CN103414840B - 一种基于图像集的数据隐藏方法 - Google Patents

Abstract

一种基于图像集的数据隐藏方法，先对原始载体图像进行防溢出处理，开辟保留像素区，产生载体图像，把载体图像与构建的图像集中基础图像分别相减，得到差值图像和直方图信息，以直方图峰值最大的差值图像为载体、利用基于直方图的信息隐藏方法进行数据隐藏，以保留像素区为载体对直方图峰值最大、最小的差值图像对应标号信息进行信息隐藏，将含密差值图像和图像集中对应图像相加得到含密图像，将其与最低直方图峰值对应的基础图像进行异或运算得到含密载体图像进行传输，接收端从含密载体图像提取出标号信息并进行信息隐藏逆过程恢复出隐藏的数据及载体图像。本发明利用图像集提高了信息隐藏的容量，实现了更安全的无损数据隐藏。

Description

一种基于图像集的数据隐藏方法

技术领域

本发明涉及一种基于图像集的数据隐藏方法，属于图像处理技术领域，可用于地面设备之间、地面对航天器、航天器对地、航天器之间数据的安全和高效传输。

背景技术

数据隐藏也称为信息隐藏，是将秘密信息隐藏到载体中，对载体的影响难以觉察。载体可以是音频、图像、文本等。随着数字图像分辨率的增加，数字图像越来越大，如将数据隐藏于数字图像，则总趋势是隐藏量越来越大。信息隐藏可分为有损信息隐藏和无损信息隐藏，无损信息隐藏在秘密信息无损提取后还能正确恢复原始图像，是一种重要的信息隐藏类型。目前的无损信息隐藏算法多基于直方图移位技术或者差值扩展技术，这两种技术由于各自的缺点，在实际中应用时存在容量小等许多问题。总之，信息隐藏可以在载体大小不变的情况下传输更多的数据，提高数据存储以及传输的效率，提高信息传输的安全性。载体图像的质量评价一般以峰值信噪比PSNR为评价指标。目前图像数据隐藏、特别是图像无损信息隐藏方法，主要存在以下问题：

（1）图像隐藏容量、图像质量因载体图像变化可能相差很大；

许多算法对一部分图像隐藏效果好，对另一部分图像隐藏效果却不好，随载体图像特性变化而变化，图像隐藏如用客观评价准则来说，隐藏容量或峰值信噪比PSNR可能相差很多。同样的隐藏方法，对某一图像隐藏，隐藏容量较大，对另外的图像进行隐藏，隐藏容量可能较小。

（2）基于直方图的方法隐藏容量受直方图限制难以提高。

基于直方图的方法隐藏容量不超过图像直方图峰值。而图像的直方图和载体图像特征密切相关，图像选定则直方图峰值就固定了，直方图峰值难以提高，导致容量有限、难以突破。

（3）基于直方图的方法进行信息隐藏时，一些附加信息需要单独传输。

基于直方图的隐藏方法需要直方图信息（如峰值信息、像素值信息等）才能恢复秘密信息，而这些信息无法和秘密信息一起采用直方图方法隐藏传输，必须单独传输，增加了通信信道也增加了传输的复杂性。

（4）现有基于直方图的信息隐藏方法安全性不高。

由于在秘密信息嵌入时对原始载体图像直方图造成了改变，含密图像直方图和原始图像直方图有了明显的改变，攻击者可以通过直方图分析破解。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于图像集的数据隐藏方法，实现了数据的高效隐藏，为数据安全、高效的存储和传输提供手段，解决了现有信息隐藏技术容量不大、隐藏容量不稳定以及安全性差的问题。

