CN113709323A - 一种jpeg图像处理方法、鲁棒隐写方法、***及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种JPEG图像处理方法、鲁棒隐写方法、***及存储介质，其中JPEG图像处理方法包括以下步骤，S11、将预载体JPEG图像对应的第一量化DCT系数依次进行量化恢复和IDCT变换处理得到对应的空域图像；S12、对空域图像中的每个空域块进行溢出检测；S13、对有溢出的空域块进行去溢出处理，对无溢出的空域块不需要处理；S14、对去溢出后空域图像依次进行DCT变换和量化处理得到第二量化DCT系数并对其进行编码后保存为JPEG图像即载体图像。本发明能够抗JPEG压缩的同时使得现有的隐写分析器难以区分载体图像是否被修改，以及本发明的隐写方法在对抗多种现有的隐写分析器检测时，安全性均有显著提升，能够有效降低隐写行为被检测的可能性。
Description
技术领域
本发明涉及隐写技术领域，具体涉及一种JPEG图像处理方法、鲁棒隐写方法、***及存储介质。
背景技术
隐写是一种隐蔽通信技术，通过轻微地修改载体上的元素来嵌入秘密信息，将嵌入秘密消息之后的载体发送给接收方，接收方可以完成秘密消息的正确提取，这个过程最为关键的问题之一就是不能被第三方发现，即隐写安全性；而隐写分析器能够在一定程度上检测载体是否被嵌入消息，所以隐写的安全性一般由其对抗隐写分析检测的能力来衡量，即载体和嵌入消息之后的载体越难以被隐写分析器区分，隐写的安全性就越高。
随着互联网的发展，人们通常都要在社交网络上分享图片，在社交网络进行隐写图片的传输可以隐藏通信双方和通信行为，实现行为安全，因此社交网络是隐写的良好平台。但为了节省存储空间，社交网络通常要对用户上传的图片进行JPEG压缩操作，所以可应用于社交平台上的隐写技术还需要具有抗JPEG压缩的鲁棒性。
但可以抗JPEG压缩的隐写技术通常安全性很低，即容易被隐写分析器检测发现。所以提升实际场景中的鲁棒隐写术的安全性是本发明要解决的问题。
首先介绍一下常用概念或技术术语。
预载体：一般载体图像是从原始图像经过图像处理操作产生的，该原始图像就被称为预载体。
载体图像：用于承载秘密消息的图像，在隐写过程中将秘密消息嵌入到载体图像上。
秘密消息：指的是使用纠错码预先编码的消息。
载密图像：载体图像上嵌入秘密消息之后得到图像即为载密图像。
空域图像：空域又称图像空间，由图像像素元组成的空间。
JPEG图像：JPEG(Joint Photographic Experts Group)即联合图像专家组，是用于连续色调静态图像压缩的一种标准，文件后缀名为.jpg或.jpeg，是最常用的图像文件格式。JPEG图像保存的是空域像素经过分块DCT变换和量化后得到的量化DCT系数。
JPEG压缩：将空域图像保存为JPEG图像的过程。其主要是采用预测编码(DPCM)、离散余弦变换(DCT)以及熵编码的联合编码方式，以去除冗余的图像和彩色数据，属于有损压缩格式，它能够将图像压缩在很小的储存空间，一定程度上会造成图像数据的损伤。
JPEG重压缩：将JPEG图像重新压缩的过程。其首先由JPEG图像经过离散余弦逆变换(IDCT)以及JPEG压缩过程中对应的解码过程得到空域图像，然后通过JPEG压缩过程将该空域图像再保存为JPEG图像。
空域截断：在JPEG重压缩的过程中，需要由JPEG图像经过JPEG压缩中对应的解码过程以及离散余弦逆变换(IDCT)得到空域图像，但在实际计算过程中，由于在JPEG图像保存量化DCT系数时会存在取整误差，因此由DCT系数经过IDCT得到的空域值会存在超过存储区间的情况，无法直接通过取整操作保存为像素值，这种情况就叫做空域溢出；此时需要现将小于-128的值置为-128，大于127的值置为127，我们将此操作称为空域截断，然后再将其他空域取整后保存为空域图像。空域截断通常会对空域值造成较大变化，使得再次经过DCT变换后得到的DCT系数与原来的JPEG图像相比发生变化。
失真函数：通过量化载体图像上每个像素点被修改所产生的影响，为每个像素点分配修改失真，它指导了嵌入过程中对于像素修改位置的偏好。在加性隐写条件下，所有修改带来的影响总和代表了载体图像和载密图像之间的总体失真。加性隐写指独立考虑每个像素点修改所产生的影响，若考虑相邻像素点间联合修改产生的影响称为非加性隐写。现有很多用于空域图像的失真函数算法都是基于加性隐写条件的，比如HUGO、WOW、S-UNIWARD、HILL、MVGG。这些失真函数为像素点嵌入秘密消息时的加减一修改赋予相等的失真，称之为对称失真函数。反之，非对称失真函数则赋予像素点加减一修改不相等的失真。
