CN101276456A - 灰度值分拆可逆信息隐藏方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种灰度值分拆可逆信息隐藏方法，通过对数字图像中出现次数最多的几个灰度值进行分拆，同时其它灰度值做相应的移动处理，产生可以用于隐藏额外数据的灰度空间，并将额外数据安置于这些空间中，接收方可以从这些空间提取数据，并通过逆操作恢复原始图像。本发明的特点在于对载体图像的改动很小。发送方可以在数字图像中进行有效的信息隐藏、接收方极易完成数据提取和原始载体图像恢复。本发明的方法是一种信息保密性强，操作简便，接收方可恢复原始载体图像的信息隐藏方法。

Description

灰度值分拆可逆信息隐藏方法

技术领域

本发明涉及一种数字图像的计算机技术处理方法。

背景技术

信息隐藏是在数字多媒体产品中嵌入额外数据，既可以用作数字水印保护载体产品的版权，也可以用于避开第三方注意的隐蔽通信。目前绝大多数的信息隐藏方法都会对载体信息造成或多或少的影响，而如果接收方既可以提取出秘密数据又可以无误恢复原始载体，则称为可逆信息隐藏，可用于医学图像、军事图像等对精度要求较高的载体。可参阅如下论文：

1.A.M.Alattar，Reversible Watermark Using the Difference Expansion ofa Generalized Integer Transform，IEEE Trans.on Image Processing，13(8)，2004，pp.1147-1156.

2.C.Tsai，H.Chiang，K.Fan，and C.Chung，Reversible Data Hiding andLossless Reconstruction of Binary Images Using Pair-wise LogicalComputation Mechanism，Pattern Recognition，38，2005，pp.1993-2006.

3.M.U.Celik，G.Sharma，and A.M.Tekalp，Lossless Watermarking forImage Authentication：A New Framework and an Implementation.IEEE Trans.on Image Processing，15(4)，2006，pp.1042-1049.

上述文献中的方法并没有充分利用数字图像所有可能的灰度值，因此仍存在可进行可逆信息隐藏的空间，因而嵌入率不高。

发明内容

本发明根据目前信息隐藏方法存在的缺陷，提出一种在载体图像中嵌入秘密信息而且接收方极易提取秘密数据并恢复原始数字图像的保密性好的方法。

“灰度值分拆”是本发明实现可逆信息隐藏的方法，通过对数字图像中出现次数最多的几个灰度值进行分拆，同时其它灰度值做相应的移动处理，产生可以用于隐藏额外数据的灰度空间，并将额外数据安置于这些空间中，接收方可以从这些空间提取数据，并通过逆操作恢复原始图像。

本发明的方法提供一种可以在灰度或彩色图像中进行可逆信息隐藏的方法。发送方与接收方拥有共同的密钥或密钥发生器，发送方根据密钥将秘密数据嵌入在载体图像中，该载体图像可以是数码相机拍摄的景物图像、医学CT或磁共振图像、卫星遥感图像等，并将已含有秘密数据的图像传送出去；当接收方收到含密图像后，便可以根据同样的密钥提取出嵌入的额外秘密数据，并恢复出原始载体图像。

为达到以上目的，本发明的技术方案分为两大部分，一是发送方的嵌入操作，二是接收方的提取与恢复操作，具体方法如下：

a)发送方首先统计原始图像直方图H＝[h₀，h₁，…，h₂₅₅]，其中h_k表示灰度k发生的次数，设H中有m个值为0，根据直方图用如下方法得出一个与H等长的向量V：如果h_k为0，则v_k为0；找到H中最大的m个值，它们对应的v_k为2；其余的v_k为1；

b)对每一个不为0的v_k，如果其值为1，根据向量V计算f(k)；如果其值为2，根据向量V计算f₀(k)与f₁(k)；计算方法如下：

$f\left(k\right)=\underset{t=0}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}{v}_t,\mathrm{if}{v}_k=1...\left(1\right)$

$f_0\left(k\right)=\underset{t=0}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}{v}_t,\mathrm{if}{v}_k=2...\left(2\right)$

