Python3图片隐写术

效果展示

2018-02-23 12-58-51屏幕截图.png

可以看到“施法”前后的图片肉眼看不出区别，然而图片却真是的隐藏了一些数据在里面。

程序的实现

先导入 Pillow 模块：

from PIL import Image

• 编码
  我们首先设计将隐藏信息编码到图片中的函数encodeDataInImage()，其有两个参数，分别是用作载体的图片对象和需要被隐藏的字符串。也就是说我们可以这样调用它：

encodeDataInImage(Image.open("steganographia.png"), '你好世界，Hello World！')

encodeDataInImage()函数如下：

def encodeDataInImage(image, data):
    """
    将字符串编码到图片中
    """
    # 获得最低有效位为 0 的图片副本
    evenImage = makeImageEven(image) 
    # 将需要被隐藏的字符串转换成二进制字符串
    binary = ''.join(map(constLenBin, bytearray(data, 'utf-8'))) 
    if len(binary) > len(image.getdata()) * 4:
        # 如果不可能编码全部数据，跑出异常
        raise Exception("Error: Can't encode more than" + len(evenImage.getdata()) * 4 + " bits in this image. ")
    # 将binary中的二进制字符串信息编码进像素里
    encodedPixels = [(r+int(binary[index*4+0]), g+int(binary[index*4+1]), b+int(binary[index*4+2]), t+int(binary[index*4+3])) if index*4 < len(binary) else (r,g,b,t) for index,(r,g,b,t) in enumerate(list(evenImage.getdata()))]
    # 创建新图片以存放编码后的像素
    encodedImage = Image.new(evenImage.mode, evenImage.size)
    # 添加编码后的数据
    encodedImage.putdata(encodedPixels)
    return encodedImage

makeImageEven()函数的实现如下：

def makeImageEven(image):
    """
    取得一个 PIL 图像并且更改所有值为偶数（使最低有效位为0）
    """
    #得到一个这样的列表：[(r,g,b,t),(r,g,b,t)...]
    pixels = list(image.getdata())
    # 更改所有值为偶数（魔法般的移位）
    evenPixels = [(r>>1<<1,g>>1<<1,b>>1<<1,t>>1<<1) for [r,g,b,t] in pixels]
    # 创建一个相同大小的图片副本
    evenImage = Image.new(image.mode, image.size)
    # 把上面的像素放入到图片副本
    evenImage.putdata(evenPixels)
    return evenImage

encodeDataInImage()中，bytearray()将字符串转换为整数值序列（数字范围是0到2^8-1），数值序列由字符串的字节数据转换而来，如下图：

2018-02-23 15-28-45屏幕截图.png

utf-8编码的中文字符一个就占了3个字节，那么四个字符共占3x4=12个字节，于是共有12个数字。（可以在右下角切换到中文输入法，这样就能输入中文了）
然后 map(constLenBin,Bytearray(data, 'utf-8'))对数值序列中的每一个值应用 constLenBin()函数，将十进制数值学列转换为二进制自字符转序列。

def constLenBin(int):
    """
    内置函数bin()的替代，返回固定长度的二进制字符串
    """
    #去掉bin()返回的二进制字符串中的'0b'，并在左边补足'0'直到字符串长度为8
    binary = "0"*(8-(len(bin(int))-2))+bin(int).replace('0b','')
    return binary

在这里bin()的作用是将一个int值转换为二进制字符串。详见https://docs.python.org/3/library/functions.html#bin

• 解码
  decodeImage()返回图片解码后的隐藏文字，其接受一个图片对象参数。

def decodeImage(image):
    """
    解码隐藏数据
    """
    pixels = list(image.getdata()) #获得像素列表
    #提取图片中所有最低有效位中的数据
    binary = ''.join([str(int(r>>1<<1!=r))+str(int(g>>1<<1!=g))+str(int(b>>1<<1!=b))+str(int(t>>1<<1!=t)) for (r,g,b,t) in pixels])
    #找到数据截止处的索引
    locationDoubleNull = binary.find('0000000000000000')
    endIndex = locationDoubleNull+(8-(locationDoubleNull %8)) if locationDoubleNull%8 != 0 else locationDoubleNull
    data = binaryToString(binary[0:endIndex])
    return data

