专利名称：基于湿纸编码的像素值差(pvd)密写方法
技术领域：
本发明属于数字图像处理技术领域，主要涉及一种基于湿纸编码的像素值差 (PVD)密写方法。
背景技术：
密写，也称作隐写术(Steganography),是向第三方隐藏秘密信息的方法之一。现有的密写方法主要有频域隐藏、空域隐藏、使用信号的色度隐藏、在数字图像的像素亮度的统计模型上隐藏、Patchwork法等隐藏信息的方法。其数据嵌入多采用最低有效位法(LSB) [1_3]。由于通过直接取代最低有效位很容易被人眼或程序[4]探测，基于人眼视觉系统的密写方法被提出[5_8]。另一种提高安全性的方法是采用湿纸编码进行密写。尽管在纹理区使用可适性嵌入可以改善密写的安全性，然而，限制选择通道的情况对攻击者也有利，为了进一步提高密写的安全性，采用不共享选择频道的密写，即湿纸密写[9]。所以将湿纸编码和基于人眼视觉系统的PVD密写结合起来，不但嵌入量高，而且安全性也得到极大的提高。参考文献[I]Chan C K, Chen L M 2004 Pattern Recognition. 37 469[2]Yang C H,Wang S J 2006 Journal of Discrete Mathematical Sciences and Cryptography.9 153[3]Wang R Z, Lin C F, Lin J C 2000 Pattern Recognition. 34 671[4]Fridrich J 2008 U. S. Patent 11/639355[5]Chang C C，Tseng H W 2004 Pattern Recognition Letters. 25 1431[6]Wang C M,ffu N I,Tsai C S,Hwang M S 2008 Systems and Software. 81 150[7]Wu D C Tsai W H 2003 Pattern Recognition Letters. 24 1613[8] Yang C H, Wang S J, Wen C Y 2010 Fundamenta Informaticae. 98 32
发明内容
本发明的目的是解决安全性低问题，提供一种基于湿纸编码的像素值差(PVD)密写方法，其优点是秘密信息被选择性的嵌入在选择频道内，改善了嵌入效率；在嵌入过程中根据视觉特性可适性划分差值所落入的区间，提高了密写的不可见性；不论如何嵌入，提取时只需做简单的矩阵乘法，保证了密写的灵活性。一种基于湿纸编码的像素值差(PVD)密写方法，该方法包括以下步骤步骤I、用光栅扫描的方法将载体图像划分为含四像素的图像块，相邻的像素记为 PijJj Pi,j+1，Pi+i,J+i和Pi+1,j ;位置为(i，j)的像素是Pi, j，i和j分别为此像素所在的行数和列数，Pi,j+1，Pi+1,J+1和Pi+1,j分别为Pi,j的水平向右，垂直向下和斜对角方向的像素；步骤2、针对每个小块，按照下面步骤(a)四像素小块中的像素重新命名为pl, p2, p3和p4,与其相应的灰度值分别为 gl, g2，g3和g4 ;求出其中最小的像素值，记为g0, g0对应的像素记为p0 ；
(b)构造四个两像素小块,分别记为groupl, group2, group3, group4,其对应的像素值分别记为(g0，gl)，(g0，g2)，(g0，g3)，(g0，g4)；(c)将0到255的差值范围划分为连续的区间，区间划分有很多种方法，只要满足区间宽度是以2为底数的指数函数即可，自变量为自然数；(d)计算步骤2(b)中每个两像素小块像素值差值dpj = 1，2，3，4，找出其所落入如步骤2 (c)所述区间的指数匕；步骤3、确定随机传输矩阵D，湿纸密写中的矩阵D'由发送方和接收方共享的随机数字发生器种子生成传输矩阵的具体元素，密写中需要传输的只是消息分组长度，即D' 的行数；步骤4、为符合人眼视觉特性，选择阈值，把步骤2(d)所计算的差值大于阈值的区域作为“干燥区域”；步骤5、在“干燥区域”内的差值由新差值取代，新差值由秘密信息的大小和其所在的区间决定，其他的保持原值，完成密写；步骤6、从新差值中按照湿纸密写原理提取秘密信息。以上各步具体操作如下I.计算步骤2(b)中每两像素小块的像素值差值Clj, j = 1,2,3,4dj = gj-g0gj是group (j)中与最小像素值gO相区别的像素值。