CN101452569A - 基于辅助像素的图像隐写处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于辅助像素的图像隐写处理方法，将两位秘密信息同时嵌入到载体图像的一个像素中。其方法是，用伪随机数发生器产生0－255之间的整数伪随机数作为辅助像素灰度值，将两位秘密信息嵌入到载体图像像素灰度值和辅助像素值中，然后再将该辅助像素值中的信息转换到载体图像像素值中。本发明的优点是：将两位秘密信息同时嵌入到一个像素中，嵌入容量得到的很大的提高；在保持一定嵌入效率的同时，提高了载体利用率；在嵌入过程中采用伪随机序列置乱隐秘信息和生成辅助像素，使该算法有了更好的加密能力；同时，也增加了从隐秘图像中秘密信息的提取难度，达到了提高算法抗攻击能力的目的。

Description

基于辅助像素的图像隐写处理方法

技术领域

本发明涉及一种基于辅助像素的图像隐写处理方法(AP_LSB，AuxiliaryPixel LSB)，属于信息安全技术领域。

背景技术

信息隐藏是在不对载体信号产生过分影响的前提下，将额外的信息嵌入到数字媒体，如数字图像中，以实现隐秘通信。信息隐藏技术最常见的方法是LSB(Least Significant Bits)嵌入方法。它是将秘密信息变换成二进制数据流，然后分别替换载体图像像素灰度值的最低比特位。由于LSB平面(由所有像素的二进制描述的最低比特位构成的平面)的修改对像素灰度分布的影响最小，因此该方法隐藏数据量大，且不易被感官察觉，在实践中被广泛采用。简单LSB嵌入的方法为：首先将欲嵌入的原始秘密信息转化为比特流，再对这个比特流利用伪随机序列进行置乱，然后逐行或逐列地替换载体图像的最低比特位(LSB位)。但是简单LSB嵌入算法抗攻击性能较差，尤其在嵌入较大信息量时。有文献提出一种双像素隐写方法(DP_LSB，Double PixelsLSB)，该方法将两个像素作为一个整体，其中第一个像素灰度值的LSB位用于承载一比特信息，两像素灰度值的指定函数(公式2)输出用于承载另一个比特信息，相比较简单的LSB嵌入方法，该方法在嵌入相同秘密信息的前提下，对原图的修改较小，其技术方案为：

(1)伪随机数(PRN，Pseudo Random Number)的生成。大多数LSB隐写算法的实现都要结合伪随机数实现秘密信息位的置乱。伪随机数是指用数学递推公式所产生的随机数，它有一个特点就是在参数一定的情况下每次产生的伪随机数序列是相同的。目前常见的伪随机数产生方法有线性同余法、平方取中法、菲波那契法和小数开方法等。其中线性同余法是应用较为广泛的一个方法，它具有产生速度快、输出序列周期长等特点，它是由迭代公式x_n+1＝(ax_i+c)modm得到的随机数序列{x_n}。其中，m(m>0)为模数，a(0≤a≤m)为乘数，c(0≤c≤m)为增量，线性同余法的另一个参数为初值即种子seed(0≤seed<m)。

(2)DP_LSB嵌入原理。如果二值函数f(x，y)满足关系式：

$\left\{\begin{array}{c}f(x-1,y)\&NotEqual;f(x+1,y)\\ f(x,y)\&NotEqual;f(x,y+1)\end{array}\right.\&ForAll;x,y\&Element;Z---\left(1\right)$

那么该二值函数中x在正负1范围内的变化可以使f(x，y)产生不同的值，y加减1同样也会改变f(x，y)的值。所以，利用二值函数的这一性质可以将两位秘密信息以较低的像素改变率同时嵌入到两个像素中。实际中也可以找到这样的二值函数，如(2)式所示：

式中x，y∈Z，均表示像素灰度值，lsb(*)表示取二进制像素的最低比特位，

表示向下取整数。

现有的隐写算法无论从信息嵌入容量上还是隐写算法的鲁棒性上都有很大改进空间。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提高信息嵌入容量，改进隐写算法的鲁棒性。其基本思想是引入辅助像素，完成将两位秘密信息同时嵌入到载体图像的一个像素灰度值中。在嵌入过程中，根据伪随机数发生器在参数一定的情况下每次产生的伪随机数序列相同这一性质，用伪随机数发生器产生的0-255之间的整数伪随机数作为辅助的载体图像像素灰度值(简称辅助像素值)，将两位秘密信息嵌入到载体像素值和对应的辅助像素值中，然后再将该辅助像素值中的信息转换到载体像素值中。

