一种基于密度转换的安全半色调图像隐写方法

1.本发明涉及信息安全技术领域，尤其是一种基于密度转换的安全半色调图像隐写方法。


背景技术：

2.半色调图像，是相对于连续图像而言的，通过网点的大小或疏密表达图像层次，色彩的 变化，这类图像的细节变化不连续。当前对于半色调图像的隐写技术均只注重视觉质量和嵌 入容量，并没有考虑遭遇隐写分析器时的隐写安全性。
3.传统的图像隐写通常基于直方图的方法将数据信息隐藏在图像中，然而这种直方图的方 法不适用于半色调图像。这是因为半色调图像作为二值图像的一种，不适用于灰度直方图和 游程长度直方图。前者是因为灰度直方图应用于二值图像时，其两中强度的表示方式导致数 据信息不经选择就嵌入在了图像中，失去了图像隐写的意义；后者则是由于半色调图像是由 分散的像素点组成，两个黑色像素之间的距离较短，运行长度等于1的游程不适合嵌入，而 当运行长度减去1时，则导致白色像素的运行长度合并，无法找到嵌入位置。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本发明提供一种基于密度转换的安全半色调图像隐写方法，能够有 效地选择信息嵌入的像素块，提升半色调图像隐写的嵌入效率。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
6.一种基于密度转换的安全半色调图像隐写方法，包括下述步骤：
7.a1、制密度直方图的绘制：将半色调图像进行划分，以将所述半色调图像分成多个非重 叠块，根据所述非重叠块的像素密度，绘制密度直方图；
8.a2、像素密度对的选择：通过密度对选择模型在所述密度直方图中获得密度相邻的合适 的箱体，且所述箱体中的像素构成像素密度对；
9.a3、像素密度块的选择：在全部所述非重叠块中获得与所述像素密度对的像素密度相同 的像素密度块，且将所述像素密度块建立像素密度块序列；
10.a4、像素密度块信息的嵌入：通过将所述像素密度块嵌入信息后，根据所述像素密度块 的序列进行重新组合，以生成半色调图像的隐写图像。
11.进一步地，在步骤a1中，将所述半色调图像划分成大小为m
×
n的所述非重叠块，计算 每一所述非重叠块的像素密度，以获得密度直方图。
12.进一步地，所述密度对选择模型通过相邻所述箱体之间的接近程度及相邻所述箱体的信 息容量，获得合适的像像素密度对k及k+1，以使嵌入的信息量为合适值，且减少视觉损失。
13.进一步地，在步骤a2中，所述密度对选择模型为：
[0014][0015]
其中，f(k)及f(k+1)为所述密度直方图中像素密度分别为k及k+1的所述箱体，像 素密度分别为k及k+1的所述箱体中的像素密度构成所述像素密度对；|f(k)-f(k+1)|为所 述箱体像素值之差的绝对值，并表示两所述箱体之间像素密度的接近程度；f(k)+f(k+1) 为两所述箱体中一个像素密度对的像素值之和，并表示能够嵌入信息的非重叠块的数量；r 为调节参数，且r用于均衡嵌入容量及视觉质量；
[0016]
通过计算所述密度对选择模型的最小值，以获得最合适的k及k+1。
[0017]
进一步地，在步骤a3中，在全部所述非重叠块中选择像素密度为k及k+1的所述非重 叠块中作为像素密度块。
[0018]
进一步地，在步骤a4中，根据所述像素密度块的像素密度大小，对所述像素密度块的 像素密度进行翻转，以使所述像素密度块的像素密度得到转换。
[0019]
进一步地，与所述像素密度块对应的两所述像素密度块中，其中一较低密度的所述像素 密度块嵌入信息为1，以使所述半色调图像的一个像素由白色转换为黑色；其中一较大密度 的所述像素密度块嵌入信息为0，以使所述半色调图像的一个像素由白色转换为黑色。
[0020]
本发明的有益效果是：
[0021]
