystream.ReadByte());
temp += (reader & 0x01) << k;
}
ch = Convert.ToChar(temp);
if (ch == '#')
state++;
}
if (state == 2)
{
return true;
}
else
{
return false;
}
}
#endregion
#region 将待写入图片的信息转成"# + info + #"的格式并储存在tempChs字符数组中
/// <summary>
/// 将待写入图片的信息转成"# + info + #"的格式并储存在tempChs字符数组中
/// </summary>
/// <param name="info"></param>
/// <returns></returns>
private char[] GetTempChsFromInfo(string info)
{
// 将文本信息转成Unicode字符值并存储在char数组中
char[] infoToChs = new char[info.Length];
for (int i = 0; i < info.Length; i++)
{
infoToChs[i] = Convert.ToChar(info[i]);
}
// 将待写入图片的信息转成指定格式并储存在tempChs字符数组中
char[] tempChs = new char[(info.Length + 2) * 16];
// 前导符“#”：16位
for (int n = 0; n < 16; n++)
{
tempChs[n] = Convert.ToChar(0x0001 & ('#' >> n));
}
// 原主要信息
int k;
for (k = 1; k < infoToChs.Length + 1; k++)
{
for (int n = 0; n < 16; n++)
{
tempChs[16 * k + n] = Convert.ToChar(0x0001 & infoToChs[k - 1] >> n);
}
}
// 后导符“#”：16位
for (int n = 0; n < 16; n++)
{
tempChs[16 * k + n] = Convert.ToChar(0x0001 & '#' >> n);
}
return tempChs;
}
#endregion
#region 向Bitmap中嵌入信息
public bool EmbedInfo(string fullFileName, string info, out string msg, out MemoryStream memory)
{
// 判断指定图片是否存在
if (!IsFileExists(fullFileName))
{
msg = "请确认指定的图片是否存在";
memory = null;
return false;
}
try
{
// 得到图片的字节流读取器
fileReadStream = new FileStream(fullFileName, FileMode.Open, FileAccess.Read);
br = new BinaryReader(fileReadStream);
// 读取图片的标识符
byte[] imgFormat = new byte[2];
imgFormat[0] = br.ReadByte();
imgFormat[1] = br.ReadByte();
br.BaseStream.Position = 0;
// 判断指定图片是否为Bitmap格式
if (!IsBitmap(imgFormat))
{
msg = "请选择Bitmap格式的图片";
memory = null;
return false;
}
// 判断指定图片是否能够写下信息
if (!CanEmbed(fileReadStream.Length, info.Length))
{
msg = "该图片无法写下指定的全部信息，请选择更大尺寸的Bitmap图片";
memory = null;
return false;
}
// 将待写入图片的信息转成指定格式并储存在tempChs字符数组中
char[] tempChs = GetTempChsFromInfo(info);
// 使用LSB算法将整合后的文件流写入内存流中
memStream = new MemoryStream();
byte write;
for (int i = 1, j = 0; i <= fileReadStream.Length; i++)
{
write = br.ReadByte();
// 前54字节不能动
if (i <= 54)
{
memStream.WriteByte(write);
}
else
// 在数据区写入信息
{
if (j < tempChs.Length)
{
memStream.WriteByte(Convert.ToByte((write & 0xfe) + tempChs[j]));
}
else
{
memStream.WriteByte(write);
}
j++;
}
}
memStream.Position = 0;
msg = "信息已成功嵌入图片中";
memory = memStream;
return true;
}
catch (Exception ex)
{
msg = ex.Message;
memory = null;
return false;
}
finally
{
// 执行完毕之后一定要关闭创建的资源
fileReadStream.Close();
//memStream.Close();
br.Close();
}
}
#endregion
#region 提取Bitmap中的信息
public bool ExtractInfo(MemoryStream memorystream, out string info, out string msg)
{
#region 读取图片的标识符并判断文件是否为指定类型
// 读取图片的标识符
byte[] imgFormat = new byte[2];
imgFormat[0] = Convert.ToByte(memorystream.ReadByte());
imgFormat[1] = Convert.ToByte(memorystream.ReadByte());
memorystream.Position = 0;
// 判断指定图片是否为Bitmap格式
if (!IsBitmap(imgFormat))
{
info = null;
msg = "请选择Bitmap格式的图片";
return false;
}
#endregion
#region 提取信息
// 回位
memorystream.Position = 0;
memorystream.Seek(54L, 0);
byte reader;
char ch;
int temp = 0;
int state = 0;
info = "";
while (Convert.ToChar(temp) != '#' || state != 2)
{
temp = 0;
for (int k = 0; k < 16; k++)
{
reader = Convert.ToByte(memorystream.ReadByte());
temp += (reader & 0x01) << k;
}
ch = Convert.ToChar(temp);
if (ch != '#' && state != 1)
{
info = null;
msg = "没有嵌入文字信息或者信息已经被破坏";
return false;
}
if (ch != '#' && state == 1)
{
info += ch.ToString();
}
if (ch == '#')
state++;
}
msg = "成功";
return true;
#endregion
}
#endregion
}
}