CN103414892B

CN103414892B - 一种大容量抗压缩的图像信息隐藏方法

Info

Publication number: CN103414892B
Application number: CN201310317600.6A
Authority: CN
Inventors: 周诠; 刘娟妮; 朱厉洪; 魏佳圆
Original assignee: Xian Institute of Space Radio Technology
Current assignee: Xian Institute of Space Radio Technology
Priority date: 2013-07-25
Filing date: 2013-07-25
Publication date: 2016-08-10
Anticipated expiration: 2033-07-25
Also published as: CN103414892A

Abstract

一种大容量抗压缩的图像信息隐藏方法，本发明首先将载体图像采样分解得到多幅大小相等且互不重叠的子图像，然后从中优选几幅作为载体子图像，剩余子图像作为恢复载体所用的源图像。信息嵌入先经编码和置乱处理，再用基础隐藏方法对载体子图像中高4位的1位或几位进行隐藏，将含密子图像和不含密子图像重构成一幅含密图像进行传输；接收端将接收的图像分解，从含密子图像中提取秘密信息，再用不含密子图像通过插值预测恢复载体图像。本发明具有隐藏容量大、抗压缩能力强和实现复杂度低的优点，最大相对隐藏容量可达1/8，能在JPEG2000算法2倍～8倍压缩的情况下高质量恢复秘密信息和载体图像，恢复载体图像PSNR典型值为40dB。

Description

一种大容量抗压缩的图像信息隐藏方法

技术领域

本发明涉及一种图像通信的方法，特别涉及一种在图像中隐藏大量数据并能对抗典型图像数据压缩的信息隐藏方法，属于通信技术领域。

背景技术

随着科技的发展，人们对高分辨率图像的需求越来越大，提高图像数据传输效率以及传输的安全性变得越来越重要。通过信息隐藏（也称数据隐藏）技术可以做到在不改变图像大小的情况下，在图像中嵌入秘密信息进行传输，而接收端能恢复出秘密信息和图像。

对信息隐藏来说，如果隐藏容量小，且隐藏秘密信息的含密图像在传输过程中没有发生变化或发生的变化不大时，接收端能正确的提取秘密信息，同时恢复载体图像，但随着图像分辨率的提高，图像传输前往往要采用数据压缩技术（最有代表性的是JPEG2000图像压缩标准）对图像进行有损压缩，从而造成图像特性的改变。

目前图像质量有许多评价指标，其中，以峰值信噪比PSNR为主流评价指标，一般PSNR至少要达到30dB以上，理想值为40dB左右。信息隐藏容量可以用相对容量（隐藏的数据量占载体图像总数据量的比例），也可以用绝对容量（隐藏的数据量，比特值）来衡量。

那么采用信息隐藏技术，经过数据压缩处理后，秘密信息能否正确恢复？载体图像能否正确恢复？回答是：若隐藏方法具有大容量、抗压缩能力，则隐藏的信息以及载体图像都可以正确恢复；但现有的隐藏方法的隐藏容量、恢复载体的质量等无法兼顾，难于满足实际的使用要求。现有的信息隐藏技术主要包括空域和变换域的隐藏方法，其中空域的典型算法有LSB、MSB等方法，变换域的典型算法有DCT域、小波域的方法等。

最低有效位（LSB）隐藏方法是最简单的一种信息隐藏方法，它用待隐藏的信息比特直接替换载体图像的最低有效位，隐藏容量可以达到1/8，但是没有抗压缩能力；就算把隐藏容量降低到1/16,1/32等，也难于对抗数据压缩，也就是说经过数据压缩后，隐藏的秘密信息无法正确恢复。

最高有效位（MSB）方法是一种无法使用的信息隐藏方法，它用待隐藏的信息比特直接替换载体图像的最高有效位，不考虑载体质量则隐藏容量可以达到1/8，且具有一定的抗压缩能力，但是该方法完全破坏了载体图像，即使不经过数据压缩等处理，也无法恢复载体图像，隐藏的信息破坏了原始图像，可以说“得不偿失”、“喧宾夺主”，违背了信息隐藏方法必须保证载体图像质量的基本原则。

就信息隐藏方面而言，当前国际上图像数据隐藏方法不太适合进行高效数据传输，其主要不足如下：

1）能抗压缩的典型隐藏方法隐藏容量小，实现复杂度高。

一般隐藏容量低于1/128；恢复的载体图像质量不高:PSNR为30dB左右。变换域（如DCT域）信息隐藏方法即使具有抗压缩能力，也存在实现复杂度高，隐藏容量小的问题。