本发明的技术解决方案是：

一种基于图像集的数据隐藏方法，其步骤如下：

（1）选择与待传输的原始载体图像的大小相同的基础图像组成的图像集；

（2）对原始载体图像进行防溢出处理得到载体图像并将其最后几位像素作为保留像素区；

（3）对载体图像和基础图像进行减法运算得到差值图像并计算差值图像的直方图，选出直方图峰值最大的差值图像及直方图峰值最小的差值图像；

（4）计算直方图峰值最大的差值图像的两个峰值，并记录直方图峰值最大的差值图像及峰值最小的差值图像对应的基础图像的序号；

（5）采用基于直方图的信息隐藏方法将秘密信息嵌入峰值最大的差值图像中得到含密差值图像，并在保留像素区嵌入直方图峰值最大的差值图像及峰值最小的差值图像对应的基础图像的序号以及直方图峰值最大的差值图像的两个峰值对应的两个像素灰度值；

（6）把含密差值图像与直方图峰值最大的差值图像对应的基础图像进行加法运算得到含密图像；

（7）将含密图像与直方图峰值最小的差值图像对应的基础图像进行按位异或运算，将含密图像转化为最终含密图像进行传输；

（8）接收端接收最终含密图像并从最终含密图像的保留像素区中提取直方图峰值最大的差值图像及峰值最小的差值图像对应的基础图像的序号以及直方图峰值最大的差值图像的两个峰值对应的两个像素灰度值；

（9）将最终含密图像与直方图峰值最小的差值图像对应的基础图像进行异或运算得到含密图像，将含密图像与图像集中对应的基础图像相减获得含密差值图像；

（10）从含密差值图像中提取秘密信息并恢复步骤（3）中的差值图像；将差值图像与对应的基础图像相加恢复载体图像。

所述步骤（1）中图像集的选择方法如下：根据图像内容初步选择不同类型有代表性的图像，这些图像可以来自标准图像库、专业图像库以及人工生成图像；计算图像某个特征参数，按图像特征参数大小排列，将图像划分若干类型，图像集要覆盖不同类型，每一类型可以选择一幅或多幅图像，构成由多幅相同大小图像（基础图像）组成的图像集；所述步骤（1）中防溢出处理是指将原始图像中像素灰度值等于灰度范围上限的像素灰度值减1，将原始图像中像素灰度值等于灰度范围下限的像素灰度值加1。

所述步骤（5）中的基于直方图的信息隐藏方法如下：找到直方图峰值最大的差值图像的两个峰值对应的像素灰度值，在直方图中将像素灰度值较大者右侧的像素向右移一个单位，将像素灰度值较小者左侧的像素向左移一个单位；在两个峰值点对应的像素灰度值中嵌入数据，所述数据为秘密信息；若数据为比特1，则将两个直方图峰值较大者对应的像素灰度值加1或将直方图两个峰值较小者对应的像素灰度值减1；如果数据为比特0，则差值图像不改变。

所述步骤（10）中采用基于直方图的信息提取方法从含密差值图像中提取秘密信息并恢复步骤（3）中的差值图像；所述基于直方图的信息提取方法如下：从保留位中提取出直方图峰值最大的差值图像的两个峰值对应的像素值，依像素扫描含密差值图像，若像素值为较大者或者较小者则提取秘密信息0，若像素值为像素较大者加1或像素较小者减1则提取秘密信息1，其他像素值没有嵌入秘密信息，提取完秘密信息后，将含密差值图像中像素值大于像素较大者的减1、小于像素较小者的加1，完成差值图像的恢复。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

（1）本发明隐藏容量和图像质量优于不采用图像集的信息隐藏方法，本发明利用构建的图像数据集将原始图像变换为多幅特性不同的图像实现数据隐藏传输，由于图像数据集代表型强，涵盖面广，运算后的多幅图像具有比原始图像更大的隐藏容量，最差的情况下也和原来隐藏容量一样，因此隐藏容量和效果总是优于不采用图像集的信息隐藏方法。

（2）本发明隐藏容量不会因载体图像的不同而变化太大，因为经过减法处理，从多幅差值图像的多个直方图中选择最大直方图，总比从原来一个直方图的选择余地大，如果图像集合适，那么对各种特征的图像都可能选出差不多大小的直方图峰值，因此具有隐藏容量相对稳定的特点。