按照本发明提供的技术方案，基于辅助像素的图像隐写处理方法，包括信息嵌入方法和信息提取方法。

所述信息嵌入方法的步骤如下，

(1)信息置乱：生成与二进制比特流形式的原始秘密信息长度一致的伪随机数序列，用所述伪随机数序列对原始秘密信息的比特流进行随机化，作为待嵌入的秘密信息位。

(2)辅助像素生成：利用伪随机数产生器产生一个8位伪随机数序列，作为辅助像素灰度值(a)。所述辅助像素灰度值(a)和载体图像的每个像素灰度值(p)一一对应。

(3)信息位转换：对所述辅助像素灰度值(a)和载体图像的像素灰度值(p)进行变换，即把载体图像的每个像素灰度值(p)去掉右数第二位(p₁)，转化为7位二进制数p′，并用所述载体图像的像素灰度值(p)的右数第二位(p₁)替换对应辅助像素灰度值(a)的右数第一位，使辅助像素灰度值(a)转化为8位二进制数a′。

(4)信息嵌入操作：待嵌入的第一位秘密信息为m₁，待嵌入的第二位秘密信息为m₂，采用函数

式中x，y表示经信息位转换后的像素灰度值。

如果m₁等于p′的最低比特位，且m₂不等于f(p′，a′)，则p″＝p′，a″＝a′+1；

如果m₁等于p′的最低比特位，且m₂等于f(p′，a′)，则p″＝p′，a″＝a′；

如果m₁不等于p′的最低比特位，且m₂等于f(p′-1，a′)，则p″＝p′-1，a″＝a′；

如果m₁不等于p′的最低比特位，且m₂不等于f(p′-1，a′)，则p″＝p′+1，a″＝a′。

(5)隐秘图生成：把所述a″的右数第一位插入所述p″的右数第一位和右数第二位之间，得到8位二进制数s，所述s为嵌入秘密信息后的隐秘图像的像素灰度值。

所述信息提取方法的步骤如下，

(1)把所述s去掉右数第二位(s₁)，转化为7位二进制数s′，并用所述s的右数第二位(s₁)替换与s相对应的辅助像素灰度值(a)的右数第一位，使辅助像素灰度值(a)转化为8位二进制数A′。

(2)提取所述s′的最低比特位为第一位秘密信息(m₁)，f(s′，A′)为第二位秘密信息(m₂)。

(3)采用所述信息置乱操作中所采用的伪随机数序列把提取出的秘密信息还原为原始秘密信息。

所述辅助像素灰度值为利用伪随机序列生成的0到255之间的整数的8位二进制数形式。

所述载体图像的像素灰度值为0到255之间的整数的8位二进制数形式。

所述最低比特位为像素灰度值除以2的余数。

所述载体图像为提供像素用以承载秘密信息的数字图像。

本发明的优点是：

(1)利用辅助像素方法将两位秘密信息同时嵌入到一个像素中，嵌入容量得到的很大的提高。

(2)在保持一定嵌入效率的同时，提高了载体利用率。

(3)分别利用伪随机数用于置乱隐秘信息和生成辅助像素灰度值，增加了该算法的加密强度。由于伪随机序列难以逆向求解，增加了第三方(不知道伪随机数序列)从隐秘图像中提取隐秘信息的难度，达到了提高算法抗攻击能力的目的。

附图说明

图1(a)是载体像素灰度值与对应辅助像素灰度值变换示意图一。

图1(b)是载体像素灰度值与对应辅助像素灰度值变换示意图二。

图2(a)为载体图像的直方图。

图2(b)为DP_LSB嵌入后图像的直方图。

图2(c)为AP_LSB嵌入后图像的直方图。

图2(d)为简单LSB嵌入后图像的直方图。

具体实施方案

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。

1信息嵌入步骤

嵌入过程中，首先伪随机数产生器产生一个伪随机数序列，用所述伪随机数序列对欲嵌入的原始秘密信息的比特流进行随机化，作为待嵌入的秘密信息位。另外产生的一个8位伪随机数序列，用于生成辅助像素灰度值a二进制序列，所述辅助像素灰度值a二进制序列和载体图像的像素灰度值p二进制序列一一对应。

