0 引言

    信息隱藏是指通信雙方在有第三方的監(jiān)視下,，將秘密信息以一種不可見的方式傳輸，常被應(yīng)用于軍事領(lǐng)域等一些重要場(chǎng)合。信息隱藏技術(shù)一直是信息安全領(lǐng)域的重要組成部分,，在過去的20年內(nèi),，信息隱藏技術(shù)得到極大的發(fā)展。首先是隱藏域的擴(kuò)大,，從剛開始的空域,、頻域，到近些年新提出的加密域^[1]等,，它們都是將載體做信號(hào)變換處理,，然后將秘密信息嵌入到變換后的載體中，第三方無法輕易判斷出載體是否攜帶秘密信息,；其次是隱藏算法的增加,，最開始提出的是圖像空域LSB算法^[2]，該算法嵌入容量大且易實(shí)現(xiàn),，使用極為廣泛,，但是容易被卡方檢驗(yàn)等統(tǒng)計(jì)分析方法判斷出是否攜帶有秘密信息；DE算法^[3]是最常見的可逆隱藏算法,，但是由于嵌入容量較小,，魯棒性較差，受到壓縮,、變形等攻擊后不能無損的恢復(fù),，實(shí)際情況中依舊不被廣泛使用；最后是隱藏載體的增多,，從被研究最早同時(shí)也是最徹底的圖像載體^[4]和音頻載體,，到PowerPoint文件^[5]和TCP幀^[6]等載體中都可以實(shí)現(xiàn)信息隱藏。

    在游戲中隱藏信息以實(shí)現(xiàn)隱秘通信引起一些國(guó)內(nèi)外學(xué)者的注意,，他們利用游戲的各種特點(diǎn),，在不改變游戲規(guī)則的前提下，同樣實(shí)現(xiàn)信息隱藏,。吳軍等^[7]提出一種基于《七巧板》游戲的圖像信息偽裝算法,，將機(jī)密數(shù)字圖像和載體圖像分成適當(dāng)?shù)男K，按一定的條件尋找匹配關(guān)系, 然后將描述匹配關(guān)系的參數(shù)經(jīng)編碼后隱藏在載體圖像之中,到接收方提取出描述匹配關(guān)系的參數(shù),然后利用這些匹配關(guān)系恢復(fù)出機(jī)密圖像,。Hernandez-Castro等^[8]提出在游戲中實(shí)現(xiàn)信息隱藏的框架,，并將其應(yīng)用于《圍棋》游戲中；Lee等^[9]提出在《迷宮》游戲中的隱藏方法,，將信息隱藏在解密該迷宮的路徑中,，只有知道這種方法的人才可以獲取到秘密信息。但是,，它們的嵌入容量都受到游戲自身大小的限制,；Zhan-He^[10]等在《俄羅斯方塊》游戲中實(shí)現(xiàn)信息隱藏,，將游戲中7種不同的板塊抽象為數(shù)字0～6，采用了基于七進(jìn)制而非廣泛應(yīng)用的二進(jìn)制編碼秘密信息,。

    本文同樣提出一種基于《俄羅斯方塊》游戲的信息隱藏方法,，與文獻(xiàn)[10]不同的是，本文的方案適用于二進(jìn)制編碼表示的信息,，且在嵌入容量方面優(yōu)于文獻(xiàn)[10],。

1 關(guān)于《俄羅斯方塊》游戲

    《俄羅斯方塊》是由俄羅斯人阿列克謝·帕基特諾夫發(fā)明的一款休閑游戲。該游戲由4個(gè)小方塊組成的不同形狀的板塊陸續(xù)從屏幕上方落下來,，板塊可以旋轉(zhuǎn)和調(diào)整位置,，使它們?cè)谄聊坏撞科闯鐾暾囊粭l或幾條，這些完整的橫條會(huì)隨即消失,，給新落下來的板塊騰出空間，與此同時(shí),，玩家得到分?jǐn)?shù)獎(jiǎng)勵(lì),。沒有被消除掉的方塊不斷堆積起來，一旦堆到屏幕頂端,，玩家便告輸,，游戲結(jié)束。