STC编码：校验子格编码，最小化失真隐写框架是实现安全隐写的主流框架，STC编码能够针对任意加性失真函数，在给定嵌入率下接近总体失真的理论下界。
嵌入率：在JPEG图像中，嵌入率为嵌入信息的bit长度与非0DCT系数个数的比值。
隐写分析器：通过区分载体图像和载密图像来检测隐写安全性，现有的常用隐写分析器分为两类：一是基于手工特征提取的隐写分析器，如SRM等；二是基于深度学习的网络隐写分析器，如SRNet、YeNet等。
现有技术中常用的算法为基于广义抖动调制的鲁棒隐写算法，其中，基于广义抖动调制的鲁棒隐写算法，是由基于抖动调制的隐写算法改进得到的，基本思路是“鲁棒区域选择+纠错码+STC编码”，其嵌入过程如下：
(1)选择载体元素：选择分块DCT变换中中频的量化DCT系数作为载体元素。
(2)计算失真：使用现有的JPEG图像失真算法计算载体图像中载体元素对应的失真。
(3)纠错码编码：对秘密消息使用纠错码进行编码。
(4)嵌入：使用STC结合以上得到的载体元素，失真和经过纠错编码后的秘密消息修改载体元素实现嵌入。
该方案相比传统的隐写算法，具有抗JPEG压缩的鲁棒性。但由于隐写时选择中频的量化DCT系数作为载体，这些系数通常具有较大的量化步长，因此对他们的修改会对图像内容造成较大修改，从而大大降低安全性，在实际中难以使用。
发明内容
本发明提出的一种JPEG图像处理方法、鲁棒隐写方法、***及存储介质，可解决上述技术问题。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种JPEG图像处理方法，包括以下步骤，
S11、将预载体JPEG图像对应的第一量化DCT系数依次进行量化恢复和IDCT变换处理得到对应的空域图像；
S12、对空域图像中的每个空域块进行溢出检测；
S13、对有溢出的空域块进行去溢出处理，对无溢出的空域块不需要处理；
S14、对去溢出后空域图像依次进行DCT变换和量化处理得到第二量化DCT系数并对其进行编码后保存为JPEG图像即载体图像。
进一步的，所述S12对空域块进行溢出检测，包括：
检测空域块是否溢出即检测该空域块内是否存在空域值大于等于127或者小于等于-128，若存在则该块存在溢出，否则无溢出。
进一步的，所述S13中，对空域块进行去溢出处理具体步骤为：
对所有的空域值乘上一个系数α，0<α<1，使得所有空域值都大于等于-128且小于等于127。
进一步的，所述S13中，对空域块进行去溢出处理具体步骤为：
若空域块中的空域值大于127，则将它的值置为127-β；
若空域块中的空域值小于-128，则将它的值置为-128+β；
否则，维持原数值不变；
式中，β为预先设定好的一个常数，β为整数其5≤β≤10。
另一方面，本发明还公开一种基于空域去溢出预处理的鲁棒隐写方法，包括以下步骤，
S100、对预载体JPEG图像按照步骤S11-S14进行去溢出预处理得到载体图像；
S200、选择载体图像对应的任意第二量化DCT系数作为载体元素；
S300、使用隐写算法修改载体元素实现秘密消息的嵌入；
S400、使用与步骤S300中隐写算法对应的提取算法提取得到秘密消息。
进一步的，所述的步骤S300中，使用STC编码结合步骤S200中的载体元素、失真以及经过纠错编码后的秘密消息修改载体元素实现秘密消息的嵌入，嵌入秘密消息后的量化DCT系数经过编码后得到载密图像。
进一步的，所述的步骤S400包括如下步骤：
S401、在提取端对压缩后的载密图像进行解码得到第三量化DCT系数；
S402、对第三量化DCT系数依次进行量化恢复、量化处理得到第四量化DCT系数，该量化恢复与载密图像压缩时使用相同的量化表，该量化处理和步骤S14中的量化处理使用相同的量化表；
S403、针对第四量化DCT系数，选择与嵌入过程中位于相同位置的载体元素依次使用STC和纠错码解码得到秘密消息。
第三方面，本发明还公开一种鲁棒隐写***，包括：
预处理单元，用于对预载体JPEG图像按照步骤S11-S14进行去溢出预处理得到载体图像；
消息嵌入单元，用于选择载体图像对应的任意第二量化DCT系数作为载体元素、并使用隐写算法修改载体元素实现秘密消息的嵌入得到载密图像；
消息提取单元，用于从压缩后的载密图像中提取秘密消息。
最后本发明还公开一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如上述方法的步骤。