找到数据截止处所用的字符串0000000000000000很有意思，它的长度为16，而不是直觉上的8，因为两个包含数据的字节的接触部分可能有8个0。
binaryToString()函数将提取出来的二进制字符串转换为隐藏的文本：

def binaryToString(binary):
    """
    从二进制字符串转为 UTF-8 字符串
    """
    index = 0
    string = []
    rec = lambda x, i: x[2:8] + (rec(x[8:], i-1) if i > 1 else '') if x else ''
    fun = lambda x, i: x[i+1:8] + rec(x[8:], i-1)
    while index + 1 < len(binary):
        chartype = binary[index:].index('0') # 存放字符所占字节数，一个字节的字符会存为0
        length = chartype*8 if chartype else 8
        string.append(chr(int(fun(binary[index:index+length],chartype),2)))
        index += length
    return ''.join(string)

要看明白这个，必须要先搞懂UTF-8编码的方式，可以在wikipedia上了解utf-8编码https://zh.wikipedia.org/wiki/UTF-8
utf-8是UNICODE的一种变长度的编码表达方式，也就是说一个字符串中，不同的字符所占的字节数不一定相同，这就给我们的工作带来了一点复杂度，如果我们要支持中文的话。

选区_001.png

在上图中，只有 x所在的位置（也即是字节中第一个0之后的数据）存储的是真正的字符数据，因此我们使用下面两个匿名函数来提取出这些数据：

rec = lambda x, i: x[2:8] + (rec(x[8:], i-1) if i > 1 else '') if x else ''
fun = lambda x, i: x[i+1:8] + rec(x[8:], i-1)

fun()接受2个参数，第一个参数为表示一个字符的二进制字符串，这个二进制字符串可能有不同的长度（8\16\24...48）；第二个参数为这个字符占多少个字节。
lambda x, i: x[x+1:8] + rec(x[8:], i-1) 中 x[i+1:8]获得第一个字节的数据，然后调用rec()，以递归的方式提取后面字节中的数据。
这里要提一句，rec = lambda x, i: x[2:8] + (rec(x[8:], i-1) if i > 1 else ' ') if x else ' '，你可能对在表达式里面引用了 rec 感到不可理解，的确，严格意义上这样是不能实现递归的，但在python里这样是可以的，这就是python的语法糖了。
使用lambda表达式写递归从来不是一件简单的事，因为匿名函数引用自身并不简单，大家可以参考一下大牛刘未鹏的博文：http://blog.csdn.net/pongba/article/details/1336028
我们注意到，字符的字节数据中，第一个字节开头1的数目便是字符所占的字节数：

chartype = binary[index:].index('0')

string.append(chr(int(fun(binary[index:index+length],chartype),2)))这一行中用到的函数int()以及chr的作用如下：
int()：接受两个参数，第一个参数为数字字符串，第二个参数为这个字符串代表的数字的进度。详见：https://docs.python.org/3/library/functions.html#int
chr()：接受一个参数，参数为int值，返回Unicode码点为这个int值的字符。见下图：

2018-02-23 18-21-11屏幕截图.png

while循环的最后我们将当前字符的索引增加当前字符的长度，得到下一个字符的索引。
这样，我们可以识别出二进制字符串中哪些部分代表哪些字符了，然后就能调用 fun()取得各个字符的数据了。

• 测试效果
  输入下面的命令获得测试用的图片：

$ wget http://labfile.oss.aliyuncs.com/courses/651/coffee.png

在我们的代码后添加这两行：

encodeDataInImage(Image.open("coffee.png"), '哆啦A梦的世界，Doraemon World!').save('encodeImage.png')
print(decodeImage(Image.open("encodeImage.png")))

假设你的源代码文件为 steganography.py：

$ python3 steganography

它应该打印出“哆啦A梦的世界，Doraemon World!”

