一种大容量抗大压缩的图像信息隐藏方法
【专利摘要】本发明公开了一种大容量抗大压缩的图像信息隐藏方法，提出了一种子图像分类的准则，在信息嵌入前，先根据载体子图像的特征对载体子图像分类，选择出最优的子图像进行信息隐藏，有效提高了信息隐藏的性能。为了进一步增强信息隐藏的鲁棒性，巧妙地提出了一种“加固位”的方法，在大压缩比压缩的情况下仍能保证秘密信息提取的正确性，最大相对隐藏容量可达1/8，最大抗压缩倍数可达20倍甚至更高。能在用JPEG2000算法压缩2倍～16倍压缩的情况下高质量恢复秘密信息和载体图像，恢复载体图像PSNR典型值为40dB。
【专利说明】一种大容量抗大压缩的图像信息隐藏方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种图像通信的方法，特别涉及一种大容量抗大压缩的图像信息隐藏 方法，属于通信（如数据通信技术等）领域。
【背景技术】
[0002] 随着科技的发展，人们对高分辨率图像的需求越来越大，如果在其中隐藏数据则 能提高数据存储和传输效率；因此，在不增加传输速率（或不增加传输数据量）的情况下提 高高速数据中隐藏信息的数量和质量非常有意义。
[0003] 目前，国际上信息隐藏方法问题如下：
[0004] 最低有效位（LSB)隐藏方法是最简单的一种信息隐藏方法，它用待隐藏的信息比 特直接替换载体图像的最低有效位，隐藏容量可以达到1/8,但是没有抗压缩能力；就算把 隐藏容量降低到1/16, 1/32等，也难于对抗数据压缩，也就是说经过数据压缩后，隐藏的秘 密信息无法正确恢复。
[0005] 最高有效位（MSB)方法是一种无法使用的信息隐藏方法，它用待隐藏的信息比特 直接替换载体图像的最高有效位，不考虑载体质量则隐藏容量可以达到1/8,且具有一定的 抗压缩能力，但是该方法完全破坏了载体图像，即使不经过数据压缩等处理，也无法恢复载 体图像，隐藏的信息破坏了原始图像，可以说"得不偿失"、"喧宾夺主"，违背了信息隐藏方 法必须保证载体图像质量的基本原则。
[0006] 能抗压缩的典型隐藏方法隐藏容量小，一般低于1/128 ;对于信息隐藏而言，一般 情况下，相对容量高于1/128属于"大容量"；抗压缩能力大于8倍可称为"抗大压缩"。隐 藏容量决定了隐藏传输的效率，抗压缩能力决定了隐藏传输的数据的性能。显然，当前的隐 藏算法的性能还有待进一步的提高。隐藏的容量过小，将对数据传输系统负担的减轻起不 到实质的作用；抗压缩能力较弱，则不能保证隐藏传输压缩的可靠性。因此，对于以数据传 输为背景的信息隐藏应用而言，大容量且抗大压缩的隐藏算法提出迫在眉睫。
[0007] 常规的嵌入方法嵌入后经过JPEG2000压缩后即使像素的改变值为1、2也有可能 造成高位的突变，因此在抵抗压缩攻击时即使在最高位嵌入的隐藏方法的鲁棒性也不高。
【发明内容】
[0008] 本发明解决的技术问题是：克服传统隐藏方法在大容量隐藏情况下抗压缩能力 相对较弱的不足，提供了一种大容量抗大压缩的图像信息隐藏方法，具有抗大压缩比压缩 (JPEG2000)的能力，可达8倍、16倍、20倍甚至更高。
[0009] 本发明的技术方案是：一种大容量抗大压缩的图像信息隐藏方法，步骤如下： [0010] 1)将载体图像A分解为η幅大小相同的子图像，并从中选择m幅载体子图像用于 隐藏秘密信息；其中，m〈n，图像A的量化比特为Q，尺寸为M*N ;
[0011] 2)将秘密信息采用基础信息隐藏方法嵌入所述载体子图像中，获得m幅含密载体 子图像；所述采用基础信息隐藏方法嵌入所述载体子图像中的具体步骤为：将秘密信息转 化为二进制码流后，以R比特为一组，依次替换m幅中的每一幅载体子图像中像素的高R 位，即Q至R-1位，其中Q为最高位；
[0012] 3)对得到的m幅含密子图像进行抗压缩处理，得到m幅处理后的含密子图像；
[0013] 4)将经抗压缩处理后的m幅含密载体子图像和n-m幅不含密子图像按步骤1)中 分解的逆过程合成为一幅与A同等尺寸的含密图像，并将其数据压缩后传输至发送端；
[0014] 5)接收端对接收的数据进行解压译码后，通过与步骤1)相同的分解方法得到m幅 含密载体子图像和n-m幅不含密子图像，并从m幅含密载体子图像中提取出秘密信息；提取 秘密信息的具体方法为：按照步骤2)中的嵌入顺序依次提取载体子图像中像素的高R位， 即Q至Q-R-1位；
[0015] 6)利用n-m幅不含密子图像对m幅子图像进行预测值恢复，然后按分解的逆过程 合成得到完整的载体图像；所述预测值恢复的具体方法为：求取S = (λ 1*Χ1+λ 2*X2+··· ? +Ak*Xn-mVU 1+λ2+…·+ληι);其中，S表示m幅含密子图像中每一幅的预测值；XI、 Χ2···、Χη-ηι分别为n-m幅不含密子图像中与S对应位置的像素值；λ 1、λ 2、….、λ n-m为 预测的权值。
