一種基于載體誤差向量的隱寫方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于載體誤差向量的隱寫方法，針對現(xiàn)有圖像隱寫算法中存在的隱寫容量小及抗檢測性能差的問題，探索分析了一種增強(qiáng)隱寫容量、降低隱寫誤差并有效提升抗檢測能力的隱寫算法。該算法通過對圖像壓縮處理，獲取載體圖像的壓縮參考值，同原始圖像進(jìn)行差值處理，獲取載體誤差向量。并針對隱寫圖像誤差向量集合進(jìn)行空域?yàn)V波參數(shù)優(yōu)化分析，在混合編碼的嵌入方法中進(jìn)行了有效的隱寫載入。
【專利說明】
-種基于載體誤差向量的隱寫方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及圖像隱寫算法，具體地，設(shè)及一種基于載體誤差向量的隱寫方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，隨著今年數(shù)字圖像基數(shù)的發(fā)展，先后出現(xiàn)了很多圖像隱寫算法。比較具有代 表性的隱寫算法主要包括變換域中DCT系數(shù)最低比特位替換算法、最低有效位替換算法 LSB。但是運(yùn)類算法存在隱寫容量小(通常情況都在150(K)bitW內(nèi)）、安全性較差。在此基礎(chǔ) 上，有人提出了具有普適安全性的LSB匹配改進(jìn)算法化SB Matching Revisited algorithm，LSBMR)，通過像素分割和聚類的思想，采用最優(yōu)臨近隱寫的方法提升了圖像隱 寫的抗檢測性能。但是該方法需要經(jīng)過一定的迭代時(shí)間，只有在圖像的中間像素中才能表 現(xiàn)出較好的安全隱寫性能，在邊緣像素間往往易于檢測和區(qū)分。為此，本行業(yè)人員又提出了 一種自適應(yīng)邊緣圖像隱寫檢測算法EALSBMR巧dge Adaptive Image Steganography Based on LSBMR algorithm，EALSBMR)，該算法將自適應(yīng)分割的思想引入到邊緣像素的處理中，能 夠依據(jù)隱寫容量的大小子是一個(gè)的調(diào)整隱寫像素的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行嵌入。在低隱寫率的情況 下，會將秘密信息嵌入到邊緣像素，有效增加了圖像隱寫容量，并提升了隱寫圖像抗盲檢測 的性能。雖然運(yùn)些方法一定提升了隱寫算法的安全性，但是沒有考慮隱寫容量、隱寫率和安 全性的折中，在高隱寫率、大隱寫容量情況下，安全性較差，無法適應(yīng)現(xiàn)代數(shù)字圖像技術(shù)發(fā) 展的高容量要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于，針對上述問題，提出一種基于載體誤差向量的隱寫方法，W實(shí) 現(xiàn)隨著隱寫率的增加，隱寫的安全性增加，抗檢測能力增強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。
[0004] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0005] 步驟一，預(yù)處理階段，通過載體圖像獲得基數(shù)矩陣；
[0006] 步驟二，將需隱寫信息劃分為若干比特?cái)?shù)，通過數(shù)字轉(zhuǎn)換，得到相應(yīng)的向量；
[0007] 步驟Ξ，將步驟二獲得向量矩陣嵌入步驟一獲得基數(shù)矩陣，獲得載密隱寫圖像像 素矩陣。
[000引本發(fā)明的技術(shù)方案具有W下有益效果：
[0009] 本發(fā)明各實(shí)施例的考慮載體誤差向量的隱寫方法，由于包括高維模型和混合編碼 寫入方式，可W協(xié)調(diào)隱寫率、隱寫容量W及安全性之間的矛盾;從而可W克服現(xiàn)有技術(shù)中沒 有考慮隱寫容量、隱寫率和安全性的折中，在高隱寫率、大隱寫容量情況下，安全性較差的 缺陷，W實(shí)現(xiàn)隨著隱寫率的增加，隱寫的安全性增加，抗檢測能力增強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。
[0010] 下面通過附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
【附圖說明】
[0011] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例所述的基于載體誤差向量的隱寫方法流程示意圖。
[0012] 圖2a為隱寫率為1.75b卵的隱寫載體，圖化為隱寫率為3bpp的隱寫載體。
[0013] 圖3為隱寫率為3bpp，隱寫容量為480000的隱寫輸出。