• 完整代码

from PIL import Image


def makeImageEven(image):
    """
    取得一个 PIL 图像并且更改所有值为偶数（使最低有效位为0）
    """
    #得到一个这样的列表：[(r,g,b,t),(r,g,b,t)...]
    pixels = list(image.getdata())
    # 更改所有值为偶数（魔法般的移位）
    evenPixels = [(r>>1<<1,g>>1<<1,b>>1<<1,t>>1<<1) for [r,g,b,t] in pixels]
    # 创建一个相同大小的图片副本
    evenImage = Image.new(image.mode, image.size)
    # 把上面的像素放入到图片副本
    evenImage.putdata(evenPixels)
    return evenImage

def constLenBin(int):
    """
    内置函数bin()的替代，返回固定长度的二进制字符串
    """
    #去掉bin()返回的二进制字符串中的'0b'，并在左边补足'0'直到字符串长度为8
    binary = "0"*(8-(len(bin(int))-2))+bin(int).replace('0b','')
    return binary


def encodeDataInImage(image, data):
    """
    将字符串编码到图片中
    """
    # 获得最低有效位为 0 的图片副本
    evenImage = makeImageEven(image) 
    # 将需要被隐藏的字符串转换成二进制字符串
    binary = ''.join(map(constLenBin, bytearray(data, 'utf-8'))) 
    if len(binary) > len(image.getdata()) * 4:
        # 如果不可能编码全部数据，跑出异常
        raise Exception("Error: Can't encode more than" + len(evenImage.getdata()) * 4 + " bits in this image. ")
    # 将binary中的二进制字符串信息编码进像素里
    encodedPixels = [(r+int(binary[index*4+0]), g+int(binary[index*4+1]), b+int(binary[index*4+2]), t+int(binary[index*4+3])) if index*4 < len(binary) else (r,g,b,t) for index,(r,g,b,t) in enumerate(list(evenImage.getdata()))]
    # 创建新图片以存放编码后的像素
    encodedImage = Image.new(evenImage.mode, evenImage.size)
    # 添加编码后的数据
    encodedImage.putdata(encodedPixels)
    return encodedImage


def binaryToString(binary):
    """
    从二进制字符串转为 UTF-8 字符串
    """
    index = 0
    string = []
    rec = lambda x, i: x[2:8] + (rec(x[8:], i-1) if i > 1 else '') if x else ''
    fun = lambda x, i: x[i+1:8] + rec(x[8:], i-1)
    while index + 1 < len(binary):
        chartype = binary[index:].index('0') # 存放字符所占字节数，一个字节的字符会存为0
        length = chartype*8 if chartype else 8
        string.append(chr(int(fun(binary[index:index+length],chartype),2)))
        index += length
    return ''.join(string)

def decodeImage(image):
    """
    解码隐藏数据
    """
    pixels = list(image.getdata()) #获得像素列表
    #提取图片中所有最低有效位中的数据
    binary = ''.join([str(int(r>>1<<1!=r))+str(int(g>>1<<1!=g))+str(int(b>>1<<1!=b))+str(int(t>>1<<1!=t)) for (r,g,b,t) in pixels])
    #找到数据截止处的索引
    locationDoubleNull = binary.find('0000000000000000')
    endIndex = locationDoubleNull+(8-(locationDoubleNull %8)) if locationDoubleNull%8 != 0 else locationDoubleNull
    data = binaryToString(binary[0:endIndex])
    return data

encodeDataInImage(Image.open("coffee.png"), '哆啦A梦的世界，Doraemon World!').save('encodeImage.png')
print(decodeImage(Image.open("encodeImage.png")))