CN107146191A - 一种引入辅助像素的高效信息隐藏方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种引入辅助像素的高效信息隐藏方法，隐藏容量与原始数据的类型无关，可以是图像数据，也可以是其它数据，隐藏量始终固定，具有大隐藏容量和信息安全性，且易于软硬件实现。该方法通过辅助像素的引入以及数据优化，实现了秘密信息和密钥的联合处理，接收端能完全恢复秘密信息并高质量恢复原始数据。该方法可以在原始图像数据的每个像素中进行信息隐藏，提高了隐藏效率，突破了目前方法在一个像素对(两个像素)中隐藏的限制，可对任意图像达到或超过1/2的隐藏容量，1/2隐藏容量时恢复载体图像PSNR超过41dB,优于典型隐藏方法如LSB和FEMD隐藏方法。

Description

一种引入辅助像素的高效信息隐藏方法

技术领域

本发明涉及一种数据传输的方法，特别涉及一种引入辅助像素的高效信息隐藏方法，属于通信(如数据通信技术等)领域。

背景技术

数据传输和图像处理是目前通信领域的重要研究课题。随着科技的发展，人们对高分辨率图像的需求越来越大，数据压缩势在必行。在不影响图像正常业务的情况下，如果能在其中隐藏一些秘密数据进行传输，则相当于进行了一定的数据压缩。

信息隐藏，也可称为隐写，可分为空域信息隐藏和变换域信息隐藏等，作为卫星隐蔽通信的新手段，可以将一些重要数据(如遥感卫星获得的机密地物信息、卫星自身产生的数据、地面上传的数据等)隐藏在卫星遥感数据中通过公开的卫星信道传输，在不增加传输速率的前提下达到隐蔽通信或提高传输效率的目的，为卫星通信提供一种安全的信息传输途径。

空域隐写方法通过修改载体像素值来隐藏秘密信息。其中，最具代表性的算法是最低有效位LSB替代法，该方法直接替换载体图像像素的最低r位来嵌入信息，能够得到较高的嵌入容量，但随着容量的增加含密图像质量下降明显。为了提高图像的视觉质量，有人提出基于LSB的改进方法，在保持同等嵌入量的情况下，提高了含秘图像的质量。这类方法都是利用一个像素来隐藏多位秘密信息。另一类空域隐写方法利用一个像素对(两个像素)来完成信息隐藏，例如LSB匹配重访方法(LSB matching revisited,LSBMR)、基于方向调整的EMD(exploiting modification direction)隐藏方法以及Fully EMD(FEMD)隐藏方法。FEMD方法在一个载体像素对(x,y)中可以隐藏一位n²进制(n∈N,n≥2)秘密信息，但其最大嵌入容量无法再增加。

FEMD隐藏方法需要在两个像素组成的像素对中隐藏信息，能否在一个像素中隐藏同样的信息，而且不容易破解，隐藏容量性能优于LSB隐藏方法和FEMD隐藏方法或者隐藏容量优于经典隐藏方法，回答是肯定的。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种引入辅助像素的高效信息隐藏方法，不需要在一个像素对(两个像素)中隐藏信息，在一个像素中就可以隐藏同样多的信息，并且信息安全性好，可用于在各类数据(特别是图像数据)载体中进行高效信息隐藏传输。

本发明的技术方案是：一种引入辅助像素的高效信息隐藏方法，步骤如下：

1)将隐含二进制秘密信息转换为n²进制的秘密信息,每一秘密信息为s,s取值属于集合{0,1,2,…n²-1},n≥2；

2)产生辅助像素值y，y为[y₀,255-y₀]内的正整数，其中y₀＝n/2取整；将载体图像A中每个像素x与辅助像素y组成像素对(x,y)，计算获得函数值f＝[(n-1)*x+n*y]mod n²；

3)将f和秘密信息s进行比较，得到含密像素对(x’,y’)；

4)若含密像素对(x’,y’)溢出，则调整得到新的含密像素对(x,y)，然后重新嵌入秘密信息s；

5)重复执行步骤3)至步骤4)，直至所有秘密信息s嵌入完毕；

6)将所有Δy组成集合进行无损压缩之后得到压缩数据集合C0；

7)按顺序产生[y₀,255-y₀]内正整数y＝y₀+1作为辅助像素y，继续重复步骤2)至6)p次，得到压缩数据集合C1，C2…Cp，从C0，C1～Cp选出数据长度最短的C，记下对应的优选辅助像素值y；其中p为整数，p＝0表示不重复；