2 本文方案

    本文的核心思想是：在不改變游戲規(guī)則的前提下,，將秘密信息加載到游戲中板塊的下落過程中,，從而實(shí)現(xiàn)信息隱藏。

2.1 隱寫原理

    《俄羅斯方塊》游戲中共有7種不同的板塊,，分別用ti(i∈[0,，6]∩Z)表示，如圖1所示,。

    其中每個(gè)板塊可以攜帶3 bit信息I={i₀ i₁ i₂|i₀,，i₁，i₂∈{0,，1}},，i_k(k=0，1,，2)的取值分別如下：

    (1)i₀的取值：t₀板塊的落下不攜帶任何信息,，其余6種板塊t_i(i=1，2,，3,，4，5,，6)根據(jù)形態(tài)變化的數(shù)量分為兩個(gè)板塊組,，其中,，表示有兩種形態(tài)變化的組為M₀={t₁，t₂,，t₃},，表示有4種形態(tài)變化的組為M₁={t₄，t₅,，t₆},。如果本次落下的板塊t_i屬于M₀，i₀=0,；否則,，如果本次落下的板塊t_i屬于M₁，則i₀=1,。

    (2)i₁的取值：不同的板塊組有不同的形態(tài)變化,，如圖1所示，其中t₀板塊沒有變化,，M₀中的板塊有兩種形態(tài)的變化,，分別用a、b表示,；M₁中的板塊有4種形態(tài)的變化,，分別用a、b,、c,、d表示。每個(gè)板塊t_i的形態(tài)變化都是從a形態(tài)開始,，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)n×90°(n∈[0,，3]∩Z)后得到。假設(shè)每個(gè)板塊初始落下的形態(tài)用v=0表示,，每經(jīng)過一次旋轉(zhuǎn)v+1(mod2),，i₁的值為該板塊最終落到屏幕底部時(shí)的v值。例如,，設(shè)某板塊落下的初始形態(tài)為t₄.b,，最終形態(tài)為t₄.a，期間需要順時(shí)針旋轉(zhuǎn)3×90°,，其形態(tài)與v值如表1所示,。

    (3)i₂的取值：每個(gè)板塊都是從游戲區(qū)域的中間落下。d為板塊最終落到屏幕底部的位置相對(duì)于初始位置的距離,，如果d%2(%為取余運(yùn)算)=1,，則i₂=1，否則如果d%2=0,，i₂=0,。如圖2,、圖3所示，板塊最終落到屏幕底部的位置相對(duì)于初始位置的距離d=1,，d%2=0,則此時(shí)i₂=0,。

    綜上所述，一個(gè)板塊的從游戲區(qū)域的頂部落到區(qū)域底部可以攜帶3 bit秘密信息,，規(guī)則如表2所示,。

2.2 隱秘通信方案

    一個(gè)完整的隱秘通信系統(tǒng)必須包括表示信息傳輸?shù)拈_始及結(jié)束的標(biāo)識(shí)，這部分將介紹它們,，并就基于2.1的算法提供一個(gè)完整的方案,。

    該方案可以用元組表示：Ω＝{P，W,，R,，I，G},。P表示游戲雙方,，P={Sender，Receiver},；W是第三方攻擊者，Wendy,，他有能力破解該通信系統(tǒng),；R表示規(guī)則的集合，包括傳輸信息的開始規(guī)則,、板塊下落攜帶信息規(guī)則以及信息傳輸?shù)耐瓿梢?guī)則等,；I是秘密信息，I的內(nèi)容不能被W獲取到,；G表示該《俄羅斯方塊》游戲,。

    該隱秘通信的方案如下：

    (1)Sender和Receiver之間共享一對(duì)公鑰和私鑰，Sender通過RSA非對(duì)稱加密算法,，將隨機(jī)種子Rs加密,，Rs的作用是生成偽隨機(jī)序列K(K_i∈{0，1}),，i∈0,，1，2,，…,，M)，Sender利用該序列以按位異或的方式加密欲傳輸?shù)拿孛苄畔(I_i∈{0,，1}),，i∈0,，1，2,，…,，M)，得到C,，C是Sender在游戲中實(shí)際傳輸?shù)男畔?。C=c_i=I_ik_i(i=0，1,，2,，…，M),。

    (2)Sender將加密后的R_s（長(zhǎng)度為L(zhǎng),，且Receiver已提前知悉）與M bit信息按如下方式組合：R_s+C，并將其分為(M+L)/3組,，分別用T₁,，T₁，…,，T_k(k∈[1,，(M+L)/3])表示。對(duì)于每組T_k,，第一個(gè)比特的值決定該攜帶該組信息的板塊t_i∈M₀還是t_i∈M₁,，Sender重新編程實(shí)現(xiàn)《俄羅斯方塊》游戲，特點(diǎn)如下：

