CN101667285A - 基于像素分组策略的可逆数据隐藏方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于像素分组策略的可逆数据隐藏方法。本方法是：发送方将载体图像的每3个相邻像素分为一组，利用像素之间差值绝对值大小来标记是否为“可嵌的”像素组，并为每个可嵌的像素组确定一个“组性质比特”；再利用相邻像素组往往变化趋势一致的特性，对刻画的组性质比特进行压缩产生冗余空间用来携带额外的秘密信息，并使用像素组内像素灰度值交换操作将秘密数据和用于图像恢复所需数据一同嵌入到所有可嵌的像素组。接收方根据密钥使用相同的像素分组，再依据组内像素差值绝对值判断该像素组是否负载数据比特，对负载数据比特的像素组判断其组性质比特来确定负载的秘密比特，并利用解压缩的性质比特来恢复出原始图像。本发明的方法具有较高的视觉隐蔽性与统计隐蔽性。

Description

基于像素分组策略的可逆数据隐藏方法

技术领域

本发明涉及一种利用信号处理、数理统计和计算机技术调整像素灰度值以便在数字图像中进行无损信息隐藏的方法。

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(或无损)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。

现有的在数字图像中进行可逆数据隐藏的方法有一个共性，都是统计出载体数据的灰度直方图特性，并利用该特性对直方图进行移位和叠加操作来负载秘密数据。同时也需要额外信息来记录这些操作，这些额外信息和秘密信息一同嵌入到载体数据中。但该方法得到的含密图像与原始图像相比直方图有较大差异。各种方法对灰度直方图的操作不尽相同，可参阅如下论文：

1.Zhicheng Ni，Yun-Qing Shi，Nirwan Ansari，and Wei Su.Reversible Data Hiding.IEEETransactions on Circuits and Systems for Video Technology，Vol.16，No.3，March 2006：354-362

2.Yongjian Hu，heung-Kyu Lee，and Jianwei Li.DE-Based Reversible Data Hiding withImproved Overflow Location Map.IEEE Transactions on Circuits and Systems Video Technology.Vol.19，No.2，2009：250-261

3.Zhuo Li，Xiaoping Chen，Xuezeng Pan，and Xianting Zeng.Lossless Data Hiding SchemeBased on Adjacent Pixel Difference.International Conference on Computer Engineering andTechnology，2009：588-592

上述已有技术实施时，均需对载体数据的灰度直方图进行修改，引起含密图像灰度直方图异常，难以抵抗基于直方图的隐写分析方法，因此安全性较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于像素分组策略的可逆数据隐藏方法，可以在灰度或彩色图像中进行可逆数据隐藏的方法。实施时并不改动载体图像的灰度直方图，只需交换像素组内相邻像素的灰度值，实现更为简单，具有更好的隐蔽性。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于像素分组策略的可逆数据隐藏方法，发送方与接收方拥有共同的密钥或密钥发生器，发送方在数字图像中嵌入额外的秘密数据，接受方收到含密图像后，提取秘密数据，恢复原始图像，其特征在于发送方将载体图像的每3个相邻像素分为一组，利用像素之间差值绝对值大小来确定是否为“可嵌的”像素组，并为每个可嵌的像素组构造一个“组性质比特”；再利用相邻像素往往变化趋势一致的特性，对构造的组性质比特进行压缩产生冗余空间用来携带额外的秘密信息，并使用像素组内像素交换操作将秘密数据和用于图像恢复所需数据一同嵌入到所有可嵌的像素组内。接收方收到含密图像后，根据相同的密钥并使用相同的像素分组，依据组内像素差值绝对值大小判断该像素组是否负载秘密比特，若是则根据该像素组之组性质比特提取负载的数据比特。并用解压缩的组性质比特序列来恢复原始图像。

上述的方法的实现步骤如下：

a.发送方进行数据隐藏时，对载体图像的像素进行分组，每三个相邻的像素分为一组，并计算组内三个像素的相互差值，记为d₁、d₂与d₃。

b.设定阈值D_min与D_max，当对所有的d_i都满足D_min≤|d_i|≤D_max时，称该像素组为“可嵌的”。对每个可嵌像素组，由组内像素差值关系构造一个“组性质比特”，记为g。

c.由所有可嵌像素组的性质比特得到性质比特序列S，再对其进行游程编码与哈夫曼编码压缩得到序列S′。将S′与秘密信息M组成欲嵌入比特序列E。

d.将比特序列E中的每个比特逐个嵌入到每个可嵌像素组里。当欲嵌入的比特与该像素组的组性质比特相同，则该像素组不发生改变；否则只需互换像素组内差值绝对值最小的那一对像素的灰度值。

e.接收方收到含密图像后，采取与嵌入时相同的像素分组，再根据阈值D_min与D_max得到已嵌入数据的像素组，然后提取含密图像中所有已嵌入数据的像素组的组性质比特，即得到了嵌入的比特序列E。

f.比特序列E由比特序列S′和秘密信息序列M两部分组成，其中序列S′解压缩后用来恢复原始图像。

上述方法的详细步骤如下：

一、发送方将大小为M×N的图像以每三个相邻的像素为一组，可分为下三角分组形式[p(i，j)，p(i+1，j)，p(i+1，j+1)]和上三角分组形式[p(i，j)，p(i，j+1)，p(i+1，j+1)]，两种分组形式交替进行。图像所有像素划分为像素组的集合，以像素组为单元负载秘密信息。发送方按如下方式处理每个像素组：