如图1(a)所示，对所述8位由伪随机数发生器生成的辅助像素灰度值a和载体图像的像素灰度值p进行变换，设p为p₇p₆p₅p₄p₃p₂p₁p₀，a为a₇a₆a₅a₄a₃a₂a₁a₀。

把载体图像的每个像素灰度值p去掉右数第二位p₁，转化为7位二进制数p′，则p′为p₇p₆p₅p₄p₃p₂p₀；用所述载体图像的每个像素灰度值p的右数第二位替换所述辅助像素灰度值a的右数第一位，转化为8位二进制数a′，则a′为a₇a₆a₅a₄a₃a₂a₁p₁。

设待嵌入的第一位秘密信息为m₁，待嵌入的第二位秘密信息为m₂，调用函数实现对载体像素灰度值和辅助像素灰度值的嵌入。

如果m₁等于p′的最低比特位，且m₂不等于f(p′，a′)，则p″＝p′，a″＝a′+1；

如果m₁等于p′的最低比特位，且m₂等于f(p′，a′)，则p″＝p′，a″＝a′；

如果m₁不等于p′的最低比特位，且m₂等于f(p′-1，a′)，则p″＝p′-1，a″＝a′；

如果m₁不等于p′的最低比特位，且m₂不等于f(p′-1，a′)，则p″＝p′+1，a″＝a′。

最后，如图1(b)所示，设p″为

a″为

把所述a″的右数第一位插入所述p″的右数第一位和右数第二位之间，得到8位二进制数s，则s为

所述s作为嵌入秘密信息后的隐秘图像的像素灰度值。

2秘密信息的提取

在秘密信息提取时，按照图1(a)的方法，把所述s去掉右数第二位s₁，转化为7位二进制数s′，并用所述s的右数第二位s₁替换与s对应的辅助像素值a的右数第一位，转化为8位二进制数A′。然后，提取所述s′的最低比特位为第一位秘密信息m₁，f(s′，A′)为第二位秘密信息m₂。最后，用嵌入过程中信息置乱操作所采用的伪随机数序列将提取出的秘密信息还原为原始秘密信息。

3算法分析

(1)嵌入容量

以8位灰度图像为例，AP_LSB嵌入是将两位秘密信息同时嵌入到一个像素中，这样嵌入容量就等于载体图像像素个数的1/4。简单LSB嵌入是将秘密信息一位一位嵌入到每个像素中，其嵌入容量为载体图像像素个数的1/8。而DP_LSB嵌入方法则是将两位秘密消息分别嵌入到两个像素中，同样，其嵌入容量只有载体图像像素个数的1/8。由此可见，三种隐写算法中AP_LSB嵌入容量为另两种算法的两倍。

(2)直方图影响比较

假设载体图像像素灰度值与辅助像素灰度值已经过变换，即已得到p′(p₇p₆p₅p₄p₃p₂p₀)和a′(a₇a₆a₅a₄a₃a₂a₁p₁)；对于待嵌入的秘密信息m₁，m₂。根据上述嵌入原理，辅助像素a′的最低比特位p₁(即原载体像素的次最低比特位)被修改的概率为：

P＝P(p₁＝m₁)P(f(p′，a′)≠m₂)           (3)

式中，f函数与式2一致。

由于秘密信息已经历伪随机化，因此其“0”、“1”个数近似相等，从而有：

P(p₁＝m₁)＝P(f(p′，a′)≠m₂)＝0.5       (4)

依(3)式得P＝0.25。

由此可推论，若将两位秘密信息同时嵌入到一个像素二进制值的最低两位就会很大程度上提高算法的嵌入率，而对图像本身的改变不大。

图2列举了样本图片经几种典型隐写操作后的直方图统计特性变化。图2(a)为载体图像的直方图，(b)为DP_LSB嵌入后图像的直方图，(c)为AP_LSB嵌入后图像的直方图，(d)为简单LSB嵌入后图像的直方图。比较嵌入前后直方图的变化可见，本发明所述方法的直方图的变化是最小的。