2.确定随机传输矩阵D，假设载体图像长度为mXn，秘密信息看成比特流，其长度为h，要将秘密信息嵌入载体图像差值中，最多可以嵌入mn长度的秘密信息，需要大小为 hXmn的矩阵D。3.确定阈值和干燥区域，PVD密写法是一种基于人眼视觉系统的方法，其在像素值差值嵌入秘密信息，差值大，可嵌入的秘密信息位数多，差值小可嵌入少量或不嵌入秘密信息，敏感区域是人眼视觉特性中的频率敏感性、亮度敏感性、对比度掩盖性、边缘特性、纹理遮掩特性等特性综合确定的区域，为符合人眼视觉特性，在视觉不敏感的区域，即像素值差值大的区域，嵌入较多秘密信息，在视觉较敏感的区域，即像素值差值小或差值为O的区域嵌入少量或不嵌入秘密信息。将差值O确定为阈值，我们选择在视觉较敏感的区域，即大于阈值的区域，不嵌入秘密信息，则像素值差值大于O的区域即为嵌入秘密信息的“干燥区域”。4.将O到255的差值范围划分为连续的区间。将O到255划分成连续的区间，记为Ri, i = 1,2,3···, r, r是差值范围被划分的区间最大个数,这些区间被标记为I到r。Ri 的上下边界值分别记为Ii和Ui,其宽度为区间划分有很多种方法，只要满足区间宽度是以2为底数，自变量为自然数的指数函数，本发明中根据人眼视觉系统特性将其划分为 1-8-8-16-32-64-64-32-16-8-4-2-1。5.秘密信息的嵌入方法是设若干位二进制位流嵌入载体图像某一两像素小块的差值中，差值dpi = 1,2,3, 4，可能落在下标为Ici的区间内，嵌入的位数记为Iii，则Iii可表示为Iii =「log2 I (uki-lki+l) I「uki和Iki为区间Rki上下边界，设在组一，组二，组三和组四分别嵌入nl，n2，n3和n4位秘密信息，SI，S2，S3和S4分别为待嵌入的子位流，则SI | = nl, | S2 | = n2，| S3 | = n3，|S4| =114，设131沘23334分别为51，，32，53和54的十进制值，则新差值为d/ = lki+bi, i = I, 2, 3,4.两像素组新的灰度值为g/ = gO+d/ , i = 1,2,3,4.。6.提取秘密信息，如下式D' d' = sd'为由含密图像获得的差值，s为提取的秘密信息。本发明的优点和有益效果本发明的优点在于湿纸密写区别于其他密写方法的一个重要特点就是接收者不需要知道发送者所用的密写算法，而只对载体图像进行固定处理就可提取秘密信息，保证了发送者密写的灵活性，从而提高密写的隐蔽性。基于湿纸编码的人眼视觉系统的密写方法考虑了人眼视觉影响，隐蔽性进一步得到提高。
图I给出了本发明的实施例框图。图2给出了本发明所用到的光栅扫描法例图。图3是密写方法的具体实例图。
具体实施例方式基于湿纸编码的像素值差(PVD)密写方法，该方法包括以下步骤I、用光栅扫描的方法(如图2)将载体图像划分为若干个包含四像素的图像块，相邻的像素记为Pi,」，PijJ+1, Pi+1,j+1和pi+1,j，其具体数值如图3所示，分别为69，72，62和60。2、计算差值d,针对每个小块,其像素重新命名为pl, p2, p3和p4,与之相应的像素值分别记为gl，g2, g3和g4。找出最小的灰度值为gO的像素,记为p0。构造四个两像素小块，分别记为groupl, group2, group3, group4,其对应的像素值分别为groupl = (gO, gl) = (60,69), groupl = (gO, g2) = (60, 72), groupl = (gO, g3) = (60,62), groupl = (g0，g4) = (60，60)。分别计算每个小块像素值的差值dl，d2，d3和d4dl = gl-g0 = 69-60 = 9d2 = g2-g0 = 72-60 = 12d3 = g3-g0 = 62-60 = 2d4 = g4-g0 = 60-60 = 03、假设载体图像长度为2X2，要将秘密信息嵌入载体图像差值中，确定的大小为 4X4的随机传输矩阵为D'
Oi
β
I
I
14