[0016] 所述步骤1)中所述的载体子图像的选取方法如下：依次计算η幅子图像的如下参 数G = DAV+1)，其中D为子图像的方差，V为子图像像素的均值；根据参数G的值从小到大 顺序排列，选择前m幅子图像作为最适合嵌入的载体子图像。
[0017] 所述步骤3)中所述抗压缩处理步骤如下：含密载体子图像的前R位，即Q至Q-R-1 位保持不变，第Q-R位设置为1，其余的位全部设置为〇。
[0018] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0019] 1)本发明提出了对含密图像的抗压缩处理的新方法。将加固方法与高位信息隐藏 方法相结合，避免这种含密图像中高位跳变的发生，使得本发明具有很强的抗压缩能力。能 在JPEG2000算法2倍?16倍压缩的情况下高质量恢复秘密信息和载体图像。
[0020] 2)本发明打破了传统的信息隐藏方法中存在的缺点。在传统信息隐藏中信息隐藏 后需对载体图像的影响要特别小、如果信息隐藏后对载体图像影响特别大，载体将无法使 用。而本发明从其它含密载体图像中恢复载体图像，在发送端摆脱了不可见性的束缚，在接 收端保证了载体的质量,恢复载体图像PSNR典型值为40dB (大于37dB)。
[0021] 3)本发明在拥有抗大压缩比的同时拥有较大的容量，容量最高可达1/8,其算法 的性能是当前现有文献和专利中的隐藏算法所无法比拟的。
[0022] 4)本发明较之于其它隐藏算法，具有鲁棒性强、易于硬件实现等有优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0023] 图1为本发明流程图。
【具体实施方式】
[0024] 下面就结合附图对本发明做进一步介绍。
[0025] 如因1所示为本发明方法流程图，具体实现步骤如下：
[0026] 1)将载体图像A分解为η幅大小相同的子图像，并从中选择m幅载体子图像用于 隐藏秘密信息。其中，m〈n，A为Q比特量化，图像尺寸为M*N。
[0027] 本实施例中 Μ = N = 512, Q = 8，n = 4，m=l;
[0028] 2)将秘密信息采用基础信息隐藏方法嵌入所述载体子图像中，获得m幅含密载体 子图像。
[0029] 所述的基础隐藏方法为：采用有效位直接替换的方法。将秘密信息转化为二进制 码流后，以R比特为一组，依次替换载体子图像中像素的高R位（即Q至Q-R-1位，Q为最 高位），隐藏的相对容量为Cap = m*lV(n*Q)，其中，R为小于Q的正整数；令秘密信息的bit 数为 L，L < Cap*M*N*Q。
[0030] 本实施例中，R = 1 时 Cap = 1/32 ;R = 2 时 Cap = 1/16 ;R = 4 时 Cap = 1/8 ;
[0031] 3)对得到的m幅含密子图像进行抗压缩处理，得到m幅处理后的含密子图像。
[0032] 4)将经抗压缩处理后的m幅含密载体子图像和n-m幅不含密子图像按步骤1)中 分解的逆过程合成为一幅与A同等尺寸的含密图像，并将其数据压缩后传输至发送端。
[0033] 5)接收端在进行解压译码后，通过与步骤1)相同的分解方法得到m幅含密载体子 图像和n-m幅不含密子图像。然后从m幅含密载体子图像中提取出秘密信息。
[0034] 其中，提取秘密信息的方法为：按照步骤2)中的嵌入顺序依次提取载体子图像中 像素的高R位（即Q至Q-R-1位，Q为最高位）。
[0035] 6)利用n-m幅不含密子图像对m幅子图像进行预测值恢复，然后按分解的逆过程 合成得到完整的载体图像；所述预测值恢复的具体方法为：求取S = (λ 1*Χ1+λ 2*X2+··· ? +Ak*Xn-mVU 1+λ2+…·+ληι);其中，S表示m幅含密子图像中每一幅的预测值；XI、 Χ2···、Χη-ηι分别为n-m幅不含密子图像中与S对应位置的像素值；λ 1、λ 2、….、λ n-m为 预测的权值；由于与S越相邻的像素与S的相关性越强，故越相邻像素的权值λ越大，反 之，λ越小。特殊的，当λ 1 = λ 2 =···. = λ n-m时，预测值S为Χ1、Χ2···、Χη-ηι的均值。
[0036] S = ( λ 1*Χ1+ λ 2*Χ2+... · + λ k*Xn_m) / ( λ 1+ λ 2+... · + λ n_m);
[0037] 本实施例中 λ 1 = 〇，λ 2 = 1 ;
[0038] S 的取值如下：SI = (Xl+X2)/2, S2 = (Χ1+Χ2+Χ3)/3。
[0039] 具体实施例