由上述技术方案可知，本发明所述的基于空域去溢出预处理的鲁棒隐写方法，首先对预载体进行去溢出预处理得到载体图像，经过此过程的载体图像具有较强的鲁棒性，因此不再需要之前介绍的基于广义抖动调制的鲁棒隐写算法中的载体元素选择过程，载体图像对应的所有第二量化DCT系数都可以作为隐写载体。这样存在两点好处：其一，载体元素选择更多，我们可以实现更高的嵌入率；其二，我们在实际处理时可以选择量化步长较小系数作为隐写载体，避免隐写修改时对图像内容造成较大修改，大大提高了隐写的安全性。故本案中通过去溢出预处理的鲁棒隐写方法，能够抗JPEG压缩的同时使得现有的隐写分析器难以区分载体图像是否被修改，安全性有显著提升，能够有效降低隐写行为被检测的可能性。
附图说明
图1是本发明的去溢出预处理流程图；
图2是本发明的方法流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合图1和图2，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1所示，本发明实施例首先公开一种JPEG图像处理方法，包括以下步骤，
S11、将预载体JPEG图像对应的第一量化DCT系数依次进行量化恢复和IDCT变换处理得到对应的空域图像；
S12、对空域图像中的每个空域块进行溢出检测；
S13、对有溢出的空域块进行去溢出处理，对无溢出的空域块不需要处理；
S14、对去溢出后空域图像依次进行DCT变换和量化处理得到第二量化DCT系数并对其进行编码后保存为JPEG图像即载体图像。
通过对有溢出的空域块进行去溢出处理，可以避免现有技术中采用空域截断方法所造成的不足，避免对空域值造成较大变化。
需要指出的是，JPEG处理中会将图像分为8x8的块，该预处理操作将对每个块分别处理，所以步骤S11中，是对分块的第一量化DCT系数依次进行处理得到空域块，所有空域块共同组成空域图像；步骤S14中，对去溢出的空域图像进行处理，其实是对去溢出的空域块进行处理得到分块的第二量化DCT系数。为了避免描述时过于赘述，上述步骤中对块、整体的区分不是很明显。
其中，所述S12对空域块进行溢出检测，包括：
检测空域块是否溢出即检测该空域块内是否存在空域值大于等于127或者小于等于-128，若存在则该块存在溢出，否则无溢出。
对空域块进行去溢出处理有很多种方法，本发明中提供了两种较为优选的实施方式以供参考。
实施例一：所述S13中对空域块进行去溢出处理具体步骤为：对所有的空域值乘上一个系数α，0<α<1，使得所有空域值都大于等于-128且小于等于127。通过等比缩小，让溢出的空域值缩小至正常取值区间内。
实施例二：所述S13中，对空域块进行去溢出处理具体步骤为：若空域块中的空域值大于127，则将它的值置为127-β；若空域块中的空域值小于-128，则将它的值置为-128+β；否则，维持原数值不变；式中，β为预先设定好的一个常数，β为整数，优选5≤β≤10。这里采用部分截断操作，避免了空域值溢出。
其次，如图2所示，本发明还公开一种基于空域去溢出预处理的鲁棒隐写方法，包括以下步骤，
S100、对预载体JPEG图像按照步骤S11-S14进行去溢出预处理得到载体图像；
S200、选择载体图像对应的任意第二量化DCT系数作为载体元素；
S300、使用隐写算法修改载体元素实现秘密消息的嵌入；
S400、使用与步骤S300中隐写算法对应的提取算法提取得到秘密消息。
其中，所述的步骤S300中，使用STC编码结合步骤S200中的载体元素、失真以及经过纠错编码后的秘密消息修改载体元素实现秘密消息的嵌入，嵌入秘密消息后的量化DCT系数经过编码后得到载密图像。
所述的步骤S400包括如下步骤：S401、在提取端对压缩后的载密图像进行解码得到第三量化DCT系数；S402、对第三量化DCT系数依次进行量化恢复、量化处理得到第四量化DCT系数，该量化恢复与载密图像压缩时使用相同的量化表，该量化处理和步骤S14中的量化处理使用相同的量化表；这个操作是为了使嵌入和提取中的量化步长相同。S403、针对第四量化DCT系数，选择与嵌入过程中位于相同位置的载体元素依次使用STC和纠错码解码得到秘密消息。
此处特别说明，现有技术中只能选择中频的量化DCT系数作为载体元素，而本发明经过去溢出预处理后，可以选择任意第二量化DCT系数作为载体元素，这样就可以选择出量化步长较小的载体元素，且我们可以实现更高的嵌入率。
下面对“去溢出预处理”进行详细说明：
