專利名稱：數(shù)字圖像中最不重要位替換信息隱藏的快速檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用信號(hào)處理、數(shù)理統(tǒng)計(jì)和計(jì)算機(jī)技術(shù)檢測(cè)數(shù)字圖像中是否包含以最不重要位替換方法隱藏的秘密信息的方法，同時(shí)可用于估計(jì)秘密信息量的多少。
背景技術(shù)：
數(shù)字隱寫通過(guò)不易察覺(jué)的改動(dòng)在數(shù)字圖像中隱藏需要傳送的秘密信息，即將秘密信息不引起第三方懷疑地隱藏在數(shù)字圖像中傳送，從而達(dá)到隱蔽通信的目的。接收方可以根據(jù)事先與發(fā)送方約定好的提取方法和密鑰，從含密圖像中取出秘密信息。數(shù)字隱寫的作用不僅是要保護(hù)通信的內(nèi)容，更重要的是要保密“通信雙方正在進(jìn)行隱蔽通信”這一事件本身。
最不重要位替換(least-significant-bit replacement，LSBR)是一種應(yīng)用廣泛的隱寫方法，用秘密信息替換數(shù)字圖像象素灰度值的最不重要位即可，也就是說(shuō)含密圖像與原始圖像相比每個(gè)象素值的改變僅在±1之間，人眼無(wú)法察覺(jué)。參閱如下論文1.Bender W，Gruhl D，Morimoto N，and Lu A.Techniques for Data Hiding.IBM SystemJournal，35(3，4)，1996313-336隱寫分析根據(jù)載體數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特性判斷是否含有秘密信息，估計(jì)嵌入信息量。對(duì)圖像進(jìn)行隱寫不可避免地會(huì)改動(dòng)圖像的統(tǒng)計(jì)特征，現(xiàn)有的隱寫分析方法主要是通過(guò)判斷圖像統(tǒng)計(jì)特征是否符合自然圖像的規(guī)律來(lái)分析圖像中是否含有秘密信息。針對(duì)LSBR的隱寫分析大都基于相鄰象素相關(guān)性較大這一統(tǒng)計(jì)特征。其中具有代表性的方法有RS方法和SPA方法。這些方法基于相鄰象素對(duì)來(lái)進(jìn)行隱寫分析，且它們都是根據(jù)象素對(duì)差值進(jìn)行分析檢測(cè)。參閱如下論文2.Fridrich J，Goljan M，and Du R.Detecting LSB Steganography in Color andGray-Scale Images.Magazine of IEEE Multimedia，Special Issue on Security，Oct.-Dec.Issue，200122-283.Dumitrescu S，Wu X，Wang Z.Detection of LSB steganography via sample pairanalysis.InProc.Information Hiding Workshop.LNCS 2578.2002355-372發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種數(shù)字圖像中最不重要位替換信息隱藏的快速檢測(cè)方法，提高信息隱藏檢測(cè)準(zhǔn)確度，減小計(jì)算量，易于操作應(yīng)用。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是通過(guò)對(duì)相鄰象素對(duì)的分類統(tǒng)計(jì)，得出LSBR隱藏信息嵌入量估計(jì)值；并對(duì)該嵌入量估計(jì)值進(jìn)行閾值判斷，認(rèn)定圖像是否曾經(jīng)過(guò)最不重要位替換(即含有額外嵌入的秘密信息)。