O C4、确定干燥区域，PVD密写法是一种基于人眼视觉系统的方法，其在像素值差值嵌入秘密信息，差值大，可嵌入的秘密信息位数多，差值小可嵌入少量或不嵌入秘密信息，敏感区域是人眼视觉特性中的频率敏感性、亮度敏感性、对比度掩盖性、边缘特性、纹理遮掩特性等特性综合确定的区域，为符合人眼视觉特性，在视觉不敏感的区域，即像素值差值大的区域，嵌入较多秘密信息，在视觉较敏感的区域，即像素值差值小或差值为O的区域嵌入少量或不嵌入秘密信息。将差值O确定为阈值，我们选择在视觉较敏感的区域，即大于阈值的区域，不嵌入秘密信息，则像素值差值大于O的区域即为嵌入秘密信息的“干燥区域”。5、将O到255的差值范围划分为连续的区间。将O到255划分成连续的区间，记为Ri;i = 1，2，3···，Γ，Γ是被划分的区间个数，这些区间被标记为I到r。Ri的上下边界值分别记为Ii和Ui,其宽度为(Ui-Ifl)。区间划分有很多种方法，只要满足区间宽度是以2 为底数的指数函数，本发明中根据人眼视觉系统特性将其划分为1-8-8-16-32-64-64-32-1 6-8-4-2-1。6、秘密信息的嵌入方法，s为秘密信息D' Xd = S若D'已知，根据上式可以得到解d，d是与四个差值对应的大小为4X1的矢量， 根据d的大小即可确定嵌入位数，差值为0，表示在不干燥区域，不嵌入秘密信息。二进制位流嵌入到载体图像某一两像素小块的差值中，差值dpi = 1，2，3，4，可能落在指数为ki的区间内，嵌入的位数记为叫，Hi = 0，表示不嵌入，则Ili可表示为Iii = Γ log2 (uki-lki+l) I「uki 和 Iki 为区间 Rki 上下边界，设在 groupl, group2, group3, group4 分别嵌入 nl, n2, n3和n4位秘密信息,如图3所示nl ==「log2 I (ukl-■iki+D「=「log2 (16-9+1)
n2 ==「log2 (uk2-lk:2+l)「==「log2 (16-9+1)
n3 ==「log2 (uk3-lk:3+1)「==「log2 (8-1+1) 「
n4 ==「log2 (uk4-lk:4+1) 「==「log2 (0+1)「=如图3所示，秘密信息流为1011010111…，SI，S2，S3和S4分别为待嵌入的子位流，则 SI = 101，S2 = 101，S3 = 011，S4 = O, SI | = nl = 3，S2 = n2 = 3，S3 = n3 =3, I S4 I = n4 = 0设bl，b2，b3，b4分别为SI，，S2，S3和S4的十进制值，则bl = (IOl)2 = 5b2 = (IOl)2 = 5b3 = (Oll)2 = 3b4 = 0
新差值为dl'=lkl+bl=9+5 =14d2'=lk2+b2 = 9+5 =14d3'=lks+b3 =1+3 = 4d4'=lk4+b4 = 0+0 = 0新的像素值为gl'=gO+dl' =60+14 = 74g2' = g0+d2' =60+14 = 74g3'= g0+d3' =60+4 = 64g4' = g0+d4' = 60+0 = 607、提取秘密信息，对含密图像重复步骤1和步骤2的操作，得到差值d'，提取时如 下式D' Xd' = s用光栅扫描的方法(如图2~)将含密图像划分为若干个包含四像素的图像块，相邻 的像素记为Pi, j，Pi, j+1，Pi+1,J+1和Pi+1,j，其具体数值如图3所示，分别为74，74，64和60，其 大小为2X2。差值dl'=14, d2'=14, d3' = 4, d4' ニ 0，其对应大小为4X1的向量 d'，嵌入秘密信息之前确定的大小为4X4的传输矩阵为D'
权利要求
1.一种基于湿纸编码的像素值差(PVD)密写方法，其特征在于该方法包括以下步骤步骤I、用光栅扫描的方法将载体图像划分为含四像素的图像块，相邻的像素记为PM，Pi, J+1，Pi+1,J+1和Pi+1,」；位置为(i，J)的像素是Pi,」，i和j分别为此像素所在的行数和列数， Pi,j+1，Pi+i,J+i和Pi+1,j分别为Pi,」的水平向右，垂直向下和斜对角方向的像素；步骤2、针对每个小块，按照下面步骤(a)四像素小块中的像素重新命名为pl，p2,p3和p4,与其相应的灰度值分别为gl, g2，g3和g4 ;求出其中最小的像素值，记为g0, g0对应的像素记为PO ；(b)构造四个两像素小块,分别记为groupl,group2, group3, group4,其对应的像素值分别记为(g0, gl)，(g0, g2), (g0, g3), (g0, g4)；(c)将0到255的差值范围划分为连续的区间，区间划分时的区间宽度是以2为底数的指数函数；(d)计算步骤2(b)中每个两像素小块像素值差值dpj= 