一种自适应秘密信息多基表示的信息隐藏方法与流程

本发明涉及一种数据通信的方法，特别涉及一种自适应秘密信息多基表示的信息隐藏方法，属于通信(如数据通信技术等)领域。

背景技术：

信息隐藏，又称为数据隐藏，是利用人眼的视觉冗余将待传输的秘密信息嵌入到数字多媒体载体(如文字、指纹、图像、视频等)中，形成一个含密的多媒体信息或者无法识别的码流来达到信息的安全保存、隐秘传输等目的。

空域隐藏方法通过修改载体像素值来隐藏秘密信息。目前大多数隐藏方法，如lsbmr，emd，femd，de等，在每个载体像素中嵌入等量的秘密信息，而不考虑载体图像的局部复杂度。然而，人眼视觉系统(hvs)对图像中复杂区域和平坦区域的像素改变量感受不同。一般来说，人眼很难发现复杂区域的像素变化，但是容易发现平坦区域的变化。因此，另一类信息隐藏方法根据图像的不同复杂度嵌入不同的秘密信息，在复杂区域嵌入大量秘密信息来保证隐藏容量，在平坦区域嵌入较少秘密信息以避免引起严重的视觉失真。这类方法主要有pvd，pvd+lsb，mf-pvd，de-pvd等，根据载体像素对的差值进行信息隐藏，差值越大，隐藏的秘密信息越多。然而这类方法仅仅考虑了两个像素间的差值，忽略了图像块的局部复杂程度，导致无法准确的预测像素对所在位置的复杂度。另一方面，目前信息隐藏方法中的秘密信息基本都是二进制数，而且二进制数只能转为特定的进制数，例如2位二进制数正好对应一位4进制数，3位二进制数对应8进制数，这样5-7进制数就没有办法表示(或者用二进制表示时会存在冗余)，但是这些进制的秘密信息在隐藏时产生的失真可能更小，所以能够隐藏不同进制秘密信息的方法更有优势，可以获得不同的隐藏容量，实用性更强。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种自适应秘密信息多基表示的信息隐藏方法，该方法考虑载体图像的复杂度，根据人眼视觉系统(hvs)对图像纹理和边缘区域的像素改变不敏感，对平坦区域像素改变敏感的机理，自适应地将图像内容分为复杂区域、过渡区域和平坦区域，并用不同大小的基对秘密信息重新表示，在图像纹理丰富区域和边缘区域隐藏较多秘密信息，在图像平坦区域隐藏较少秘密信息。通过秘密信息多基表示实现了自适应信息隐藏，改变常规秘密信息单一进制的局限性，不仅可以使含密图像具有较高的视觉不可见性，降低被攻击风险，而且可以提高秘密信息的抗检测能力，为秘密信息的安全传输提供双重保障。

本发明的技术解决方案是：一种自适应秘密信息多基表示的信息隐藏方法，包括如下步骤：

(1)对载体图像i进行分块，图像块大小为r×r；求取各块的标准差σ，其中μ为图像块均值；令σ保留小数点后1位有效数字，得到该图像的标准差集合{σ}；

(2)统计各个标准差所占比例，根据标准差的统计分布，确定图像块进行复杂度分类的两个阈值t1,t2；

(3)利用图像块的复杂度进行秘密信息基数选择，对秘密信息进行多基处理，得到该图像块需要隐藏的秘密信息序列{s_ary}；

(4)将图像块中的相邻像素两两组对，用钻石编码算法进行信息隐藏，得到含密载体像素对(g'1,g'2)；

(5)对隐藏前后复杂度不一致的图像块进行处理，保证复杂度不改变；

(6)重复执行步骤(3)至步骤(5)直至秘密信息全部隐藏完。

所述步骤(1)中求取各块的标准差

步骤(2)中所述确定图像块复杂度分类阈值t1,t2的方法，包括以下步骤：

(2a)将标准差集合中重复的值剔除，仅保留一个，并按升序排列，结果记为{σm}，m为正整数，然后计算不同标准差值σm在集合{σ}中所占比例pm；

(2b)预设两个概率值p1,p2，累加每个标准差的概率值pm，将图像块分为三类；第一类，当时，记录对应的标准差值序号m1，则即标准差＜t1所占的概率小于p1，该类图像块为平坦块，信息隐藏时嵌入较少信息；第二类，当时，记录对应的标准差值序号m2，则即t1≤标准差＜t2所占概率大于等于p1小于p2，该类图像块属于过渡块，隐藏时信息量适中；第三类，标准差所占概率大于等于p2，该类图像块为复杂块，可隐藏较多秘密信息。