[0014] 圖4為隱寫率為化PP，隱寫容量為1700000的隱寫輸出。
[001引圖5a-圖5d為不同隱寫率情況下的檢ii誤差比較。
【具體實(shí)施方式】
[0016] W下結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行說明，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的優(yōu)選實(shí) 施例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0017]如圖1所示，本方法的算法如下：
[0018] 步驟一，預(yù)處理階段，通過載體圖像獲得基數(shù)矩陣；
[0019] 步驟二，將需隱寫信息劃分為若干比特?cái)?shù)，通過數(shù)字轉(zhuǎn)換，得到相應(yīng)的向量；
[0020] 步驟Ξ，將步驟二獲得向量矩陣嵌入步驟一獲得基數(shù)矩陣，獲得載密隱寫圖像像 素矩陣。
[0021] 下面介紹【具體實(shí)施方式】：
[0022] 首先，對圖像隱寫編碼做一個(gè)簡單說明。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)需要采用二進(jìn)制方式進(jìn)行編 碼，進(jìn)制越大，同樣符號代表的值越大.由于圖像中存在的冗余空間非常有限，因而采用高 效的編碼方式表示秘密信息就相當(dāng)于間接增大了隱寫容量，引進(jìn)混合進(jìn)制系統(tǒng)就是為了運(yùn) 個(gè)目的.根據(jù)混合進(jìn)制系統(tǒng)規(guī)則，可W將一個(gè)十進(jìn)制整數(shù)X用如下形式表示：
[0023] x = (dn-idn-2. . .d2dido)bn-ibn-2. . .b2bibo,0 < di<bi(i = 0,1, . . . ,n-l) (1)
[0024] 式中，bn-lbn-2. . .bsbibo代表不同的進(jìn)制基數(shù)，dn-ldn-2. . .cbdido代表與其相應(yīng)的數(shù) 值。
[0025] 因此，根據(jù)混合進(jìn)制求取對應(yīng)的十進(jìn)制X的公式為：
[0026] (2)
[0027]十進(jìn)制值X及所要轉(zhuǎn)換的進(jìn)制基數(shù)b〇，bl，. . .，bn-l，求取對應(yīng)數(shù)值d〇，dl，. . .，dn-l的 公式為
[002引 do=mod(x,bo) (3)
[0029] (4).
[0030] 本發(fā)明為改進(jìn)算法，需要對誤差向量進(jìn)行計(jì)算，隱寫圖像與壓縮編碼圖像的誤差 矢量計(jì)算表達(dá)式為
[0031] Errorim 邑 i, j = CoverIm 邑 i, j-Compressedlm 邑 i, j (5)
[0032] 其上式中，Errorlmgij為誤差圖像像素，Coverlmgij為隱寫圖像原始像素， Compressedlmgij表示壓縮后隱寫載體的像素集合?？蒞將隱寫圖像像素對應(yīng)的基數(shù)值計(jì) 算為
[0033] (6)
[0034] 式(6)中，Basel j表示基本單元陣的像素元素，OEF為圖像的最佳擴(kuò)域因子。
[0035] 本發(fā)明為改進(jìn)現(xiàn)有隱寫算法，采用圖像質(zhì)量因子（Image如ality化ctorJQF)計(jì) 算隱寫圖像的誤差矢量，通過圖像壓縮處理，獲取載體圖像的壓縮參考值，同原始圖像進(jìn)行 差值處理，獲取載體誤差向量；結(jié)合最佳擴(kuò)域因子(Optimal Extension Fields factor, OEF)求出基數(shù)矩陣;通過空域?yàn)V波優(yōu)化的方法實(shí)現(xiàn)載體基數(shù)矩陣的優(yōu)化，確定隱寫像素點(diǎn) 集，采用混合編碼的方式實(shí)現(xiàn)了秘密信息的高效隱藏。
[0036] 為實(shí)現(xiàn)本文方法的有效隱寫，首先將需隱寫信息劃分為若干比特?cái)?shù)塊D，通過數(shù)字 轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)不同字符串的偽隨機(jī)表示為RND碼。根據(jù)前面的分析，基于RND對十進(jìn)制表示的字 符D進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到相應(yīng)的向量D/。其中RND主要是通過隨機(jī)向量和預(yù)先給定的隱寫率控制， 隱寫率同RND成正比。RND的具體計(jì)算可W表示為
[0037]
[003引其中EmbRate為隱寫率，P RNG為隨機(jī)向量。