1.由量化DCT系数得到对应的空域块：首先将每个图像解码得到的的分块量化DCT系数乘上量化表并进行IDCT(DCT逆)变换得到对应的空域块。
2.溢出检测：由于在JPEG处理的过程中会对所有的像素值都减去128，因此IDCT后得到的空域值相对于像素值有-128的差异。检测该块是否溢出即检测该块内是否存在空域值大于127或者小于-128，若存在则该块存在溢出，否则无溢出。
3.空域去溢出：对于无溢出的块不需要处理。对于溢出的块，设计了两种去除溢出的方法。
整体缩放：对所有的空域值乘上一个系数α，0<α<1，使得所有空域值都大于等于-128且小于等于127。
部分截断：对空域中的部分位置(通常选择溢出的位置)进行截断处理，即若该位置原来的值大于127，则将它的值置为127-β，若该位置原来的值小于-128，则将他的值置为-128+β，这里的β>＝0，可根据实际需要选择，最优选地，5≤β≤10。
4.计算对应的分块量化DCT系数：经过以上预处理的空域块已经不存在溢出，只需要进行DCT变换然后除以对应的量化表就可以得到对应的去溢出后的分块量化DCT系数。
所有块按照上述方法处理后保存就可以得到本发明实施例中的载体图像。
综上所述，本发明通过去溢出预处理得到载体图像，在该图像上进行隐写时所有位置都可以成为载体元素，因而能显著提高隐写的容量和安全性，方便在实际中的使用。
另一方面，本发明还公开一种鲁棒隐写***，包括以下单元，预处理单元，用于对预载体JPEG图像按照步骤S11-S14进行去溢出预处理得到载体图像；消息嵌入单元，用于选择载体图像对应的任意第二量化DCT系数作为载体元素、并使用隐写算法修改载体元素实现秘密消息的嵌入得到载密图像；消息提取单元，用于从压缩后的载密图像中提取秘密消息。
同时本发明还公开一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如上述方法的步骤。
可理解的是，本发明实施例提供的***与本发明实施例提供的方法相对应，相关内容的解释、举例和有益效果可以参考上述方法中的相应部分。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种JPEG图像处理方法，其特征在于：包括以下步骤，
S11、将预载体JPEG图像对应的第一量化DCT系数依次进行量化恢复和IDCT变换处理得到对应的空域图像；
S12、对空域图像中的每个空域块进行溢出检测；
S13、对有溢出的空域块进行去溢出处理，对无溢出的空域块不需要处理；
S14、对去溢出后空域图像依次进行DCT变换和量化处理得到第二量化DCT系数并对其进行编码后保存为JPEG图像即载体图像。
2.如权利要求1所述的JPEG图像处理方法，其特征在于：所述S12对空域块进行溢出检测，包括：
检测空域块是否溢出即检测该空域块内是否存在空域值大于等于127或者小于等于-128，若存在则该块存在溢出，否则无溢出。
3.如权利要求2所述的JPEG图像处理方法，其特征在于：所述S13中对空域块进行去溢出处理具体步骤为：
对所有的空域值乘上一个系数α，0<α<1，使得所有空域值都大于等于-128且小于等于127。
4.如权利要求2所述的JPEG图像处理方法，其特征在于：所述S13中，对空域块进行去溢出处理具体步骤为：
若空域块中的空域值大于127，则将它的值置为127-β；
若空域块中的空域值小于-128，则将它的值置为-128+β；
否则，维持原数值不变；
式中，β为预先设定好的一个常数，β为整数且5≤β≤10。
5.一种基于空域去溢出预处理的鲁棒隐写方法，其特征在于：包括以下步骤，
S100、对预载体JPEG图像按照步骤S11-S14进行去溢出预处理得到载体图像；
S200、选择载体图像对应的任意第二量化DCT系数作为载体元素；
S300、使用隐写算法修改载体元素实现秘密消息的嵌入；
S400、使用与步骤S300中隐写算法对应的提取算法提取得到秘密消息。
6.如权利要求5所述的基于空域去溢出预处理的鲁棒隐写方法，其特征在于：所述的步骤S300中，使用STC编码结合步骤S200中的载体元素、失真以及经过纠错编码后的秘密消息修改载体元素实现秘密消息的嵌入，嵌入秘密消息后的量化DCT系数经过编码后得到载密图像。
7.如权利要求6所述的基于空域去溢出预处理的鲁棒隐写方法，其特征在于：所述的步骤S400包括如下步骤：
S401、在提取端对压缩后的载密图像进行解码得到第三量化DCT系数；