根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案一種數(shù)字圖像中最不重要位替換信息隱藏的快速檢測(cè)方法，其特征在于基于圖像的相鄰象素對(duì)，比較鄰象素灰度值最低比特的異同及前7比特的異同，而將象素對(duì)分類，然后通過(guò)統(tǒng)計(jì)每個(gè)分類中的象素對(duì)的個(gè)數(shù)來(lái)分析秘密信息有無(wú)并估計(jì)其秘密信息嵌入量；具體操作步驟如下第一步劃分相鄰象素對(duì)任一象素與其相鄰的上下左右4個(gè)象素都分別構(gòu)成一組相鄰象素對(duì)；第二步將象素對(duì)按下列情況劃分為A、B、C、D、E五種象素對(duì)，并統(tǒng)計(jì)各種象素對(duì)的個(gè)數(shù)A種象素對(duì)象素對(duì)中兩個(gè)象素灰度完全相同，設(shè)滿足該條件的象素對(duì)的個(gè)數(shù)為a；B種象素對(duì)象素對(duì)中兩個(gè)象素灰度最低比特不同，但前7比特完全相同，設(shè)滿足該條件的象素對(duì)的個(gè)數(shù)為b；C種象素對(duì)象素對(duì)中兩個(gè)象素灰度最低比特不同，前7比特不完全相同，且象素對(duì)中兩象素灰度值較大者為奇數(shù)，設(shè)滿足該條件的象素對(duì)的個(gè)數(shù)為c；D種象素對(duì)象素對(duì)中兩個(gè)象素灰度最低比特不同，前7比特不完全相同，且象素對(duì)中兩象素灰度值較大者為偶數(shù)，設(shè)滿足該條件的象素對(duì)的個(gè)數(shù)為d；E種象素對(duì)象素對(duì)中兩個(gè)象素灰度最低比特相同、但前7比特不完全相同，設(shè)滿足該條件的象素對(duì)的個(gè)數(shù)為e，實(shí)施過(guò)程中可不作統(tǒng)計(jì)；第三步計(jì)算β0=b+c-da+b]]>并利用迭代方法計(jì)算βiβi=b+c-da+b-βi-1max(0.1,1-2βi-1)a-ba+b(i=1,2,3),]]>式中max函數(shù)用于取出兩者中較大值迭代3次后得到β3，此時(shí)既得到嵌入率的估計(jì)值2β3，嵌入率為平均每象素的嵌入比特?cái)?shù)；若2β3＞0.1，則判定圖像經(jīng)過(guò)LSBR隱寫，并輸出嵌入比特?cái)?shù)的估計(jì)值2β3×圖像象素總數(shù)。
采用上述步驟的理論依據(jù)如下設(shè)圖像經(jīng)過(guò)LSBR隱寫后，圖中象素的最低比特以概率β發(fā)生改變。由于LSBR隱寫向圖像中每嵌入1比特?cái)?shù)據(jù)有1/2概率會(huì)改變象素的最低比特，所以對(duì)應(yīng)改變率為β的LSBR隱寫圖像，其隱嵌入率應(yīng)為2β。假設(shè)圖像在隱寫前統(tǒng)計(jì)得到的a、b、c、d、e值分別為ao、bo、co、do、eo(對(duì)于不含隱寫信息的圖像，可以認(rèn)為該圖像經(jīng)過(guò)一次嵌入率為0的LSBR隱寫)。
下面分析不同嵌入率的隱寫行為對(duì)a、b、c、d之間相互關(guān)系的影響。
□a+b所代表的是前7比特相同的象素對(duì)個(gè)數(shù)，而最不重要位替換并不改變象素灰度值的前7比特，因此一定有a+b＝ao+bo(1)□當(dāng)象素對(duì)屬于情況A或情況B，LSBR隱寫會(huì)以概率2β(1-β)使得兩個(gè)象素中的一個(gè)發(fā)生變化，即該象素對(duì)將由情況A轉(zhuǎn)換為情況B、或由情況B轉(zhuǎn)換為情況A。同時(shí)，LSBR隱寫會(huì)以概率1-2β(1-β)使得兩個(gè)象素都發(fā)生變化或都不變，即情況A依舊為情況A、情況B依舊為情況B。