所述步骤(3)的具体方法为：设定参数k1<k2<k3<10，分别对应平坦块、过渡块和复杂块；首先，将二进制秘密信息转换为十进制数x，然后根据图像块的复杂度，选择相应的参数ki，i＝1,2,3，计算该块隐藏秘密信息的基数b＝2×ki²+2×ki+1，并进行多进制秘密信息表示：s_ary＝mod(x,b)，更新x＝floor(x/b)，floor表示向下取整；根据块内载体像素对的数量，重复多次进行多进制表示，得到该图像块需要隐藏的秘密信息序列{s_ary}。

所述步骤(4)中用钻石编码算法进行信息隐藏，得到含密载体像素对(g'1,g'2)的具体方法为：给定载体像素对(g1,g2),计算f＝mod((2×ki+1)×g1+g2,b)，判断f与待隐藏秘密比特s_ary是否相等，如果f＝s_ary，则含密载体像素对(g'1,g'2)＝(g1,g2)；如果f≠s_ary，则在以(g1,g2)为中心的十字型区域内搜索，搜索半径，即载体像素最大修改量为ki，找到满足f＝s_ary的像素对(g'1,g'2)来完成信息隐藏，即mod((2×ki+1)×g'1+g'2,b)＝s_ary。

如果所述步骤(4)计算获得的含密像素对(g'1,g'2)超出像素取值范围，则按下式(1)对载体像素对(g1,g2)进行预处理后再重新进行步骤(4)的信息隐藏

所述步骤(5)的具体处理方法为：

(5a)如果隐藏前图像块属于平坦块，隐藏后属于过渡块，或者隐藏前图像块属于过渡块，隐藏后属于复杂块，进行下述处理：将图像块内差值d＝|g'1-g'2|最大的含密像素对(g'1,g'2)重新进行信息隐藏，选择差值变小的像素对(g”1,g”2)作为隐藏结果(即|g”1-g”2|<|g'1-g'2|)；如果复杂度没有改变，继续将块内差值最大的含秘像素对重新隐藏，直至含密块的复杂度与隐藏前相同为止；

(5b)如果隐藏前图像块属于过渡块，隐藏后属于平坦块，或者隐藏前图像块属于复杂块，隐藏后属于过渡块，进行下述处理：将图像块内差值d＝|g'1-g'2|最小的含密像素对(g'1,g'2)重新进行信息隐藏，选择差值变大的像素对(g”1,g”2)作为隐藏结果(即|g”1-g”2|>|g'1-g'2|)；如果复杂度没有改变，继续将块内差值最小的含秘像素对重新隐藏，直至含密块的复杂度与隐藏前相同为止。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明根据图像本身内容的复杂度进行秘密信息多基表示，实现自适应信息隐藏，含密图像具有更高的不可见性和抗检测能力。

(1)根据人眼视觉系统对图像不同复杂度敏感性不同的机理，不同类的图像块进行信息隐藏时将秘密信息用多种基数表示，使得信息隐藏量与图像复杂度相匹配，提高含密图像的不可见性；