2）隐藏容量大（1/8）的方法没有抗压缩能力，如空域LSB方法。

3）最高有效位（MSB）隐藏方法具有一定抗压缩能力，但完全破坏了载体图像，因而不具有实用性。

4）现有信息隐藏方法，完成信息隐藏后载体图像质量就固定了。

信息隐藏完成后载体图像就是含密图像，或者与含密图像质量相当。也就是说一旦信息隐藏完成，载体图像质量就无法提高了，无法根据其他图像进行恢复。

5）现有信息隐藏方法信息隐藏与载体恢复两个过程无法分开。

也就是说，信息隐藏时总是害怕对载体图像变化大了造成载体无法恢复，隐藏容量难以提高。

因此，现在需要一种在图像中隐藏大量数据并能对抗典型图像数据压缩的信息隐藏方法。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种大容量、抗压缩的图像隐藏方法，解决了现有抗压缩的信息隐藏算法隐藏容量小、大容量数据隐藏方法恢复的载体图像质量差的问题。

本发明的技术解决方案是：

一种大容量抗压缩的图像信息隐藏方法，其步骤如下：

（1）将载体图像分解为多幅相同大小的子图像，从中选择载体子图像用于隐藏秘密信息。

(2)将秘密信息转化为二进制码流并采用基础信息隐藏方法嵌入所述载体子图像中，得到含密载体子图像，剩余的多幅相同大小的子图像为不含密子图像；

（3）将所有含密载体子图像和不含密子图像重构成一幅含密图像进行数据压缩传输；

（4）接收端经过解压译码后通过图像分解得到含密载体子图像和不含密子图像，并从含密载体子图像中提取隐藏的秘密信息；

（5）根据不含密子图像通过插值预测来对含密子图像进行载体子图像的恢复，然后通过重构得到完整的载体图像。

所述步骤（1）中所述的载体子图像的选取方法如下：对多幅图像相同大小的子图像分别压缩，按照压缩比由大到小排列，然后选取压缩比大的子图像作为载体子图像。

所述步骤（2）中所述的秘密信息转化为二进制码流的方法为：把秘密信息按位重复r次并进行置乱处理，其中r为大于等于1的奇数；步骤（2）中所述的基础隐藏方法为：采用有效位直接替换的方法，用秘密信息的比特直接替换载体子图像的最高位开始的前R位，所述最高位为第Q位；基础隐藏方法替换前R个高位的相对容量为Cap0=R/rQ。

所述步骤（5）中所述载体子图像的恢复是利用不含密子图像进行插值预测得到载体子图像。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

（1）本发明突破了常规信息隐藏算法的局限性，采用国内外公认无法应用于信息隐藏领域的最高位替换方法，把信息隐藏与载体恢复这两个过程分开，可以创造性地解决隐藏容量、鲁棒性与载体图像质量之间的矛盾，大大改善了隐藏方法的性能。

（2）本发明相对于传统方法直接利用含密图像来恢复原始载体图像，一旦容量大就会造成恢复图像质量无法提高，本发明在进行信息隐藏时仅优选了部分子图像进行大容量隐藏，隐藏过程人为破坏这些子图像，只要保证隐藏的信息能恢复而不考虑载体子图像质量，没有隐藏信息的子图像具有高质量和抗压缩能力，根据这些子图像对含密子图像进行插值预测，以此来恢复载体图像，从而提高了接收端图像的质量。

（3）本发明的隐藏方法具有隐藏容量大、抗压缩能力强的特点，具有受图像特性影响小等特性。由于大多数子图像中没有隐藏信息，经过数据压缩后对隐藏的信息自然不影响，因此本发明隐藏方法抗压缩能力强；由于本发明隐藏方法仅在少数优选的、能隐藏信息的子图像中大容量隐藏，且不需要这些载体子图像来恢复载体图像，因此隐藏容量大大突破常规方法的限制。

（4）本发明技术方案独特，实现方式简单，实现复杂度远远低于常规空域、变换域信息隐藏方法，实用性大大提高。

（5）本发明以传输为目的，摆脱了传统信息隐藏方法在载体恢复方面的束缚，在接收端利用预测插值的方法来恢复载体图像，使得在嵌入数据时无需考虑隐藏方法对子图像的影响，从而大大提高了算法的隐藏容量和抗压缩能力。

（6）本发明的隐藏方法可根据需要来设置隐藏容量，且可选择范围较大，具有容量可控、调节灵活、使用方便等优点。相对容量Cap=(M/N)×Cap0=(M/N)×R/（rQ),R=1,2,3,4，一般情况下r=1。如N=4，M=1，R=1，Q=8，则Cap=1/4*1/8=1/32；如N=4，M=1，R=4，Q=8，则Cap=1/4*4/8=1/8；如N=4，M=1，R=2，Q=8，则Cap=1/4*2/8=1/16。