8)将所有x’组成的含密图像A’、优选辅助像素y和压缩数据集合C发送给接收端；

9)接收压缩数据集合C，解压缩得到Δy集合，利用y得到辅助像素y’的集合，即y’＝y+Δy；

10)将含密图像A’中的x’和含密辅助像素y’组成像素对(x’,y’)；

11)对每个像素对(x’,y’)，按照s＝[(n-1)*x’+n*y’]modn²提取每个n²进制秘密信息；重复执行，直至n²进制秘密信息提取完毕；

12)将提取的n²进制秘密信息转为二进制秘密信息。

n＝2或4或8或16。

步骤3)的具体过程为：

3.1)将f和秘密信息s进行比较，如果f＝s，则不改变像素对(x,y)，否则按3.2)规则修改像素对；

3.2)搜索满足f(x+Δx,y+Δy)＝s的像素对(x+Δx,y+Δy),选择其中修改量(Δx,Δy)最小的像素对作为含密像素对(x’,y’)。

步骤4)的具体过程为：调整得到新的含密像素对(x,y)的具体方法为：

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

本发明在不增加实际像素和不改变载体数据量的情况下，提供了一种高效率的信息隐藏方法，引入了密钥，增加了隐藏的秘密数据的安全性。

本发明与目前背景技术相比有下面几点实质性不同及进步：

(1)该方法首先对图像中每个像素引入辅助像素y，从而做到在每个像素中都能进行信息隐藏，克服了原来需要在两个数据中进行信息隐藏的问题，提高了隐藏效率。

(2)该方法充分利用了辅助数据的最小修正量，基于修正值集合的无损压缩长度进行优化，提高了辅助像素对进行隐藏的效率，取得了难以想到的隐藏效果。

(3)该方法与EMD类隐藏方法相比，隐藏的同时具有密钥y,增加了未授权的接收方破解现有秘密信息的难度，隐藏的同时具有保密的效果。

(4)该方法如果仅对图像2个像素中的一个像素引入辅助像素y，则因为对原图像的修改量小而提高载体图像质量，如可以提高PSNR值3dB。

附图说明

图1(a)-图1(f)为仿真用标准灰度图像。

具体实施方式

在高速数据传输的同时，往往还同时传输其它低速数据或部分高速数据。除了传输图像，还可能传输其它传感器数据。本发明提供了一种利用信息隐藏技术进行数据传输的方法，具有大隐藏容量、高性能和低复杂度的特点，在航天器工程中、地面信息搭载传输***、各类图像传输***中具有实用价值。

实验使用MATLAB2013a平台，载体数据采用6幅512×512的标准灰度图像，如图1所示，秘密信息用伪随机数发生器产生。如果需要算法具有更高的安全性，可以采用混沌序列或一些加密算法对载体进行预处理。

本发明一种引入辅助像素的高效信息隐藏方法，步骤如下：

1)把二进制秘密信息转换为n²进制的秘密信息,每一秘密信息为s,s取值属于集合{0,1,2,…n²-1}，n≥2；n可取2,4,8,16之一

2)产生辅助像素值y，y为[y₀,255-y₀]内的正整数，其中y₀＝n/2取整；

将载体图像A(大小为512*512，每像素8比特)中每个像素x和辅助像素y组成像素对(x,y)，计算函数值f＝[(n-1)*x+n*y]mod n²；

3)将f和秘密信息s进行比较：

3.1)如果f＝s，则不改变像素对(x,y)，否则按3.2)规则修改像素对；

3.2)搜索满足f(x+Δx,y+Δy)＝s的像素对(x+Δx,y+Δy),选择其中修改量(Δx,Δy)最小的像素对作为含密像素对(x’,y’)；

4)若含密像素对(x’,y’)溢出，则按式(1)调整得到新的(x,y)，然后重新嵌入秘密信息s；

5)重复执行步骤3)至步骤4)，直至所有秘密信息s嵌入完毕；

6)将所有Δy组成集合进行无损压缩之后得到压缩数据集合C0；

7)按顺序产生[y₀,255-y₀]内正整数y＝y₀+1作为辅助像素y，继续重复步骤2)至6)p次，得到压缩数据集合C1，C2…Cp，从C0，C1～Cp选出数据长度最短的C，记下对应的优选辅助像素值y；p＝0表示不重复；

