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。

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。

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：

提取信息框图：

文档结构：

程序主界面：

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2if (imgFormat.Length == 2){// 判断标识字节是否为：42 4dif (imgFormat[0] == 0x42 && imgFormat[1] == 0x4d){// 是Bitmapreturn 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}
}

注意点：

流每次读取一次，位置就向后推进一定的位数，但可以使用Position属性设置开始读取的位置
MemoryStream对象的ReadByte()方法将返回的字节强制转换成Int32类型

结果展示

嵌入信息：

提取信息：

附录

参考链接：

数字水印

LSB图片隐写

LSB隐写算法

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