$f_1\left(k\right)=\underset{t=0}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}{v}_t+1,\mathrm{if}{v}_k=2...\left(3\right)$

c)将向量V中的256个值分成32组，每组长度为8，将每组看作长度为8的三进制数，计算其十进制值，其值必是0与3⁸-1之间的一个整数，然后转化为长度为13比特的二进制数，即将向量V变为416个比特，记为V₂；

d)发送方根据密钥将原始图像象素重新排序为一维向量，用V₂替换前面416个象素的最低位，将这416个原始最低位与秘密信息合并组成二进制向量D，嵌入后续象素：如果v_k为1(k为象素灰度)，将该象素灰度变为f(k)；如果v_k为2，则从D中取出一比特，这一比特为0则将素灰度变为f₀(k)、为1则将素灰度变为f₁(k)；然后根据密钥重新得到含秘密信息的图像，并发送给接收方；

e)接收方收到含秘图像后，根据相同的密钥对图像象素进行置乱得到一维向量，并从前面416个象素的最低位得到向量V，并根据式(1～3)计算f值；

f)接收方对后续象素进行恢复与提取处理，如果象素灰度为f(k)，则将象素灰度改为k；如果象素灰度为f₀(k)，则将象素灰度改为k并提取出一比特0；如果象素灰度为f₁(k)，则将象素灰度改为k并提取出一比特1；所有提取出的比特构成D，接收方用′D中前面416比特替换含密向量的前面416个灰度的最低位，逆置乱就得到原始图像；而D中的剩余比特即额外嵌入的秘密消息。

载体图像是彩色图像或多谱图像，将彩色或多谱图像的每个颜色分量看作一幅灰度图像，并在不同分量中分别进行基于灰度值分拆的可逆信息隐藏，即嵌入方与接收方可以在不同颜色分量中分别进行上述操作。

本发明的特点在于对载体图像的改动很小。发送方可以在数字图像中进行有效的信息隐藏、接收方极易完成数据提取和原始载体图像恢复。本发明的方法是一种信息保密性强，操作简便，接收方可恢复原始载体图像的信息隐藏方法。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的原始载体图像。

图2是实施例中隐藏了秘密数据的图像灰度值。

具体实施方法

以下结合附图描述本发明进行信息隐藏、数据提取、图像恢复的一个实例。

原始载体图像通常较大，且灰度值范围为0～255，为方便示意本发明如何工作，下面借助大小为6×10的载体图像块进行说明，设图像允许的灰度值范围为0～7，原始图像灰度如图1。图1中实际出现的灰度值范围为1～6，即原始图像不含灰度值为0或7的象素。需隐藏的额外秘密信息为[0 1 1 1 0 1 0 0 01 1 0 0 0 1 1 1 0]。

信息隐藏、数据提取与图像恢复的实施过程如下：

a)发送方首先统计原始图像直方图H＝[0 2 9 22 17 8 2 0]，其中有2个值为0，而中最大的两个值为h₃、h₄，因此可得到V＝[0 1 1 2 2 1 1 0]；

b)根据式(1～3)和向量V计算得 $f\left(1\right)=\underset{t=0}{\overset{0}{\mathrm{\Σ}}}{v}_t=0,$ $f\left(2\right)=\underset{t=0}{\overset{1}{\mathrm{\Σ}}}{v}_t=1,$ $f_0\left(3\right)=\underset{t=0}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{v}_t=2,$ $f_1\left(3\right)=\underset{t=0}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{v}_t+1=3,$ $f_0\left(4\right)=\underset{t=0}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{v}_t=4,$ $f_1\left(4\right)=\underset{t=0}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{v}_t+1=5,$ $f\left(5\right)=\underset{t=0}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{v}_t=6,$ $f\left(6\right)=\underset{t=0}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{v}_t=7;$

c)向量V含有8个三进制数，其十进制值为1200，转化为长度为13比特即V₂＝[0010010110000]；

d)发送方根据密钥将原始图像象素重新排序为一维向量，为叙述简单我们假设重新排序后的一维向量即原始图像逐行连接，然后用V₂替换前面13个象素(即[3 4 3 2 2 1 3 4 5 5 3 3 4])的最不重要位，得到[2 4 3 2 2 1 2 55 4 2 2 4]，将13个原始最低位与秘密信息合并组成二进制向量D＝[1 0 10 0 1 1  0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 0]，依次嵌入后续象素：下一象素为3，则在其中嵌入比特1灰度仍为3；再下一象素为2则灰度改为1；再下一象素仍为2灰度改为1；再下一象素为3在其中嵌入比特0灰度改为2；再下一象素为5灰度改为6；再下一象素为4在其中嵌入比特1灰度改为5；再下一象素为5灰度改为6；依次类推得到含密图像如图2，嵌入方可以将此含密图像发送给接收方；