[0040] 为了验证本文提出的算法的性能，实验采用了多幅大小为512X512的8比特灰度 图像进行了仿真，下面以一个具体实例进一步说明本发明的工作过程和验证本发明提出算 法的性能。
[0041] 采用多幅大小为512X512的8比特灰度图像进行了实验仿真，嵌入秘密信息后载 体图像的改变程度用峰值信噪比（PSNR)来衡量，恢复的载体图像的PSNR主要取决于分解 图像中含密子图像所占的比例Μ/Ν。本发明的峰值信噪比（PSNR)均在30dB以上，甚至达 40-50dB，典型值为40dB左右（大于35dB)。
[0042] 隐藏容量 Cap = m*R/ (n*Q);
[0043] 其中，m为隐藏子图像个数，η为总子图像个数，Q为图像量化比特数，R为子图像 隐藏容量控制因子。如只用最高位R = 1 ;用最高位和次高位，R = 2 ;用最高位到第三位， R = 3 ;用最高位到第四位，R = 4。
[0044] 本发明隐藏容量可取许多值，极限隐藏容量Cap = 1/2*4/8 = 1/4,最大隐藏容量 Cap = 1/4*4/8 = 1/8,其他值为：
[0045] Cap = 1/4*2/8 = 1/16 ;Cap = 1/4*3/8 = 3/16 ;
[0046] Cap = l/4*l/8 = 1/32 ;Cap = l/8*2/8 = 1/16 ;
[0047] Cap = l/8*l/8 = 1/64 ;Cap = 1/16*1/4 = 1/64 ;
[0048] Cap = 2/16*1/8 = 1/64。
[0049] Cap小于1/64当然具有更优的质量。
[0050] 本发明隐藏方法可以对抗JPEG2000压缩算法的攻击，大容量情况下，压缩比在2 倍到20倍甚至更高。本发明隐藏容量可达1/8-1/64,恢复载体图像典型值为40dB左右（大 于 37dB)。
[0051] 本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。
【权利要求】
1. 一种大容量抗大压缩的图像信息隐藏方法，其特征在于步骤如下： 1) 将载体图像A分解为η幅大小相同的子图像，并从中选择m幅载体子图像用于隐藏 秘密信息；其中，m〈n，图像A的量化比特为Q，尺寸为M*N ; 2) 将秘密信息采用基础信息隐藏方法嵌入所述载体子图像中，获得m幅含密载体子图 像；所述采用基础信息隐藏方法嵌入所述载体子图像中的具体步骤为：将秘密信息转化为 二进制码流后，以R比特为一组，依次替换m幅中的每一幅载体子图像中像素的高R位，即 Q至R-1位，其中Q为最高位； 3) 对得到的m幅含密子图像进行抗压缩处理，得到m幅处理后的含密子图像； 4) 将经抗压缩处理后的m幅含密载体子图像和n-m幅不含密子图像按步骤1)中分解 的逆过程合成为一幅与A同等尺寸的含密图像，并将其数据压缩后传输至发送端； 5) 接收端对接收的数据进行解压译码后，通过与步骤1)相同的分解方法得到m幅含 密载体子图像和n-m幅不含密子图像，并从m幅含密载体子图像中提取出秘密信息；提取秘 密信息的具体方法为：按照步骤2)中的嵌入顺序依次提取载体子图像中像素的高R位，即 Q 至 Q-R-1 位； 6) 利用n-m幅不含密子图像对m幅子图像进行预测值恢复，然后按分解的逆过程合 成得到完整的载体图像；所述预测值恢复的具体方法为：求取S = (λ 1*Χ1+λ 2*X2+··· ? +Ak*Xn-mVU 1+λ2+…·+ληι);其中，S表示m幅含密子图像中每一幅的预测值；XI、 Χ2···、Χη-ηι分别为n-m幅不含密子图像中与S对应位置的像素值；λ 1、λ 2、….、λ n-m为 预测的权值。
2. 根据权利要求1所述的一种大容量抗大压缩的图像信息隐藏方法，其特征在于：所 述步骤1)中所述的载体子图像的选取方法如下：依次计算η幅子图像的如下参数G = D/ (V+1)，其中D为子图像的方差，V为子图像像素的均值；根据参数G的值从小到大顺序排 列，选择前m幅子图像作为最适合嵌入的载体子图像。
3. 根据权利要求1所述的一种大容量抗大压缩的图像信息隐藏方法，其特征在于：所 述步骤3)中所述抗压缩处理步骤如下：含密载体子图像的前R位，即Q至Q-R-1位保持不 变，第Q-R位设置为1，其余的位全部设置为0。
【文档编号】H04N19/467GK104065969SQ201410239943
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年5月30日 优先权日:2014年5月30日
【发明者】周诠, 呼延烺, 黎军, 朱厉洪, 方海, 张怡, 李静玲, 魏佳圆 申请人:西安空间无线电技术研究所