S402、对第三量化DCT系数依次进行量化恢复、量化处理得到第四量化DCT系数，该量化恢复与载密图像压缩时使用相同的量化表，该量化处理和步骤S14中的量化处理使用相同的量化表；
S403、针对第四量化DCT系数，选择与嵌入过程中位于相同位置的载体元素依次使用STC和纠错码解码得到秘密消息。
8.一种鲁棒隐写***，其特征在于：包括：
预处理单元，用于对预载体JPEG图像按照步骤S11-S14进行去溢出预处理得到载体图像；
消息嵌入单元，用于选择载体图像对应的任意第二量化DCT系数作为载体元素、并使用隐写算法修改载体元素实现秘密消息的嵌入得到载密图像；
消息提取单元，用于从压缩后的载密图像中提取秘密消息。
9.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求1至7中任一项所述方法的步骤。
Priority Applications (1)
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| CN202110902976.8A CN113709323A (zh) | 2021-08-06 | 2021-08-06 | 一种jpeg图像处理方法、鲁棒隐写方法、***及存储介质 |
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|---|---|---|---|
| CN202110902976.8A CN113709323A (zh) | 2021-08-06 | 2021-08-06 | 一种jpeg图像处理方法、鲁棒隐写方法、***及存储介质 |
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| CN113709323A true CN113709323A (zh) | 2021-11-26 |
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Family Applications (1)
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| CN202110902976.8A Pending CN113709323A (zh) | 2021-08-06 | 2021-08-06 | 一种jpeg图像处理方法、鲁棒隐写方法、***及存储介质 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115330890A (zh) * | 2022-05-26 | 2022-11-11 | 中国人民解放军国防科技大学 | 基于全局调整和稳定块条件的秘密图像分享方法和*** |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN107944282A (zh) * | 2017-11-08 | 2018-04-20 | 安徽大学 | 一种基于非对称预测误差直方图修改的可逆信息隐藏方法 |
| CN108961137A (zh) * | 2018-07-12 | 2018-12-07 | 中山大学 | 一种基于卷积神经网络的图像隐写分析方法及*** |
| CN109447885A (zh) * | 2018-09-17 | 2019-03-08 | 罗向阳 | 一种基于dct系数差值的鲁棒图像隐写方法 |
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-
2021
- 2021-08-06 CN CN202110902976.8A patent/CN113709323A/zh active Pending
Patent Citations (4)
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| CN115330890A (zh) * | 2022-05-26 | 2022-11-11 | 中国人民解放军国防科技大学 | 基于全局调整和稳定块条件的秘密图像分享方法和*** |
| CN115330890B (zh) * | 2022-05-26 | 2023-12-12 | 中国人民解放军国防科技大学 | 基于全局调整和稳定块条件的秘密图像分享方法和*** |
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