(2)利用图像块标准差的统计分布特点获得其复杂度分类的阈值，相比采用经验值更合理，而且可以根据隐藏容量自动调整阈值，从而保证含密图像质量更高；

(3)秘密信息进行多基处理，打破常规单一进制秘密信息的局限性，使得信息隐藏安全性更高，应用更广泛；

(4)秘密信息在载体图像中隐藏具有非均匀性，提高了秘密信息抗检测能力。

附图说明

图1钻石编码算法示意图(k＝2,b＝13)；

图2本发明仿真所用载体图像，其中图2(a)-图2(f)为自然图像，图2(g)-图2(h)为特殊自然图像和遥感图像。

具体实施方式

本发明提供了一种新的秘密信息多基表示信息隐藏方法，在同样隐藏容量时，能够改善de(钻石编码算法)隐藏方法含密图像质量，尤其对存在溢出点较多的自然图像或遥感图像，当隐藏容量增加时，含密图像改善更明显。同时该方法具有自适应性强、安全性高等特点，从而在地面系统以及航天器工程中都具有实用价值。

下面结合附图对本发明具体实施方式做进一步介绍。

图1所示是de算法的像素修改范围示意图，其中k＝2，b＝13。

通过本发明方法实现自适应秘密信息多基表示的信息嵌入过程步骤如下：

(1)对载体图像i进行分块(图像块大小为4×4)，求取各块的标准差其中μ为图像块均值，σ保留小数点后1位有效数字，得到该图像的标准差集合{σ}；

(2)统计各个标准差所占比例，根据标准差的统计分布，确定图像块进行复杂度分类的两个阈值t1,t2，具体包括以下步骤：

(2a)将标准差集合中重复的值剔除，仅保留一个，并按升序排列，结果记为{σiσm}，m为正整数，然后计算不同标准差值σiσm在集合{σ}中所占比例pm；

(2b)预设两个概率值p1,p2，累加每个标准差的概率值pm，将图像块分为三类。第一类，当时，记录对应的标准差值序号m1，则即标准差＜t1所占的概率小于p1，该类图像块为平坦块，信息隐藏时嵌入较少信息；第二类，当时，记录对应的标准差值序号m2，则即t1≤标准差＜t2所占概率大于等于p1小于p2，该类图像块属于过渡块，隐藏时信息量适中；第三类，标准差所占概率大于等于p2，该类图像块为复杂块，可隐藏较多秘密信息。

(3)利用图像块的复杂度进行秘密信息基数选择，对秘密信息进行多基处理：设定参数k1<k2<k3<10，分别对应平坦块、过渡块和复杂块。首先，将二进制秘密信息转换为十进制数x，然后根据图像块的复杂度，选择相应的参数ki，i＝1,2,3，计算该块隐藏秘密信息的基数b＝2×ki²+2×ki+1，并进行多进制秘密信息表示：s_ary＝mod(x,b)，更新x＝floor(x/b)，floor表示向下取整。根据块内载体像素对的数量，重复多次进行多进制表示，得到该图像块需要隐藏的秘密信息序列{s_ary}；

(4)将图像块中的相邻像素两两组对，用钻石编码算法进行信息隐藏，即：给定载体像素对(g1,g2),计算f＝mod((2×ki+1)×g1+g2,b)，判断f与待隐藏秘密比特s_ary是否相等，如果f＝s_ary，则含密载体像素对(g'1,g'2)＝(g1,g2)；如果f≠s_ary，则在图1所示的粗实线框范围内(以(g1,g2)为中心的钻石型区域)搜索，找到满足f＝s_ary的像素对(g'1,g'2)来完成信息隐藏，即mod((2×ki+1)×g'1+g'2,b)＝s_ary；

(5)如果步骤(4)计算获得的含密像素对(g'1,g'2)超出像素取值范围，则按公式(1)对载体像素对(g1,g2)进行预处理后再重新进行步骤(4)的信息隐藏。

举例：

假设k＝2，载体像素对为(4,1)，待隐藏秘密信息为613。由于f＝8，与秘密信息不等，按照de方法隐藏信息后含密像素对为(4,-1)，由于像素溢出，需要进行溢出处理，最终含密像素对为(4,12)，mse＝(12-1)²+0²＝121。本专利方法进行溢出处理时，先将载体像素修改为(4,3)，然后进行信息隐藏，最终含密像素对为(3,4)，mse＝(3-4)²+(4-1)²＝10，相比de算法mse明显降低。