本例中p＝0；

8)将所有x’组成的含密图像A’、优选辅助像素y和压缩数据集合C发送给接收端；

9)接收压缩数据集合C，解压缩得到Δy集合，利用y得到辅助像素y’的集合，即y’＝y+Δy；

10)将含密图像A’中的x’和含密辅助像素y’组成像素对(x’,y’)；

11)对每个像素对(x’,y’)，按照式s＝[(n-1)*x’+n*y’]modn²提取每个n²进制秘密信息；重复执行，直至n²进制秘密信息提取完毕；

12)将提取的n²进制秘密信息转为二进制秘密信息。n²取4,16,64,256之一。

本发明性能仿真

使用峰值信噪比(Peak Signal to Noise Ratio，PSNR)，隐藏容量C及嵌入率E等指标来衡量隐藏算法的性能。对于一幅大小为H×W的8bit数字图像，H、W为正整数；PSNR定义如下：

式中，MSE为原图像与含密图像之间的均方差，计算公式为

这里x_ij,分别表示原始图像和含秘图像在(i,j)处的像素值。

隐藏容量、嵌入率提高百分比

T＝(V2-V1)/V1*100％＝(U2-U1)/U1*100％ (2)

式中，V1表示对比方法的嵌入率，V2表示本发明的嵌入率；U1表示对比方法的隐藏容量，U2表示本发明的隐藏容量。

隐藏容量U：每像素(8比特)隐藏的比特数(bpp)，如在Z比特中隐藏Q比特，则隐藏容量U＝8*Q/Z bpp。

嵌入率V：相对隐藏容量或隐藏容量相对值V，隐藏的比特数与载体比特数的比值，如在Z比特中隐藏Q比特，则相对隐藏容量为V＝Q/Z。

1)嵌入率和隐藏容量比较

FEMD方法中，参数n影响信息隐藏容量和嵌入率，本发明通过添加辅助像素并优化，能够进一步提高嵌入率。

FEMD方法平均2个像素(每个用8比特，共16比特)中隐藏一个n²进制数，比特数为K＝log₂(n²)；隐藏容量U1＝8K/16＝K/2bpp,嵌入率V1＝K/16；

本发明平均1个像素(8比特)和1个辅助像素修改量d比特中隐藏一个n²进制数，比特数为K＝log₂(n²)；隐藏容量U2＝8K/(8+d)bpp,嵌入率

V2＝K/(8+d)，d<8；

表1给出了不同n值情况下，两种方法隐藏容量和嵌入率对比结果，可以看出，两种方法的隐藏容量U和嵌入率V均随着n的增加而增加，当n取值从2增加到16时，FEMD方法的隐藏容量从1bpp增加到4bpp，本发明的隐藏容量从1.6bpp增加到4.9bpp；FEMD方法的嵌入率从1/8增加到1/2，而本发明方法的最小嵌入率从1/5增加到8/13,大于1/2。

本方法的最小隐藏容量和嵌入率相比FEMD提高23％-60％。这是因为对同一幅载体，辅助像素值y都相同，嵌入秘密信息后的辅助像素的编码位数仅由其修改量决定，可以用(1+log₂n)bit表示，比特数明显小于8比特。

表1不同n值情况两种方法的隐藏容量U和嵌入率V

注：隐藏容量U和嵌入率V计算时没有考虑优化压缩，考虑优化压缩后嵌入秘密信息后的辅助像素的编码位数仅由其修改量决定，根本不用(1+log₂n)bit表示，平均比特数远远小于载体8比特，压缩后总比特数可能减少数倍到100倍，甚至达到成千上万倍，如果辅助像素y的修改量＝0的话，辅助数据压缩数据量很小，相当于d＝0。隐藏容量甚至可以达到原来的2倍。

2)PSNR比较

为了衡量本发明在图像质量方面的改善程度，表2给出了不同嵌入率V情况下，本发明和FEMD方法分别获得的图像质量。整体来看，相同或较高嵌入率或隐藏容量情况下，本发明的PSNR均高于FEMD方法，如在相同嵌入率(1/2)时，平均PSNR从34.84dB提高到41.97dB，平均改善7.13dB。