[0039] 在進(jìn)行隱寫信息嵌入的時(shí)候，需要按照一定的順序，從左至右或者是從上到下（也 可W采取相反的方向）進(jìn)行Baseij值的掃描分析。如果隱寫圖像像素的Baseij。，則忽略該 像素；如果滿足Basei,^^ 2,則進(jìn)行像素信息隱寫操作。根據(jù)本文分析方法，在隱寫操作中， 對獲取的〇/中的元素進(jìn)行元素分離，并通過重構(gòu)操作獲取D"，矩陣D"中的相應(yīng)元素可W采 用相應(yīng)的像素塊Basel,J進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)判斷分析，確定是否進(jìn)行像素隱寫。根據(jù)隱寫效率和安全 性的分析，本文給出了兩種條件下的隱寫實(shí)現(xiàn)分析：
[0040] 條件1:隱寫圖像信息時(shí)，按照給定順序讀取隱寫載體圖像的Basel,^直，如果D"中 的值D"l;n，在滿足D"l;n>2的情況下，可W將隱寫圖像的隱寫像素可W計(jì)算為
[0041] (8)
[0042] Stegolmgij 為隱寫像素。
[0043] 條件2:如果D"i;n < 2，則采用LSBMR編碼方法進(jìn)行秘密隱寫，但是該方法需要對隱 寫像素進(jìn)行分塊處理，比LSB隱寫方法具有更好的對稱特征，且抗解析性能更高。
[0044] 在前面分析的基礎(chǔ)上，通過圖像的預(yù)處理，基于肝EG壓縮方法，對隱寫圖像進(jìn)行壓 縮W后，進(jìn)行離散預(yù)先變換，在給定IQF因子的條件下進(jìn)行編碼量化處理。其中，IQF因子的 浮點(diǎn)數(shù)主要范圍為W'lW。在解壓的過程中，采用JPEG壓縮逆過程，實(shí)現(xiàn)引入噪聲圖像的還 原分析。解壓后的噪聲圖像同原圖像類似，只是在壓縮過程中引入了噪聲，該隨機(jī)噪聲增強(qiáng) 了隱寫特征的安全性。
[0045] 為驗(yàn)證本文方法的有效性，采用一組完全相同的隱寫秘密信息對不同的嵌入載體 進(jìn)行仿真。仿真分析中，采用BOSSvl.01國際通用隱寫圖像庫提供的圖像進(jìn)行隱寫分析。整 個(gè)仿真在Windows?筆記本電腦，采用Intel_巧處理器，16G內(nèi)存，在Matlab2011仿真軟件上 進(jìn)行仿真分析。
[0046] 首先，針對隱寫容量不同情況下信噪峰值比（Peak Signal to Noise Ratio， PSNR)進(jìn)行了分析，分別在隱寫率為1.75b卵和3bpp情況下采用圖2(a)、2(b)所示的圖像作 為隱寫載體進(jìn)行了加密隱寫操作，具體的隱寫輸出結(jié)果如圖3、圖4所示。其中表1中給出了 不同情況下的PSNR比較結(jié)果。
[0047]表1不同算法在不同隱寫容量情況下的PSNR比較 [004引
[0049] 隱寫算法都具有大容量隱寫的能力，但是隨著隱寫速率的提升，隱寫容量明顯降 低。在采用相同的隱寫率和隱寫容量的情況下，本文方法具有優(yōu)秀的隱寫信噪峰值比。特別 是在隱寫率增大、隱寫容量增加的情況下，LSB匹配改進(jìn)算法和自適應(yīng)邊緣圖像隱寫檢測算 法的方案明顯增加了隱寫引起的噪聲崎變，而本文方法的PSNR比值仍然保持較好的穩(wěn)定 性，充分體現(xiàn)了本文方法的大容量隱寫特性。從圖3和圖4可W看出，在隱寫率為6bpp，隱寫 容量為1700000的情況下，本文方法的隱寫也明顯地引入了圖像崎變誤差，可W明顯的體現(xiàn) 出視覺圖像隱寫噪聲干擾效果。
[0050] 為進(jìn)一步分析本文方法的安全性，采用圖2(a)中的小鳥圖像作為隱寫載體，進(jìn)行 了隱寫操作，針對不同隱寫率條件下的堅(jiān)持誤差進(jìn)行了仿真分析，并將檢測結(jié)果同LSB匹配 改進(jìn)算法、自適應(yīng)邊緣圖像隱寫檢測算法和高維模型和混合編碼寫入方式相結(jié)合的圖像隱 寫方法進(jìn)行了對比分析。其中，圖5(a)-圖5(d)展示了不同隱寫方法在不同隱寫率條件下的 檢測誤差，其中圖5(a)為LSB匹配改進(jìn)算法方法，圖5(b)為自適應(yīng)邊緣圖像隱寫檢測算法方 法，圖5(c)為高維模型和混合編碼寫入方式相結(jié)合的圖像隱寫方法，圖5(d)為本發(fā)明方法。 可W看出，隨著隱寫率的增加，隱寫的安全性增加，抗檢測能力增強(qiáng)，但是本文方法表現(xiàn)出 了較高的抗檢測能力，檢測誤差始終保持在50% W上，運(yùn)在高保密需求場所具有較大的隱 寫優(yōu)勢。