（3）本发明隐藏容量不受原载体图像直方图的限制，可以提高，基于直方图的隐藏方法本身隐藏容量不超过图像直方图峰值，如图像的直方图峰值低则隐藏容量就低，本发明通过图像集产生多个好的直方图峰值，直方图峰值提高了则隐藏容量就提高，因此突破了原载体图像直方图的限制，隐藏容量明显提高。

（4）本发明信息隐藏方法安全性得到提高，难于破解，本发明图像集本身算是一种密钥，提高了数据存储和传输的安全性。同时利用图像集中直方图峰值最小的图像进行异或运算，原始直方图信息发生改变，相当于对原始直方图进行了伪装处理，因此攻击者只能通过伪装后的直方图信息进行分析破解，即使破解了也只能知道伪装后的直方图，难于得到真正的信息，因此安全性进一步得到提高。

（5）本发明采用的隐藏传输方法，在隐藏的同时基于自建图像集进行了一次特殊加密，由于这样加密后还可以看出一些信息，不同于传统的加密，因此，可以使攻击者认为没有采用加密措施而不去攻击。基于基础图像的信息加密方法，具有简单、实用、保密性强的特点，可以省略数据传输通常采用的加密设备，节省了成本，降低了系统复杂性，提高了传输的可靠性。

（6）本发明的隐藏方法可以用于各种数据的传输，在保持原有传输系统不变的情况下提高信息传输效率。

附图说明

图1为本发明流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

本发明提出了一种基于图像集的数据隐藏方法，利用图像集产生更大直方图峰值，提高了信息隐藏的容量；采用直方图峰值最低的差值图像对应的基础图像对最终含密图像进行了特殊加密处理，实现了更安全的无损数据隐藏。先对原始载体图像进行防溢出处理，开辟保留像素区，产生载体图像。把载体图像与构建的图像集中基础图像分别相减，得到差值图像和直方图信息。以直方图峰值最大的差值图像为载体、利用基于直方图的信息隐藏方法进行数据隐藏，以保留像素区为载体对直方图峰值最大、最小的差值图像对应标号信息进行信息隐藏。将含密差值图像和图像集中对应图像相加得到含密图像，将含密图像与最低直方图峰值对应的基础图像进行异或运算得到含密载体图像，进行传输。接收端从含密载体图像提取出标号信息并进行信息隐藏逆过程恢复出隐藏的数据及载体图像，从而恢复出原始载体图像，载体图像几乎与原始载体图像完全一致，视觉上看不出任何差别，认为恢复载体图像等同于恢复原始载体图像。

如图1所示，本发明一种基于图像集的数据隐藏方法，其步骤如下：

（1）根据原始载体图像A0选择含有n幅相同大小的基础图像B1,B2,…Bn组成的图像集，并把原始图像A0的最后T个像素作为保留像素，图像集的选择方法如下：根据图像内容初步选择不同类型有代表性的图像，这些图像可以来自标准图像库、专业图像库以及人工生成图像；计算图像某个特征参数（例如图像灰度均值），按图像特征参数大小排列，将图像划分若干类型，图像集要覆盖不同类型，每一类型可以选择一幅或多幅图像，构成由多幅相同大小图像（基础图像）组成的图像集，所述载体图像A0、基础图像、载体图像A大小均为M行、N列、Q比特量化，总比特数为M×N×Q，M，N，n,Q,T均为正整数；

（2）对原始载体图像A0进行防溢出处理得到载体图像A并将其最后T位像素作为保留像素区；所述步骤（1）中防溢出处理是指将原始图像中像素灰度值等于灰度范围上限的像素灰度值（2^Q-1）减1，将原始图像中像素灰度值等于灰度范围下限的像素灰度值（一般是0）加1。

（3）载体图像A分别和基础图像B1,B2,…Bn进行减法运算，得到差值图像C1,C2,…Cn；将载体图像A视为载体图像A和零值图像的差值图像，用C0表示，然后计算差值图像C0，C1，C2，…Cn的直方图（不涉及T个保留位），选出直方图峰值最大的差值图像Cx以及直方图峰值最小的差值图像Cy；