e)接收方收到含秘图像后，将图像象素逐行连接得到一维向量，并从前面13个象素的最低位得到向量V₂＝[0010010110000]，转为三进制后即V＝[0 1 12 2 1 1 0]，根据式(1～3)可得f(1)＝0、f(2)＝1、f₀(3)＝2、f₁(3)＝3、f₀(4)＝4、f₁(4)＝5、f(5)＝6、f(6)＝7；

f)接收方对后续象素进行恢复与提取处理：下一象素为3，则提取比特1灰度仍为3；再下一象素为1则灰度恢复为2；再下一象素为2提取比特0后灰度恢复为3；再下一象素为6灰度恢复为5；再下一象素为5提取比特1后灰度恢复为4；再下一象素为6灰度恢复为5；依次类推得到D＝[1 0 1 0 0 1 10 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 0]，前面13比特用于替换一维含密向量前13个灰度值的最低位，得到原始图像如图1；后面18比特即额外嵌入的秘密信息[0 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 0]。

Claims (2)

1.一种灰度值分拆可逆信息隐藏方法，其特征在于：技术方案分为两大部分，一是发送方的嵌入操作，二是接收方的提取与恢复操作，具体方法如下：

a发送方首先统计原始图像直方图H＝[h₀，h₁，…，h₂₅₅]，其中h_k表示灰度k发生的次数，设H中有m个值为0，根据直方图用如下方法得出一个与H等长的向量V：如果h_k为0，则v_k为0；找到H中最大的m个值，它们对应的v_k为2；其余的v_k为1；

b对每一个不为0的v_k，如果其值为1，根据向量V计算f(k)；如果其值为2，根据向量V计算f₀(k)与f₁(k)；计算方法如下：

$f\left(k\right)=\underset{t=0}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}{v}_t,\mathrm{if}{v}_k=1...\left(1\right)$

$f_0\left(k\right)=\underset{t=0}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}{v}_t,\mathrm{if}{v}_k=2...\left(2\right)$

$f_1\left(k\right)=\underset{t=0}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}{v}_t+1,\mathrm{if}{v}_k=2...\left(3\right)$

c将向量V中的256个值分成32组，每组长度为8，将每组看作长度为8的三进制数，计算其十进制值，其值必是0与3⁸-1之间的一个整数，然后转化为长度为13比特的二进制数，即将向量V变为416个比特，记为V₂；

d发送方根据密钥将原始图像象素重新排序为一维向量，用V₂替换前面416个象素的最低位，将这416个原始最低位与秘密信息合并组成二进制向量D，嵌入后续象素：如果v_k为1(k为象素灰度)，将该象素灰度变为f(k)；如果v_k为2，则从D中取出一比特，这一比特为0则将素灰度变为f₀(k)、为1则将素灰度变为f₁(k)；然后根据密钥重新得到含秘密信息的图像，并发送给接收方；

e接收方收到含秘图像后，根据相同的密钥对图像象素进行置乱得到一维向量，并从前面416个象素的最低位得到向量V，并根据式(1～3)计算f值；

f接收方对后续象素进行恢复与提取处理，如果象素灰度为f(k)，则将象素灰度改为k；如果象素灰度为f₀(k)，则将象素灰度改为k并提取出一比特0；如果象素灰度为f₁(k)，则将象素灰度改为k并提取出一比特1；所有提取出的比特构成D，接收方用D中前面416比特替换含密向量的前面416个灰度的最低位，逆置乱就得到原始图像；而D中的剩余比特即额外嵌入的秘密消息。

2.根据权利要求1所述的灰度值分拆可逆信息隐藏方法，其特征在于：载体图像是彩色图像或多谱图像，将彩色或多谱图像的每个颜色分量作为一幅灰度图像，并在不同分量中分别进行基于灰度值分拆的可逆信息隐藏，即嵌入方与接收方可以在不同颜色分量中分别进行上述操作。

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