[0051] 最后應(yīng)說明的是：W上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明， 盡管參照前述實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，其依然可 W對前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換。 凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的 保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于載體誤差向量的隱寫方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟一，預(yù)處理階段，通過載體圖像獲得基數(shù)矩陣； 步驟二，將需隱寫信息劃分為若干比特?cái)?shù)，通過數(shù)字轉(zhuǎn)換，得到相應(yīng)的向量； 步驟三，將步驟二獲得向量矩陣嵌入步驟一獲得基數(shù)矩陣，獲得載密隱寫圖像像素矩 陣。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的隱寫方法，其特征在于，步驟1預(yù)處理階段具體過程為:采用圖 像質(zhì)量因子計(jì)算隱寫圖像的原始像素，通過圖像壓縮處理，獲取載體圖像的壓縮參考值，將 上述壓縮參考值同原始圖像像素進(jìn)行差值處理，獲取載體誤差向量，結(jié)合上述載體誤差向 量和圖像的最佳擴(kuò)域因子計(jì)算基數(shù)矩陣。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的隱寫方法，其特征在于，對誤差向量進(jìn)行計(jì)算，隱寫圖像與壓 縮編碼圖像的誤差矢量計(jì)算表達(dá)式為 Errorlmgi, j = Cover Imgij-Compressedlmgij 上式中，ErrorImgi,j為誤差圖像像素，CoverImgi,j為隱寫圖像原始像素， CompressedImgi,j表示壓縮后隱寫載體的像素集合。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的隱寫方法，其特征在于，隱寫載體圖像像素對應(yīng)的基數(shù)值計(jì)算 公式為上式中，Baseu表示基本單元陣的像素元素，0EF為圖像的最佳擴(kuò)域因子。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的隱寫方法，其特征在于，步驟2的變換過程為:將需隱寫信息劃 分為若干十進(jìn)制比特?cái)?shù)塊D，基于RND對D進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到相應(yīng)的向量D ' ；其中RND通過隨機(jī)向 量和預(yù)先給定的隱寫率控制，隱寫率同RND成正比;RND的具體計(jì)算可以表示為其中EmbRate為隱寫率，P RNG為隨機(jī)向量； 在進(jìn)行隱寫信息嵌入時(shí)，進(jìn)行Baseu值的掃描分析； 如隱寫圖像像素的Base^<2,則忽略該像素；如Base^2 2,則進(jìn)行像素信息隱寫操 作；隱寫操作中，對獲取的D '中的元素進(jìn)行元素分離，并通過重構(gòu)操作獲取D"，矩陣D"中的 相應(yīng)元素可以采用相應(yīng)的像素塊Base^進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)判斷分析，根據(jù)判斷結(jié)果進(jìn)行像素隱寫。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的隱寫方法，其特征在于，所述的標(biāo)準(zhǔn)判斷分析，根據(jù)判斷結(jié)果 進(jìn)行像素隱與方法為： 隱寫圖像信息時(shí)，按照給定順序讀取隱寫載體圖像的Basey值，如果D"中的值D〃Kn，在 滿足2的情況下，隱寫圖像的隱寫像素計(jì)算為Stegolmgi, j為隱寫像素； 如果D〃 1<n < 2，則采用LSBMR編碼方法進(jìn)行秘密隱寫； 通過圖像的預(yù)處理，對隱寫圖像進(jìn)行壓縮以后，進(jìn)行離散預(yù)先變換，在給定圖像質(zhì)量因 子的條件下進(jìn)行編碼量化處理;其中，IQF因子的浮點(diǎn)數(shù)范圍為[0,100]。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的隱寫方法，其特征在于，對隱寫圖像進(jìn)行壓縮方法為JPEG壓縮 方法。
【文檔編號】H04N1/32GK105872304SQ201610199767
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月31日
【發(fā)明人】羅永有, 黃超, 姜思佳, 黃力, 宋偉奇
【申請人】柳州城市職業(yè)學(xué)院