（4）计算直方图峰值最大的差值图像Cx的两个最大直方图峰值V1和V2，V=V1+V2，并计算直方图峰值最大的差值图像及峰值最小的差值图像在图像集中的序号分别为j和k，j、k介于0到n之间，V≤M×N，V1、V2、j、k、n均为正整数；

（5）采用基于直方图的信息隐藏方法将秘密信息（比特流，设长度为L，L小于等于V）嵌入直方图峰值最大的差值图像Cx中得到含密差值图像Cz，嵌入容量为V，信息的嵌入不涉及T个保留位；设直方图峰值最大的差值图像Cx的两个最大直方图峰值V1和V2对应的像素灰度值为p1和p2；将直方图峰值最大的差值图像及峰值最小的差值图像在图像集中的序号j和k以及直方图峰值最大的差值图像Cx的两个最大直方图峰值V1和V2对应的两个像素灰度值p1和p2的二进制数据（长度为S）以最低位替换的方法嵌入到T个保留像素，数据长度S小于等于保留像素个数T；基于直方图的隐藏方法如下：找到直方图峰值最大的差值图像Cx的两个最大直方图峰值V1和V2对应的像素灰度值p1和p2，不失一般性设p1＞p2，在直方图中，将像素灰度值较大者p1右侧的像素向右移一个单位，将像素灰度值较小者p2左侧的像素向左移一个单位；在两个峰值点嵌入数据：如果秘密信息（数据）为比特1，若像素灰度值是p1则右移一个单位，若像素灰度值是p2则左移一个单位；如果秘密信息（数据）为比特0，则直方图不改变；

（6）把含密差值图像Cz与直方图峰值最大的差值图像Cx对应的基础图像Bj进行加法运算得到含密图像Az；n≥j≥1时，Az=Cz+Bj；j=0时，Az=Cz；

（7）将含密图像Az与直方图峰值最小的差值图像Cy对应图像集中的基础图像Bk进行按位异或运算，将含密图像Az转化为最终含密图像At进行存储或传输；

（8）接收端接收最终含密图像At并从最终含密图像的T位保留像素区中提取直方图峰值最大的差值图像Cx及峰值最小的差值图像Cy在图像集中的序号j和k以及直方图峰值最大的差值图像的两个峰值对应的两个像素灰度值p1和p2；

（9）在图像集中查找图像Bj和Bk，将最终含密图像At与直方图峰值最小的差值图像Cy进行异或运算得到含密图像Az，n≥j≥1时，将含密图像与图像集中对应的基础图像Bj相减获得含密差值图像Cz；j=0时，Az=Cz；

（10）从含密差值图像Cz中提取秘密信息并恢复步骤（3）中的差值图像；将差值图像与对应的基础图像相加恢复载体图像A，该图像可以认为就是原始载体图像；所述基于直方图的信息提取方法如下：从保留位中提取出直方图峰值最大的差值图像Cx的两个峰值V1和V2对应的像素灰度值p1和p2，依像素扫描含密差值图像Cz，若像素灰度值为较大者p1或者较小者p2则提取秘密信息0，若像素灰度值为p1+1或p2-1则提取的秘密信息为1，其他像素灰度值没有嵌入秘密信息，提取完秘密信息后，将含密差值图像中像素灰度值大于像素灰度值较大者p1的减1、小于像素灰度值较小者p2的加1，完成差值图像的恢复。

为了验证本文提出算法的性能，采用了多幅大小为256X256的8比特灰度图像，图像集仅包含8幅基础图像，进行了信息隐藏实验仿真。相对于载体图像A，本发明信息隐藏为无损信息隐藏，所嵌入的秘密信息与载体图像都能完全恢复。

本发明方法没有考虑鲁棒性，含密载体图像的传输质量需要信道编码等技术来保证。本发明对秘密信息可以百分之百恢复，误码率为0。载体图像也可以百分之百恢复，峰值信噪比(PSNR)为无穷大。