1.上三角分组形式的像素组内三个像素的相互差值表示为d₁＝p(i，j+1)-p(i，j)，d₂＝p(i+1，j+1)-p(i，j+1)，d₂＝p(i+1，j+1)-p(i，j)；下三角分组形式的像素组内三个像素的相互差值表示为d₁＝p(i+1，j)-p(i，j)，d₂＝p(i+1，j+1)-p(i+1，j)，d₃＝p(i+1，j+1)-p(i，j)。

2.设定两个阈值D_min和D_max(0＜D_min＜D_max)，只有当|d₁|、|d₂|和|d₃|都处于[D_min，D_max]之间时，则称该像素组是“可嵌的”。为每个可嵌的像素组设定一个标记比特，称这个标记比特为“组性质比特”g。g表示为 $g=f_1\⊕f_2\⊕f_3.$ 其中，表示异或操作，f₁，f₂与f₃定义为d₁，d₂与d₃的“符号性质比特”。如果d₁＞0则f₁＝1，否则f₁＝0。f₂与f₃的表示与f₁相同。

3.由所有可嵌的像素组可以得到组性质比特序列S。|S|表示S的长度，其值等于可嵌入的像素组的数目。由相邻像素变化往往具有一致性可知，序列S中由许多连续比特1或0组成。于是可对序列S进行游程编码与哈夫曼编码压缩得到无损压缩序列S′。长度为(|S|-|S′|)的秘密信息M与S′构成嵌入数据E，即E＝S′||M，符号||表示将二进制序列串联起来。

4.取出序列E中每一比特对应于一个可嵌的像素组，如果欲嵌入的比特与该像素组的组性质比特相同，则该像素组不做改动；如果不同则做如下改动：比较|d₁|、|d₂|和|d₃|的大小，交换差值绝对值最小的那对像素灰度值，即引起相应的符号性质比特发生改变。而组性质比特是三个符号性质比特的异或表示，由此可知，改变其中任意一个符号性质比特，组性质比特就会发生改变。即通过交换像素组内像素的值可实现秘密信息的嵌入，显然嵌入信息后并不改变该像素组的“可嵌的”特性，因此接收方可据此提取嵌入的数据。

二、接收方收到含密图像后，对含密图像做与发送方相同的像素分组操作。D_min和D_max是固定参数，为嵌入程序与提取程序所共有。计算每个像素组的|d₁|、|d₂|和|d₃|，并确定得到所有“可嵌的”像素组。提取秘密数据和恢复原始图像的过程如下：

1.每个可嵌入的像素组都负载1比特秘密信息。由所有可嵌的像素组可提取出嵌入的数据序列E，序列E由S′与秘密信息M构成。

2.M即为提取端要得到的秘密信息，而S′进行解压缩得到S，利用S恢复原始图像。将S中的性质比特对应于可嵌入的像素组，如果组性质比特与可嵌入的像素组当前性质一致，保持该像素组不变；如果不同，则做如下改动：比较|d₁|、|d₂|和|d₃|的大小，交换差值绝对值最小的那一对像素灰度值，即可恢复为原始载体图像的像素组。恢复过程与嵌入过程恰为逆过程。

本发明与现有技术对比，具有如下显而易见的优点：本发明数据隐藏时只需交换分组像素内相邻像素的灰度值，而且只交换三对像素中差异最小的一对像素即可实现数据嵌入，因此含密图像具有很好的视觉效果；数据隐藏只发生在载体图像纹理较丰富区域，具有更好的隐蔽性。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的操作程序框图。

图2是图1示例的载体图像像素分组示意图。

图3是实施例中原始载体像素灰度值。

图4是具体实施例中隐藏了秘密数据的图像像素灰度值。

图5是本发明具体实施例中得到的隐写含密图像(PSNR＝39.9dB)。

图6是本发明具体实施例中得到的差异图像(为便于显示增强了其对比度)。

具体实施方法

本发明的一个优选实施例详述如下：

以下结合附图描述本实施例进行信息隐藏、数据提取、图像恢复过程：

原始载体图像通常较大，为方便示意本发明如何工作，下面以512×512大小的Man图像为例子进行说明。为简单起见，这里只借助其内部大小为6×18的载体图像块进行说明。如图2所示，载体图像块上6个像素点p(i，j)、p(i+1，j)、p(i+1，j+1)、p(i，j+1)、p(i，j+2)和p(i+1，j+2)按每三个相邻的像素为一组进行分组，也就是p(i，j)、p(i+1，j)、p(i+1，j+1)为第一组，p(i，j+1)、p(i，j+2)和p(i+1，j+2)为第二组。假设108个像素相应的灰度值为图3所示。