通过根据半色调图像的像素，将半色调图像划分为多个非重叠块，其中每个非重叠块中 黑色像素或0像素的数量定义为像素密度，根据每一非重叠块的像素密度绘制出像素密度直 方图，通过对半色调图像中具有复杂纹理的中等像素密度区域的非重叠块，进行像素密度修 改后不会产生明显的噪声，而像素密度直方图能够突出半色调图像的上述优点，因此通过构 造像素密度直方图，有效地选择信息嵌入的像素块，提升半色调图像隐写的嵌入效率。本发 明通过在像素密度直方图并利用密度对选择模型获得合适的像素密度块后，将所述像素密度 块嵌入信息，实现像素的反转，将一个像素块密度转换为相邻像素块的密度，提升视觉质量 和提高图像隐写的安全性，同时提高反隐写分析的视觉不可感知性和统计安全性。
附图说明
[0022]
图1是本发明一较佳实施方式的基于密度转换的安全半色调图像隐写方法的流程图。
[0023]
图2是本发明一较佳实施方式的基于密度转换的安全半色调图像隐写方法与dhspt方 法及gim方法的结果对比图。
[0024]
图3为嵌入信息前的半色调图像。
[0025]
图4是本发明一较佳实施方式的基于密度转换的安全半色调图像隐写方法嵌入信息后的 半色调图像。
具体实施方式
[0026]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描 述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
量及视觉质量。
[0039]
通过计算密度对选择模型的最小值，以获得最合适的k及k+1。
[0040]
本实施例中，像素密度分别为k及k+1的箱体中的像素可以组成像素密度对，由于|f(k)
ꢀ‑
f(k+1)|为箱体像素值之差的绝对值，并表示两箱体之间像素密度的接近程度，当|f(k)-f (k+1)|的值越小，表明两个箱体之间的距离越近；f(k)+f(k+1)为两箱体中一个像素密 度对的像素值之和，并表示能够嵌入信息的非重叠块的数量，当f(k)+f(k+1)的值越大表 示能够嵌入的信息量越大，本实施例的密度对选择模型的目标就是通过求解合适的k值，使 得所先嵌入的信息量是合适的，同时确保相邻块之间的距离尽可能地小以提高视觉质量。
[0041]
a3、像素密度块的选择：在全部非重叠块中获得与像素密度对的像素密度相同的像素密 度块，且将像素密度块建立像素密度块序列。其中，像素密度块序列表示像素密度块所在半 色调图像隐中的位置。
[0042]
本实施例在步骤a3中，在全部非重叠块中选择像素密度为k及k+1的非重叠块中作为 像素密度块。
[0043]
a4、像素密度块信息的嵌入：通过将像素密度块嵌入信息后，根据像素密度块的序列进 行重新组合，以生成半色调图像的隐写图像。将像素密度块的序列进行重新组合，实现了半 色调图像的加密，而根据像素密度块序列的关系能够对半色调图像进行还原。
[0044]
在步骤a4中，根据像素密度块的像素密度大小，对像素密度块的像素密度进行翻转， 以使像素密度块的像素密度得到转换，本实施例选择的像素密度为k和k+1的像素密度对之 间实现像素翻转，继而完成块的像素密度转移，将信息嵌入进去，完成半色调图像的隐写。
[0045]
本实施例通过在像素密度直方图并利用密度对选择模型获得合适的像素密度块后，将像 素密度块嵌入信息，实现像素的反转，将一个像素块密度转换为相邻像素块的密度，提升视 觉质量和提高图像隐写的安全性，同时提高反隐写分析的视觉不可感知性和统计安全性。
[0046]
本实施例的步骤a4中，与所述像素密度块对应的两所述像素密度块中，其中一较低密 度的所述像素密度块嵌入信息为1，以使所述半色调图像的一个像素由白色转换为黑色；其 中一较大密度的所述像素密度块嵌入信息为0，以使所述半色调图像的一个像素由白色转换 为黑色。
[0047]
像素密度转换的过程是通过翻转(即
±
1的修改过程)像素密度块中的像素密度对来实 现块中像素密度的变化。每个半色调图像块都有对应的像素密度，选择素密度块作为块序列， 素密度块的像素密度可以看作是一个信息序列。通过翻转相应块中的一些像素密度对，可以 将此像素密度块的像素密度转移到另一个像素密度。