    ①游戲G接收到Sender開始傳輸信息的信號(hào)之前,，G中板塊落下規(guī)則與普通游戲相同,。

    ②G接收到Sender開始傳輸信息的信號(hào)后，根據(jù)選擇下落板塊t_i∈M₀或t_i∈M₁,，并從它們中隨機(jī)選擇某個(gè)板塊t_i落下,。

    ③G接收到Sender完成信息傳輸?shù)男盘?hào)之后，G將板塊下落規(guī)則恢復(fù)成正常游戲的規(guī)則,。Sender將重新編程后的游戲上傳到在線游戲網(wǎng)站中,。

    (3)Sender邀請(qǐng)Receiver參與在線《俄羅斯方塊》游戲，模式為雙人競(jìng)賽模式,。

    (4)當(dāng)Sender第一次消去完整的橫條時(shí),，表示下一次落下的板塊中攜帶有信息。

    (5)Receiver收到Sender開始傳輸信息的信號(hào)后,，開始記錄Sender端每一個(gè)板塊的下落,、旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)等相關(guān)信息。

    (6)當(dāng)Sender將某個(gè)板塊快速地落到屏幕最底層,，表示他已經(jīng)完成R_s+C的傳輸,。Receiver收到此信號(hào)后,，停止記錄板塊的信息，并根據(jù)2.1所述原理,，得到與Sender相同的種子R_s和加密后的信息C,，生成與Sender相同的偽隨機(jī)序列K，解密后得到秘密信息I：c_ik_i=I_ik_ik_i=I_i(i=0,，1,，2，…,，M),。

    (7)如果信息傳輸完成時(shí)，Sender或Receiver還未完成游戲,，則繼續(xù)完成游戲即可,，此后的游戲并不影響信息傳輸；若Sender的游戲已經(jīng)結(jié)束,，但信息還未完成傳輸,，Sender要重新開始下一局游戲，重復(fù)步驟(3)～(6),，直到所有的信息傳輸完成,。

    注意：為提高方案的安全性，在攜帶信息的板塊中,，每7個(gè)至少有一個(gè)t₀板塊,。同時(shí)，要保證每局游戲的R_s均不同,。

3 安全性分析

    信息隱藏技術(shù)最重要的指標(biāo)是其安全性。信息隱藏的安全性分為兩類^[11]：

    第一類：信息隱藏技術(shù)是S1安全的,，是指攻擊者W沒有合理的理由證明經(jīng)過傳輸信息的通訊信息S中隱藏有秘密信息I,。

    第二類：信息隱藏技術(shù)是S2安全的，是指攻擊者W無法破壞經(jīng)過傳輸信道的通信信息S中隱藏的所有秘密信息I,。

4 實(shí)驗(yàn)

    從《俄羅斯方塊》官方網(wǎng)站中選擇3種不同種類的游戲,，每種游戲落下的板塊均總數(shù)超過10 000，分別記錄7種板塊出現(xiàn)的次數(shù),，并計(jì)算其頻率,。同時(shí)，選取不同大小的3組比特序列,，分別用本文提到的算法和文獻(xiàn)[10]的算法傳輸,，記錄3局游戲中每個(gè)板塊出現(xiàn)的頻率，如圖4所示,。

    從圖中可以看出,，普通《俄羅斯方塊》游戲的板塊頻率出現(xiàn)在[0.135,015]內(nèi),，接近1/7（約為0.143），而本文提到的算法中板塊的頻率同樣浮動(dòng)在1/7上下,，由此可證明該算法是S1安全的,。

    在上述實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，同時(shí)記錄下文獻(xiàn)[10]的算法與本文提到的算法中的核心板塊的數(shù)量,，如表3所示,。

    由表中數(shù)據(jù)可知，本算法在嵌入容量方面高于文獻(xiàn)[10],。

5 結(jié)論

    本文提出了一種新穎的安全隱寫方法,，在《俄羅斯方塊》游戲中隱藏信息，首先依據(jù)板塊的變化數(shù)量,，將板塊分類,，然后通過板塊的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等方式,，在板塊的落下過程中攜帶信息,，每個(gè)板塊都可以攜帶3 bit的信息。本文從理論和實(shí)驗(yàn)方面,，分別證明了本算法可達(dá)到S1安全,，同時(shí)分析證明了本方案在嵌入容量方面得到提升。由于本文的方案在嵌入容量方面依賴于游戲本身的大小,，所以接下來的研究重點(diǎn)是改進(jìn)該方案,，增大嵌入容量以及在其他游戲載體中嵌入秘密信息，實(shí)現(xiàn)隱秘通信,。

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