(6)对隐藏前后复杂度不一致的图像块进行处理，保证其复杂度不改变；

由于图像块的复杂度决定了秘密信息基数b，因此为了能够正确提取秘密信息，保证隐藏前后图像块复杂度的一致性至关重要。

由图1可知，粗实线框内的f值各不相同，即b进制数各出现一次，虚线框内粗实线框外的f值也不同，该区域的值与粗实线框内的值一一对应(中心点除外)。该特点说明当需要通过像素修改隐藏秘密信息时(像素值不变就可隐藏信息的情况不需考虑)，在虚线框范围内总能找到两个满足条件的隐藏结果，其中一个在粗实线框内，另一个在粗实线框外。

假设粗实线框内的f值，其坐标差d＝|g'1-g'2|，与该值相等的粗实线框外的值，其坐标差d'＝|g”1-g”2|，始终存在d>d'或者d<d'的情况，所以经过再次隐藏(用黑色框外的隐藏结果代替黑色框内的结果)可以改变隐藏前后图像块复杂度不一致的情况。

所述隐藏前后图像块复杂度不一致的处理，包括以下步骤：

(6a)如果隐藏前图像块属于平坦块，隐藏后图像块属于过渡块，或者隐藏前图像块属于过渡块，隐藏后图像块属于复杂块：将图像块内差值d＝|g'1-g'2|最大的含密像素对(g'1,g'2)重新进行信息隐藏，选择差值变小的像素对(g”1,g”2)作为隐藏结果(即|g”1-g”2|<|g'1-g'2|)，；如果复杂度没有改变，继续将块内差值最大的含秘像素对重新隐藏，直至含密块的复杂度与隐藏前相同为止；

(6b)如果隐藏前图像块属于过渡块，隐藏后图像块属于平坦块，或者隐藏前图像块属于复杂块，隐藏后图像块属于过渡块：将图像块内差值d＝|g'1-g'2|最小的含密像素对(g'1,g'2)重新进行信息隐藏，选择差值变大的像素对(g”1,g”2)作为隐藏结果(即|g”1-g”2|>|g'1-g'2|)，；如果复杂度没有改变，继续将块内差值最小的含秘像素对重新隐藏，直至含密块的复杂度与隐藏前相同为止；

(7)重复执行步骤3至步骤6直至秘密信息全部隐藏完。

信息提取过程步骤如下：

(1)对含密图像stegoi进行分块(图像块大小为4×4)，求各块的标准差σ；

(2)根据图像块复杂度分类阈值t1,t2判断该图像块属于哪类，并确定相应的参数ki和秘密信息进制数b；

(3)将图像块中的相邻像素两两组对，按照s_ary＝mod((2×ki+1)×g'1+g'2,b)进行秘密信息提取；

(4)重复执行步骤2和步骤3直至秘密信息全部提取完。

为了验证本发明的性能，仿真实验中采用了两组载体图像作为对比，第一组为ugr标准测试图像库中4幅大小为512×512的8比特灰度图像数据(图2(a)-(d))；第二组为2幅大小为512×512的8比特特殊自然图像和2幅大小为512×512的8比特遥感图像(图2(e)-(h))。对不同图像分别采用本发明进行信息隐藏，以相同隐藏容量时含密图像质量来衡量本方法的隐藏性能。结果如表1和表2所示。

表1为图2(a)-(d)隐藏信息后含密图像质量对比结果。

表1隐藏性能对比结果

表2为图2(e)-(h)隐藏信息后含密图像质量对比结果。

表2隐藏性能对比结果

结论：

1)当载体图像为常规自然图像时(如表1)，两种方法性能接近，本方法较de方法的psnr有所改善。

2)当载体图像为存在较多可能溢出点的自然图像或遥感图像时(如表2)，本方法对隐藏后含密图像的质量改善更明显，在k取不同值时psnr分别提高0.53,1.93,3.76,5.54db，随着隐藏容量的提升，含密图像质量改善更显著。

本发明根据人眼视觉系统对图像不同复杂度敏感性不同的机理，自适应地利用秘密信息多基表示进行信息隐藏，改变常规秘密信息单一进制的局限性，使得信息隐藏安全性更高，应用更广泛。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。