1，2，3，4，找出其所落入如步骤2 (c)所述区间的指数ki;步骤3、确定随机传输矩阵D，湿纸密写中的矩阵D'由发送方和接收方共享的随机数字发生器种子生成传输矩阵的具体元素，密写中需要传输的只是消息分组长度，即D'的行数；步骤4、为符合人眼视觉特性，在像素值差值小或差值为O的区域嵌入少量或不嵌入秘密信息，将差值O确定为阈值，把步骤2(d)所计算的差值大于阈值的区域作为“干燥区域”;步骤5、在“干燥区域”内的差值由新差值取代，新差值由秘密信息的大小和差值所在的区间决定，其他的保持原值，完成密写；步骤6、从新差值中按照湿纸密写原理提取秘密信息。
2.根据权利要求I所述的基于湿纸编码的像素灰度值差(PVD)密写方法，其特征在于步骤2(b)每两像素小块的像素值差值七按如下公式计算，其中j = 1,2,3,4dj = gj-g0gj是group (j)中与最小像素值g0相区别的像素值。
3.根据权利要求I所述的基于湿纸编码的像素值差(PVD)密写方法，其特征在于所述步骤3确定随机传输矩阵D，假设载体图像长度为mXn，秘密信息看成比特流，其长度为h， 要将秘密信息嵌入载体图像差值中，最多可以嵌入mn长度的秘密信息，需要大小为hXmn 的矩阵D。
4.根据权利要求I所述的基于湿纸编码的像素灰度值差(PVD)密写方法，其特征在于所述步骤4确定干燥区域，PVD密写法是一种基于人眼视觉系统的方法，其在像素值差值嵌入秘密信息，差值大，可嵌入的秘密信息位数多，差值小可嵌入少量或不嵌入秘密信息，敏感区域是人眼视觉特性中的频率敏感性、亮度敏感性、对比度掩盖性、边缘特性、纹理遮掩特性综合确定的区域，为符合人眼视觉特性，在视觉不敏感的区域，即像素值差值小或差值为O的区域嵌入少量或不嵌入秘密信息；将差值O确定为阈值，我们选择在视觉较敏感的区域，即大于阈值的区域，不嵌入秘密信息，则像素值差值大于O的区域即为嵌入秘密信息的 “干燥区域”。
5.根据权利要求I所述的基于湿纸编码的像素灰度值差(PVD)密写方法，其特征在于所述步骤2 (c)中将O到255的差值范围划分为连续的区间，将O到255划分成连续的区间，记为Ri, i = 1,2,3···, r, r是被划分的区间个数,这些区间被标记为I到r 的上下边界值分别记为^和^，其宽度为(Ui-Ifl);区间划分有很多种方法，只要满足区间宽度是以2 为底数，自变量为自然数的指数函数，本发明中根据人眼视觉系统特性将其划分为1-8-8-1 6-32-64-64-32-16-8-4-2-1。
6.根据权利要求I和权利要求4所述的基于湿纸编码的像素灰度值差(PVD)密写方法，其特征在于所述步骤5秘密信息的嵌入方法设若干位二进制位流嵌入载体图像某一两像素小块的差值中，差值dpi = 1，2，3，4，可能落在下标为h的区间内，嵌入的位数记为Iii，则Iii可表示为 Iii =「log2(uki-lki+l) I「Uki和Iki为区间Rki上下边界，设在步骤2 (b)中groupl, group2, group3, group4分别嵌入nl，n2，n3和n4位秘密信息，SI，S2，S3和S4分别为待嵌入的子位流，则I SI | = nl， S2| =n2，I S3 I =n3，S4 = n4，设 bl，b2，b3，b4 分别为 SI，，S2，S3 和 S4 的十进制值， 则新差值为d/ = Iki+bi； i = 1,2,3,4.两像素组新的灰度值为 g/ = gO+d/ , i = 1,2,3,4. ο
7.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于所述步骤6提取秘密信息，如下式 D, d, = sd'为由含密图像获得的差值，s为提取的秘密信息。
全文摘要
一种基于湿纸编码的像素值差(PVD)密写方法。本发明将载体图像划分为若干个包含四个像素的图像块，在每个小块的像素值与最小像素值的差值的“干燥区域”，嵌入秘密信息；该方法嵌入量大，安全性好，提取简单。
文档编号G06T1/00GK102609892SQ201210008339
公开日2012年7月25日 申请日期2012年1月12日 优先权日2012年1月12日
发明者曹丽丽, 杨晓苹, 陈志宏 申请人:天津理工大学