由此可得如下近似關(guān)系a-b＝(1-2β)2(ao-bo)(2)□當(dāng)象素對(duì)屬于情況C或情況D，由于LSBR隱寫會(huì)以概率β使象素低比特發(fā)生改變情況C和情況D有β2的概率會(huì)互相轉(zhuǎn)變；有(1-β)2的概率情況不發(fā)生改變；情況C和情況D都有2β(1-β)的概率會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榍闆rE。另一方面，情況E有β(1-β)的概率轉(zhuǎn)變到情況C，同時(shí)情況E也有β(1-β)的概率轉(zhuǎn)變到情況D。通過(guò)以上概率得到c=(1-β)2co+β2do+β(1-β)eod=(1-β)2do+β2co+β(1-β)eo]]>兩式相減可得d-c＝(1-2β)(do-co)對(duì)于自然圖像中兩象素灰度值奇偶不同的象素對(duì)，有1/2概率兩灰度值中較大者為奇數(shù)；1/2概率兩灰度值中較大者為偶數(shù)。根據(jù)A、B、C、D、E的定義可知屬于情況A和情況E的象素對(duì)中的兩個(gè)象素奇偶相同；情況B和C包含了所有奇數(shù)較大的象素對(duì)；情況D則包含了所有偶數(shù)較大的象素對(duì)。因此co+bo＝do即do-co＝bo，代入上式得
d-c＝(1-2β)·bo(3)(1)(2)(3)三個(gè)方程中a、b、c、d為統(tǒng)計(jì)量，ao、bo、β為未知量。將他們聯(lián)立求解方程組固然可以得到β，但(2)式(3)式在嵌入率較大時(shí)是病態(tài)的(近似于0·x＝0的形態(tài))，直接求解方程組會(huì)放大統(tǒng)計(jì)誤差得到不準(zhǔn)確的嵌入率估計(jì)值。我們采用如下方法來(lái)避免得到病態(tài)結(jié)果。通過(guò)(1)(2)(3)式可以得出β=b+c-da+b-β1-2βa-ba+b]]>將上式改為迭代形式計(jì)算βiβi=b+c-da+b-βi-1max(0.1,1-2βi-1)a-ba+b(i=1,2,3)]]>我們?cè)O(shè)置迭代初始值β0=b+c-da+b]]>當(dāng)嵌入量較小時(shí)，迭代3次即可接近穩(wěn)定狀態(tài)，其結(jié)果約等于方程組的解；當(dāng)嵌入量較大時(shí)，式中max函數(shù)取0.1和(1-2β)中的較大值來(lái)消除分母接近于0的病態(tài)效應(yīng)，大量實(shí)驗(yàn)表明，迭代3次后的結(jié)果2β3最接近于實(shí)際的嵌入率2β。
對(duì)于彩色圖像和多譜圖像，把圖像中每個(gè)顏色或譜分量當(dāng)作一個(gè)灰度圖像分別進(jìn)行檢測(cè)并估計(jì)各個(gè)顏色分量中的嵌入量，最終得到的LSBR嵌入量估計(jì)值即各顏色分量中嵌入量估計(jì)值的總和。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見(jiàn)的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明并不計(jì)算相鄰象素具體差值，而是通過(guò)比較相鄰象素灰度的最低比特的異同以及前7比特的異同將象素對(duì)分類，統(tǒng)計(jì)每個(gè)分類中的象素對(duì)個(gè)數(shù)對(duì)含密信息進(jìn)行分析和估計(jì)，大大節(jié)省了計(jì)算量。本發(fā)明估計(jì)精確度高，計(jì)算速度快，占用存儲(chǔ)空間小，只包含簡(jiǎn)單四則運(yùn)算，易于硬件實(shí)現(xiàn)。


圖1是本發(fā)明具體實(shí)施步驟的算法框2是本文具體實(shí)施例中用到的正?；叶葓D像樣本圖3是對(duì)圖2進(jìn)行隱寫得到的隱寫圖像具體實(shí)施方式