参见图1，本基于像素分组策略的可逆数据隐藏方法的操作程序如下：

发送方进行信息隐藏的过程为：

1.依次按照下三角形式与上三角形式进行像素分组处理，首先对第一个像素组进行处理。组内三个像素灰度依次相减，得到三个差值为d₁＝117-84＝33，d₂＝109-117＝-8，d₃＝109-84＝25。同理可确定所有像素组的差值d₁，d₂与d₃。

2.选定阈值参数D_min＝4和D_max＝30。根据阈值参数确定共有18个组像素为“可嵌的”。对第一个可嵌的像素组根据“符号性质比特”得到“组性质比特”。三个符号性质比特为f₁＝1，f₂＝0，f₃＝1，由组性质比特 $g=f_1\⊕f_2\⊕f_3$ 可知，该像素组的组性质比特为0。

同理，可得到所有可嵌入的像素组的组性质比特序列为S＝(000011111010001110)₂，可以看出序列S中比特重复率很高。

3.将序列S无损压缩后得到序列S′，假设S′＝(010010100)₂与秘密信息序列M＝(101010110)₂构成欲嵌入的比特序列E，则分配到这18个像素组的欲嵌入比特序列为E＝(010010100101010110)₂。

4.取出第一个欲嵌入比特与第一个组性质比特进行比较，相同则第一个像素组不改变。第二个欲嵌入比特与第二个组性质比特不相同，则需交换像素组内差值绝对值最小的一对像素的灰度值。即第二个像素组交换灰度值为81与70的一对像素。依次类推，可以得到嵌入数据后的6×18的含密图像块的像素灰度值(如图4)。

综合上述各个步骤，得到的含密图像如图5所示。嵌入的数据全部负载在含密图像的纹理部分(图6)，因此具有较好的隐蔽性。

发送方将含密图像传送出去。接收方收到含密图像(图5)后，采取与发送方相同的方法对含密图像像素进行分组(如图2)。再根据与嵌入时相同的阈值参数D_min和D_max，找出含密图像中满足可嵌条件的像素组，然后进行数据提取和图像恢复：

1.计算含密图像所有可嵌的像素组的组特性比特可得到嵌入的比特序列，该比特序列由解压后用于恢复原始图像的性质比特序列S′＝(010010100)₂和秘密信息比特序列M＝(101010110)₂组成。

2.根据提取的组性质比特可知，含密图像块(图4)所对应的原始载体图像块的组性质比特序列为S＝(000011111010001110)₂，而计算含密图像块得到的组性质比特序列为E＝(010010100101010110)₂。于是根据依次比较则可知含密图像的像素组内的像素是否发生改变。如果发生改变，这时只需交换像素组内像素灰度差值绝对值最小的那对像素灰度值，即可恢复出原始载体图像的像素组。

完成上述步骤后，根据含密图像可恢复出原始载体图像，此时得到的像素灰度值结果与图3相同。

Claims (2)

1.一种基于像素分组策略的可逆数据隐藏方法，发送方在不引起可觉察失真的情况下将秘密信息负载在数字图像中，接受方不但可以从含密图像中提取出秘密数据，而且可以无误恢复原始图像，其特征在于发送方将载体图像每3个相邻的像素分为一组，利用像素之间差值绝对值大小来标记是否为“可嵌的”像素组，并为每个可嵌的像素组确定一个“组性质比特”；再利用相邻像素往往变化一致的特性，对确定的组性质比特进行压缩产生冗余空间用来携带额外的秘密信息，并使用像素组内像素灰度值交换操作将秘密数据和用于图像恢复所需数据一同嵌入到所有可嵌入的像素组；接收方收到含密图像后，根据密钥并使用相同的像素分组，再依据组内像素差值绝对值判断该组像素是否负载秘密比特，对负载数据比特的像素组判断其组性质比特来确定负载的秘密比特并恢复出原始载体图像。

2.根据权利要求1所述的基于像素分组策略的可逆数据隐藏方法，其特征在于实现步骤如下：

a.发送方进行数据隐藏时，对载体图像的像素进行分组，每三个相邻的像素分为一组，并计算组内三个像素的相互差值，记为d₁、d₂与d₃；

b.设定阈值D_min与D_max，当对所有的d_i都满足D_min≤|d_i|≤D_max时，称该像素组为“可嵌的”；对每个可嵌像素组，由组内像素差值关系构造一个“组性质比特”，记为g；

c.由所有可嵌像素组的性质比特得到性质比特序列S，再对其进行游程编码与哈夫曼编码压缩得到序列S′；将S′与秘密信息M组成欲嵌入比特序列E；

d.将比特序列E中的每个比特逐个嵌入到每个可嵌像素组里，当欲嵌入的比特与该像素组的组性质比特相同，则该像素组不发生改变；否则只需互换像素组内差值绝对值最小的那一对像素的灰度值；

e.接收方收到含密图像后，采取与嵌入时相同的像素分组，再根据阈值D_min与D_max得到已嵌入数据的像素组，然后提取含密图像中所有已嵌入数据的像素组的组性质比特，即得到了嵌入的比特序列E；

f.比特序列E由比特序列S′和秘密信息序列M两部分组成，其中序列S′解压缩后用来恢复原始图像。

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