本方法理论极限（相对）隐藏容量Cap=(M*N-T)/(M*N*Q)。对于256X256，8比特图像，本发明极限相对隐藏容量可达1/8。隐藏容量可用公式表示为Cap=V/(M*N*Q)，取决于载体图像与图像集中基础图像的差值图像直方图的峰值（最大值），总是优于现有基于直方图的隐藏方法。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.一种基于图像集的数据隐藏方法，其特征在于步骤如下：

(1)选择与待传输的原始载体图像的大小相同的基础图像组成的图像集；

(2)对原始载体图像进行防溢出处理得到载体图像并将其最后几位像素作为保留像素区；

(3)对载体图像和基础图像进行减法运算得到差值图像并计算差值图像的直方图，选出直方图峰值最大的差值图像及直方图峰值最小的差值图像；

(4)计算直方图峰值最大的差值图像的两个峰值，并记录直方图峰值最大的差值图像及峰值最小的差值图像对应的基础图像的序号；

(5)采用基于直方图的信息隐藏方法将秘密信息嵌入峰值最大的差值图像中得到含密差值图像，并在保留像素区嵌入直方图峰值最大的差值图像及峰值最小的差值图像对应的基础图像的序号以及直方图峰值最大的差值图像的两个峰值对应的两个像素灰度值；基于直方图的信息隐藏方法如下：找到直方图峰值最大的差值图像的两个峰值对应的像素灰度值，在直方图中将两个峰值对应的像素灰度值较大者右侧的像素向右移一个单位，将两个峰值对应的像素灰度值较小者左侧的像素向左移一个单位；在两个峰值点对应的像素灰度值中嵌入数据，所述数据为秘密信息；若数据为比特1，则将两个直方图峰值对应的像素灰度值较大者加1或将直方图两个峰值对应的像素灰度值较小者减1；如果数据为比特0，则差值图像不改变；

(6)把含密差值图像与直方图峰值最大的差值图像对应的基础图像进行加法运算得到含密图像；

(7)将含密图像与直方图峰值最小的差值图像对应的基础图像进行按位异或运算，将含密图像转化为最终含密图像进行传输；

(8)接收端接收最终含密图像并从最终含密图像的保留像素区中提取直方图峰值最大的差值图像及峰值最小的差值图像对应的基础图像的序号以及直方图峰值最大的差值图像的两个峰值对应的两个像素灰度值；

(9)将最终含密图像与直方图峰值最小的差值图像对应的基础图像进行异或运算得到含密图像，将含密图像与图像集中对应的基础图像相减获得含密差值图像；

(10)从含密差值图像中提取秘密信息并恢复步骤(3)中的差值图像；将差值图像与对应的基础图像相加恢复载体图像。

2.根据权利要求1所述的一种基于图像集的数据隐藏方法，其特征在于在：所述步骤(1)中图像集的选择方法如下：根据图像内容初步选择不同类型有代表性的图像，这些图像可以来自标准图像库、专业图像库以及人工生成图像；计算图像某个特征参数，按图像特征参数大小排列，将图像划分若干类型，图像集要覆盖不同类型，每一类型可以选择一幅或多幅图像，构成由多幅相同大小图像组成的图像集；所述步骤(2)中防溢出处理是指将原始图像中像素灰度值等于灰度范围上限的像素灰度值减1，将原始图像中像素灰度值等于灰度范围下限的像素灰度值加1。

3.根据权利要求1所述的一种基于图像集的数据隐藏方法，其特征在于在：所述步骤(10)中采用基于直方图的信息提取方法从含密差值图像中提取秘密信息并恢复步骤(3)中的差值图像；所述基于直方图的信息提取方法如下：从保留位中提取出直方图峰值最大的差值图像的两个峰值对应的像素灰度值，依像素扫描含密差值图像，若两个峰值对应的像素灰度值为步骤(5)中所述的像素灰度值较大者或者较小者则提取秘密信息0，若像素灰度值为像素较大者加1或像素较小者减1则提取秘密信息1，其他像素灰度值没有嵌入秘密信息，提取完秘密信息后，将含密差值图像中像素灰度值大于步骤(5)中所述的像素灰度值较大者的减1、小于所述像素较小者的加1，完成差值图像的恢复。