現(xiàn)將本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例如下本數(shù)字圖像中最不重要位替換信息隱藏的快速檢測(cè)方法，其特征在于基于圖像的相鄰象素對(duì)，比較鄰象素灰度值最低比特的異同及前7比特的異同，而將象素對(duì)分類，然后通過(guò)統(tǒng)計(jì)每個(gè)分類中的象素對(duì)的個(gè)數(shù)來(lái)分析秘密信息有無(wú)并估計(jì)其秘密信息嵌入量。
對(duì)一512行×512列的正?；叶葓D像(附圖2)進(jìn)行LSBR隱寫，隱寫嵌入量為10480比特，生成隱寫圖像(附圖3)。由于隱寫后的圖像僅改變了原始圖像象素灰度值的最低比特，兩幅圖像視覺(jué)上沒(méi)有差別。
現(xiàn)對(duì)該隱寫圖像進(jìn)行檢測(cè)，操作步驟如下第一步，劃分相鄰象素對(duì)任一象素與其相鄰的上下左右4個(gè)象素都分別構(gòu)成一組相鄰象素對(duì)。樣本圖像尺寸為512×512，因此水平方向相鄰的像素對(duì)有512×511對(duì)，豎直方向相鄰的像素對(duì)有511×512對(duì)，總計(jì)有523264對(duì)相鄰像素對(duì)；第二步，將象素對(duì)按下列情況劃分為A、B、C、D、E五種象素對(duì)，并統(tǒng)計(jì)各種象素對(duì)的個(gè)數(shù)A種象素對(duì)象素對(duì)中兩個(gè)象素灰度完全相同，統(tǒng)計(jì)得到滿足該條件的象素對(duì)的個(gè)數(shù)a＝87586；B種象素對(duì)象素對(duì)中兩個(gè)象素灰度最低比特不同，但前7比特完全相同，統(tǒng)計(jì)得到滿足該條件的象素對(duì)的個(gè)數(shù)b＝62481；C種象素對(duì)象素對(duì)中兩個(gè)象素灰度最低比特不同，前7比特不完全相同，且象素對(duì)中兩象素灰度值較大者為奇數(shù)，統(tǒng)計(jì)得到滿足該條件的象素對(duì)的個(gè)數(shù)c＝80917；D種象素對(duì)象素對(duì)中兩個(gè)象素灰度最低比特不同，前7比特不完全相同，且象素對(duì)中兩象素灰度值較大者為偶數(shù)，統(tǒng)計(jì)得到滿足該條件的象素對(duì)的個(gè)數(shù)d＝104702；E種象素對(duì)象素對(duì)中兩個(gè)象素灰度最低比特相同、但前7比特不完全相同，不統(tǒng)計(jì)滿足該條件的像素對(duì)個(gè)數(shù)；第三步，計(jì)算β0=b+c-da+b≈0.2579]]>并利用迭代方法計(jì)算βiβ1=β0-β0max(0.1,1-2β0)a-ba+b≈0.1688]]>
β2=β0-β1max(0.1,1-2β1)a-ba+b≈0.2152]]>β3=β0-β2max(0.1,1-2β2)a-ba+b≈0.1946]]>2β3＝0.3893＞0.1，判定圖像包含LSBR隱寫信息，其信息嵌入率估計(jì)值為38.93％圖像共包含512×512個(gè)像素，圖像中信息嵌入量估計(jì)值為2β3×5122＝10205比特。由于采用統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行分析，估計(jì)結(jié)果不可避免會(huì)存在少量誤差，此時(shí)與實(shí)際嵌入量10480比特的誤差為2.6％。