[0048]
本实施例中，通过密度对选择模型在密度直方图中所选择的像素密度块能够作为像素密 度转换的载波，在密度直方图中选择合适的箱体后，其对应的像素密度块可以通过像素密度 转换嵌入信息。而信息嵌入的过程是对像素密度块中所选的像素密度对进行
±
1的修改。
[0049]
本实施例将黑色像素密度的概念引入到半色调隐写方法中，通过构造像素密度直方图， 有效地选择信息嵌入的像素块，提升半色调图像隐写的嵌入效率。而且基于pmmtm的
像素 翻转策略，选择适合像素密度转换的像素密度对，通过翻转像素提高图像隐写的安全性，同 时提高反隐写分析的视觉不可感知性和统计安全性。
[0050]
采用本实施例一较佳实施方式的基于密度转换的安全半色调图像隐写方法对一张长宽分 别为lw
×
lh的半色调图像x进行隐写：
[0051]
b1、首先将半色调图像x划分为m
×
n的非折叠块，设置r的值为2。
[0052]
b2、计算每个非折叠块的像素密度，并绘制像素密度直方图。
[0053]
b3、根据公式(1)在像素密度直方图中选择相邻的合适的箱体，箱体中的像素构成像 素密度对。
[0054]
b4、在所有的非折叠块中选出与像素密度对相同的像素密度块，并建立像素密度块序列；
[0055]
b5、当一个像素密度块的像素密度低于阈值，该像素密度块嵌入信息为1，实现将半色 调图像的一个像素由白色转换为黑色；当一个像素密度块的像素密度大于或等于阈值，该像 素密度块嵌入信息为0，实现将半色调图像的一个像素由黑色转换为白色。
[0056]
b6、重复步骤b5，直至待嵌入的信息的全部字节都已经嵌入到图像中；
[0057]
b7、依据像素密度块序列重新组合这些块，生成半色调图像x的隐写图像y。
[0058]
为了说明本实施例效果的视觉质量，建立9000张半色调图像数据库，这些图像大多数为 自然景色、建筑物和动物，所有半色调图像均调整为256
×
256像素。被嵌入的信息量为 1024bit，本实施例的方案通过与当前现有的dhspt和gim两种嵌入方案对比，
[0059]
由于传统的视觉质量评估方法，如均方误差(mse)、峰值信噪比(psnr)和结构相似 性指数度量(ssim)均不适用于半色调图像，因此设计一种合理的评估办法：
[0060]
由于像素的局部聚集，半色调图像的失真主要以“黑白相间”的伪影的形式出现。较大 规模的局部聚集在视觉上比较小规模的局部聚集的视觉质量更差。因此，测量视觉质量的一 个好方法是测量“黑白相间”的伪影的数量和大小。
[0061]
基于半色调图像中的四类像素：亮区域的黑半色调像素，亮区域的白半色调像素，暗区 域的黑半色调像素，暗区域的白半色调像素。
[0062]
于是，定义：
[0063][0064][0065][0066][0067][0068]
其中，ni表示半色调图像中拥有i个相同邻居像素值的亮区域的黑半色调像素和暗区域 的白半色调像素的总量。
[0069]
因此，s1为半色调图像中亮区域中的黑色像素和暗区域中的白色像素的总和。
[0070]
s2表示半色调图像中黑色像素和暗区域中的白色像素的覆盖面积。
[0071]
s3给出了每类像素的平均面积。
[0072]
s4为元素为3个或以上像素构成的像素类中元素的数量。
[0073]
s5是具有线性惩罚模型，即对视觉上质量较好的孤立的黑色或白色像素给予零惩罚。
[0074]
于是，在9000张图像中测算出s
1-s5五项指标的平均值，与dhspt和gim两种方法的 结果对比如图2所示。可见，本发明的半色调图像隐写算法，具有更好的视觉质量，与嵌入 前图像的差异程度最小。
[0075]
图3为信息嵌入前的9000张半色调图像中的5张半色调图像；图4为采用本实施例的基 于密度转换的安全半色调图像隐写方法嵌入1024bit信息后的9000张半色调图像中的5张半 色调图像，根据图3和图4可见本实施例的方案在视觉上是难以察觉的，并没有发生明显变 化。