另外，即使在嵌入8/13(大于1/2)秘密信息时本发明的PSNR仍然高达35.71dB，表明该方法是一种高效的信息隐藏算法，而且辅助像素值作为密钥可以保证秘密信息的安全性。

表2不同嵌入率时两种方法PSNR(dB)

3)与其他同类方法进行对比

为了将本算法和其他同类方法进行对比，以Lena图像隐藏效果做比对，本发明可以实现更多不同嵌入率的信息隐藏，而且本发明的PSNR均优于LSB方法，如n＝2时，PSNR至少增加2.0dB。

图像质量改善的原因在于，本发明通过添加辅助像素能够大幅提高信息嵌入率，相比FEMD方法，在嵌入同比例秘密信息时，本发明需要使用的像素对比例降低，因而对载体的修改率减小。

总之，本发明提出了一种引入辅助像素的高效信息隐藏方法，隐藏容量与原始数据的类型无关，可以是图像数据，也可以是其它数据，隐藏量始终固定，具有大隐藏容量和信息安全性，且易于软硬件实现。其特点在于：该方法通过辅助像素的引入以及数据优化，实现了秘密信息和密钥的联合处理，接收端能完全恢复秘密信息和高质量恢复原始数据。

该方法可以在原始图像数据的每个像素中进行信息隐藏，提高了隐藏效率，突破了目前方法在一个像素对(两个像素)中隐藏的限制，可对任意图像达到或超过1/2的隐藏容量，隐藏容量为1/2时恢复载体图像PSNR超过41dB,性能优于典型隐藏方法如LSB和FEMD隐藏方法。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (4)

1.一种引入辅助像素的高效信息隐藏方法，其特征在于步骤如下：

1)将隐含二进制秘密信息转换为n²进制的秘密信息,每一秘密信息为s,s取值属于集合{0,1,2,…n²-1},n≥2；

2)产生辅助像素值y，y为[y₀,255-y₀]内的正整数，其中y₀＝n/2取整；将载体图像A中每个像素x与辅助像素y组成像素对(x,y)，计算获得函数值f＝[(n-1)*x+n*y]mod n²；

3)将f和秘密信息s进行比较，得到含密像素对(x’,y’)；

4)若含密像素对(x’,y’)溢出，则调整得到新的含密像素对(x,y)，然后重新嵌入秘密信息s；

5)重复执行步骤3)至步骤4)，直至所有秘密信息s嵌入完毕；

6)将所有Δy组成集合进行无损压缩之后得到压缩数据集合C0；

7)按顺序产生[y₀,255-y₀]内正整数y＝y₀+1作为辅助像素y，继续重复步骤2)至6)p次，得到压缩数据集合C1，C2…Cp，从C0，C1～Cp选出数据长度最短的C，记下对应的优选辅助像素值y；其中p为整数，p＝0表示不重复；

8)将所有x’组成的含密图像A’、优选辅助像素y和压缩数据集合C发送给接收端；

9)接收压缩数据集合C，解压缩得到Δy集合，利用y得到辅助像素y’的集合，即y’＝y+Δy；

10)将含密图像A’中的x’和含密辅助像素y’组成像素对(x’,y’)；

11)对每个像素对(x’,y’)，按照s＝[(n-1)*x’+n*y’]modn²提取每个n²进制秘密信息；重复执行，直至n²进制秘密信息提取完毕；

12)将提取的n²进制秘密信息转为二进制秘密信息。

2.根据权利要求1所述的一种引入辅助像素的高效信息隐藏方法，其特征在于：n＝2或4或8或16。

3.根据权利要求1或2所述的一种引入辅助像素的高效信息隐藏方法，其特征在于：步骤3)的具体过程为：

3.1)将f和秘密信息s进行比较，如果f＝s，则不改变像素对(x,y)，否则按3.2)规则修改像素对；

3.2)搜索满足f(x+Δx,y+Δy)＝s的像素对(x+Δx,y+Δy),选择其中修改量(Δx,Δy)最小的像素对作为含密像素对(x’,y’)。

4.根据权利要求3所述的一种引入辅助像素的高效信息隐藏方法，其特征在于：步骤4)的具体过程为：调整得到新的含密像素对(x,y)的具体方法为：

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