(3)嵌入效率

在图像隐写中，载体利用率为嵌入容量与载体像素个数之比，嵌入效率为每个像素的修改概率与该像素可以平均嵌入的比特数之比。

在秘密信息中“0”、“1”的个数近似相等的情况下，可以计算出AP_LSB嵌入、DP_LSB嵌入和简单LSB嵌入对每个像素的修改率分别为：3/4、3/8、1/2，载体利用率分别为：200％、100％、100％，嵌入效率分别为8/3、8/3、2。显然，AP_LSB嵌入与DP_LSB嵌入效率相同，比简单LSB嵌入要高，而载体利用率则提高了一倍。

(4)安全性

相比较简单LSB嵌入和DP_LSB嵌入两种隐写算法，AP_LSB隐写算法在嵌入过程中不仅采用伪随机序列置乱秘密信息位，而且利用随机序列生成辅助像素，增加了算法的加密强度。由于伪随机序列难以通过逆向求解获得，增加了从隐秘图像中提取秘密信息的难度。因此，达到了提高算法抗攻击能力的目的。

Claims (3)

1、基于辅助像素的图像隐写处理方法，包括信息嵌入方法和信息提取方法，其特征是：

所述信息嵌入方法的步骤如下，

(1)信息置乱：生成与二进制比特流形式的原始秘密信息长度一致的伪随机数序列，用所述伪随机数序列对原始秘密信息的比特流进行随机化，作为待嵌入的秘密信息位；

(2)辅助像素生成：利用伪随机数产生器产生一个8位伪随机数序列，作为辅助像素灰度值(a)。所述辅助像素灰度值(a)和载体图像的每个像素灰度值(p)一一对应；

(3)信息位转换：对所述辅助像素灰度值(a)和载体图像的像素灰度值(p)进行变换，即把载体图像的每个像素灰度值(p)去掉右数第二位(p₁)，转化为7位二进制数p′，并用所述载体图像的像素灰度值(p)的右数第二位(p₁)替换对应辅助像素灰度值(a)的右数第一位，使辅助像素灰度值(a)转化为8位二进制数a′；

(4)信息嵌入操作：待嵌入的第一位秘密信息为m₁，待嵌入的第二位秘密信息为m₂，采用函数

式中x，y表示经信息位转换后的像素灰度值；

如果m₁等于p′的最低比特位，且m₂不等于f(p′，a′)，则p″＝p′，a″＝a′+1；

如果m₁等于p′的最低比特位，且m₂等于f(p′，a′)，则p″＝p′，a″＝a′；

如果m₁不等于p′的最低比特位，且m₂等于f(p′-1，a′)，则p″＝p′-1，a″＝a′；

如果m₁不等于p′的最低比特位，且m₂不等于f(p′-1，a′)，则p″＝p′+1，a″＝a′；

(5)隐秘图生成：把所述a″的右数第一位插入所述p″的右数第一位和右数第二位之间，得到8位二进制数s，所述s为嵌入秘密信息后的隐秘图像的像素灰度值；

所述信息提取方法的步骤如下，

(1)把所述s去掉右数第二位(s₁)，转化为7位二进制数s′，并用所述s的右数第二位(s₁)替换与s相对应的辅助像素灰度值(a)的右数第一位，使辅助像素灰度值(a)转化为8位二进制数A′；

(2)提取所述s′的最低比特位为第一位秘密信息(m₁)，f(s′，A′)为第二位秘密信息(m₂)；

(3)采用所述信息置乱操作中所采用的伪随机数序列把提取出的秘密信息还原为原始秘密信息。

2、如权利要求1所述的基于辅助像素的图像隐写处理方法，其特征是，所述辅助像素灰度值为利用伪随机序列生成的0到255之间的整数8位二进制数形式。

3、如权利要求1所述的基于辅助像素的图像隐写处理方法，其特征是，所述载体图像的像素灰度值为0到255之间的整数8位二进制数形式。

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