若對(duì)原始圖像(圖2)進(jìn)行同樣的檢測(cè)，得到的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為a＝110002；b＝40065；c＝71848；d＝111648。對(duì)其進(jìn)行相同的運(yùn)算，迭代結(jié)果為2β3＝0.0022＜0.1，可認(rèn)定圖中不含LSBR隱寫信息。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)字圖像中最不重要位替換信息隱藏的快速檢測(cè)方法，其特征在于基于圖像的相鄰象素對(duì)，比較鄰象素灰度值最低比特的異圖及前7比特的異同，而將象素對(duì)分類，然后通過(guò)統(tǒng)計(jì)每個(gè)分類中的象素對(duì)的個(gè)數(shù)來(lái)分析秘密信息有無(wú)并估計(jì)其秘密信息嵌入量；具體操作步驟如下(1)劃分相鄰象素對(duì)任一象素與其相鄰的上下左右4個(gè)象素都分別構(gòu)成一組相鄰象素對(duì)；(2)將象素對(duì)按下列情況劃分為A、B、C、D、E五種象素對(duì)，并統(tǒng)計(jì)各種象素對(duì)的個(gè)數(shù)A種象素對(duì)象素對(duì)中兩個(gè)象素灰度完全相同，設(shè)滿足該條件的象素對(duì)的個(gè)數(shù)為a；B種象素對(duì)象素對(duì)中兩個(gè)象素灰度最低比特不同，但前7比特完全相同，設(shè)滿足該條件的象素對(duì)的個(gè)數(shù)為b；C種象素對(duì)象素對(duì)中兩個(gè)象素灰度最低比特不同，前7比特不完全相同，且象素對(duì)中兩象素灰度值較大者為奇數(shù)，設(shè)滿足該條件的象素對(duì)的個(gè)數(shù)為c；D種象素對(duì)象素對(duì)中兩個(gè)象素灰度最低比特不同，前7比特不完全相同，且象素對(duì)中兩象素灰度值較大者為偶數(shù)，設(shè)滿足該條件的象素對(duì)的個(gè)數(shù)為d；E種象素對(duì)象素對(duì)中兩個(gè)象素灰度最低比特相同、但前7比特不完全相同，設(shè)滿足該條件的象素對(duì)的個(gè)數(shù)為e；(3)計(jì)算β0=b+c-da+b]]>并利用迭代方法計(jì)算βiβi=b+c-da+b-βi-1max(0.1,1-2βi-1)a-ba+b,(i=1,2,3),]]>式中max函數(shù)用于取出兩者中較大值迭代3次后得到β3，此時(shí)既得到嵌入率的估計(jì)值2β3，嵌入率為平均每象素的嵌入比特?cái)?shù)；若2β3＞0.1，則判定圖像經(jīng)過(guò)LSBR隱寫，并輸出嵌入比特?cái)?shù)的估計(jì)值2β3×圖像象素總數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字圖像中最不重要位替換信息隱藏的快速檢測(cè)方法，其特征在于對(duì)于彩色圖像和多譜圖像，把圖像中每個(gè)顏色或譜分量當(dāng)作一個(gè)灰度圖像分別進(jìn)行檢測(cè)并估計(jì)各個(gè)顏色分量中的嵌入量，最終得到的LSBR嵌入量估計(jì)值即各顏色分量中嵌入量估計(jì)值的總和。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種數(shù)字圖像中最不重要位替換信息隱藏的快速檢測(cè)方法。本方法是基于圖像的相鄰象素對(duì)，比較鄰像素灰度值最低比特的異同及前7比特的異同，而將像素對(duì)分類，然后通過(guò)統(tǒng)計(jì)每個(gè)分類中的象素對(duì)的個(gè)數(shù)來(lái)分析秘密信息有無(wú)并估計(jì)其秘密信息嵌入量。本發(fā)明可用于以灰度、彩色等數(shù)字圖像為載體的最不重要位替換隱寫檢測(cè)。本發(fā)明檢測(cè)準(zhǔn)確度高，計(jì)算量小，易于實(shí)現(xiàn)。
文檔編號(hào)G06T1/00GK101025820SQ200710038710
公開日2007年8月29日 申請(qǐng)日期2007年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月29日
發(fā)明者周振宇, 梁光嵐, 張新鵬, 王朔中, 路興 申請(qǐng)人:上海大學(xué)