图像隐写术：LSB 技术

数字彩色图像由像素组成。每个像素存储三个色彩通道值：红、绿、蓝，取值范围均为 0 到 255，并存储在一个字节中。因此，一张 1000x1000 像素的图像包含 300 万个独立的色彩数据字节。如此大量的数据，为隐藏少量额外信息而不产生可见变化提供了空间。

在一个 8 位值中，最低有效位被置为 1 时对数值的贡献只有 1，而最高有效位的贡献是 128。翻转色彩通道的 LSB，最多只会让像素值在 255 中变化 1，这种变化对人眼来说完全无法察觉。因此，LSB 是在不降低可见图像质量的情况下嵌入隐藏位的理想位置。

要隐藏一个字节（8 位）的秘密数据，我们会覆写单个色彩通道中连续八个像素的 LSB。按顺序读回这些 LSB，就能重建原始的隐藏字节。这是最简单的 LSB 隐写术算法。对图像的修改非常细微，因此像（200, 201）这样的像素对在视觉上看起来完全相同，而 LSB 的差异却携带着有意义的数据。

一张包含 100 万个像素的 24 位彩色 BMP 图像，拥有 300 万字节的像素数据和 300 万个独立的色彩通道值。每个通道使用一个 LSB 时，我们可以隐藏 300 万位，也就是 375 千字节的数据。对于一份 1000 万像素的载体文件，大约可以隐藏 3.75 兆字节。这足以容纳数千份文本文档或小型可执行文件。

与微小的 1 个单位亮度差异相比，人类视觉系统对色相和饱和度更加敏感。当在普通显示器上查看时，即使每个 LSB 都被秘密数据替换，图像在视觉上也无法与原图区分。LSB 隐写术的感知质量指标 PSNR（峰值信噪比）通常高于 50 dB，远高于人类感知的阈值。

最简单的方法是从左上角开始，按顺序将位嵌入像素中。这种方法易于实现，也容易检测：隐写分析人员确切知道应该从哪里查找。更安全的方法是使用以共享密钥为种子的伪随机数生成器，选择接收隐藏位的像素和色彩通道。不掌握密钥的分析人员无法确定载荷嵌入在哪里。

通过使用秘密密钥为 PRNG 设置种子，发送者和接收者可以独立生成相同的伪随机像素坐标序列。发送者仅在这些坐标处嵌入位；接收者则按照相同的顺序从相同的坐标提取位。即使攻击者知道使用了隐写术，只要不知道密钥，仍然会面临组合搜索问题。

OpenStego 和 Steghide 是常用的开源工具，能够实现带有可选密码加密的 LSB 隐写术。Steghide 支持 JPEG、BMP、WAV 和 AU 格式，并使用口令来选择嵌入位置以及加密载荷。使用口令可以确保，即使隐藏数据的存在被发现，恢复其内容仍然需要该口令。

BMP 文件存储原始的未压缩像素数据，因此 LSB 嵌入简单且无损。JPEG 使用有损压缩，会丢弃高频细节并略微改变像素值。在 JPEG 保存之前嵌入的 LSB，会在重新压缩时被破坏。JPEG 隐写术必须在频域中处理 DCT 系数，而不是处理像素值；这种方法更加复杂，但应用广泛。

嵌入更多数据会增加载荷容量，但也会增加统计失真。每个通道使用两位可以使容量翻倍，却会让统计特征更明显。StegExpose 等工具可以通过分析像素对分布来检测常见的 LSB 工具。为了避免触发检测算法，安全载荷通常会控制在载体容量的 10% 到 15% 以下。

像素对分析利用了 LSB 嵌入产生的一种可预测伪影。自然图像具有特征性的像素值对分布；LSB 嵌入会将奇数值改为偶数值，或反之，从而对这一分布造成轻微扰动。通过测量相近值像素对的比例，隐写分析人员可以估计是否发生了嵌入，以及大约隐藏了多少数据。

LSB 隐写术将秘密比特嵌入像素颜色通道的最低有效位中，不会引起人眼可察觉的视觉变化。隐藏一个字节的数据需要八个像素。一幅一百万像素的图像使用每个通道一个 LSB 时，大约可以隐藏 375 千字节。使用基于 PRNG 的像素选择并配合共享密钥可以提高安全性。JPEG 需要在 DCT 域中进行嵌入。通过像素对分布进行统计分析可以检测 LSB 嵌入。