（7）本发明的隐藏方法恢复载体的质量可控,PSNR可达30dB-50dB，恢复载体质量可根据M，N的比例配置，可取30dB-50dB，方法灵活性较强，PSNR随M/N的降低而提高，既用于恢复载体图像的子图像数据越多，恢复出的载体图像质量越高，在大容量抗压缩情况下，PSNR典型值可达40dB左右，本发明使得图像恢复质量得到明显的提高。

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。

本发明利用图像分解技术把原始图像分解为多幅子图像，并根据压缩比优选出部分子图像做载体进行信息隐藏，利用基础信息隐藏方法（如最高有效位信息隐藏方法）进行大容量信息隐藏，隐藏容量取决于子图像所占比例，抗压缩性能主要由子图像隐藏方法决定，然后在接收端对载体图像进行恢复，载体图像的恢复基于其他子图像。

如图1所示，本发明一种大容量抗压缩的图像信息隐藏方法，其步骤如下：

（1）对原始载体图像Ａ进行分解，经过行采样或列采样或行列同时采样分解成N幅相同大小的子图像，图像总数据量不变；选择M幅子图像A_i做载体，其中i=1,2….,M，剩余N-M幅子图像中不隐藏数据，其中1≤M≤N/2；Q比特量化；所述M幅子图像的选取方法如下：对N幅子图像分别压缩，按压缩比由大到小排列，然后选取压缩比较大的前M幅子图像作为载体子图像。

(2)将秘密信息转化为二进制码流并采用基本信息隐藏方法嵌入M幅子图像中，得到含密载体子图像B_i，其中i=1,2….,M，把未隐藏信息的N-M个子图像记为C_j，其中j=M+1,…,N；所述秘密信息转化为二进制码流的方法为：把秘密信息按位重复r次，其中r为奇数，r大于等于1，并进行置乱处理；所述基础隐藏方法为：采用有效位直接替换的方法，用秘密隐藏比特直接替换载体子图像的最高位开始的前R位，所述最高位为第Q位；基础隐藏方法替换前R个高位的相对容量为Cap0=R/rQ，其中，Q为量化比特，R为正整数，R小于Q；

（3）按分解的逆过程将所有含密载体子图像B_i和不含密子图像C_j重构成一幅含密图像，然后进行数据压缩传输；

（4）秘密信息的提取：接收端经过解压译码后通过图像分解得到含密载体子图像B'_i和未含密信息子图像C'_j，然后利用嵌入方法的逆过程，从M幅含密子图像B'_i中提取隐藏的秘密信息；

（5）载体图像的恢复：根据N-M幅未含密的子图像C'_j来对含密子图像B'_i通过插值预测进行载体子图像的恢复得到M个子图像A'_i，然后通过重构得到完整的载体图像。

下面以一个具体实例进一步说明本发明的工作过程和验证本发明提出算法的性能。

采用多幅大小为512X512的8比特灰度图像进行了实验仿真，嵌入秘密信息后载体图像的改变程度用峰值信噪比(PSNR)来衡量，恢复的载体图像的PSNR主要取决于分解图像中含密子图像所占的比例M/N。本发明的峰值信噪比(PSNR)均在30dB以上，甚至达40-50dB，典型值为40dB左右（大于35dB）。

隐藏容量Cap=M/N*R/(rQ)；

其中，M为隐藏子图像个数，N为总子图像个数，Q为图像量化比特数，R为子图像隐藏容量控制因子，r为秘密数据重复因子，一般Q=8,r=1。如只用最高位R=1；用最高位和次高位，R=2；用最高位到第三位，R=3；用最高位到第四位，R=4。

本发明隐藏容量可取许多值，极限隐藏容量Cap=1/2*4/8=1/4，最大隐藏容量Cap=1/4*4/8=1/8，其他值为：

Cap=1/4*2/8=1/16；Cap=14/*3/8=3/16；

Cap=1/4*1/8=1/32；Cap=1/8*2/8=1/16；

Cap=1/8*1/8=1/64；Cap=1/16*1/4=1/64；Cap=2/16*1/8=1/64。

Cap小于1/64当然具有更优的质量。

本发明隐藏方法可以对抗JPEG2000压缩算法的攻击，大容量情况下，压缩比在2倍到8倍之间，本发明隐藏容量可达1/8-1/64，恢复载体图像典型值为40dB左右（大于35dB）。

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

1.一种大容量抗压缩的图像信息隐藏方法，其特征在于步骤如下：

(1)将载体图像分解为多幅相同大小的子图像，从中选择载体子图像用于隐藏秘密信息；对多幅相同大小的子图像分别压缩，按照压缩比由大到小排列，然后选取压缩比大的前几幅子图像作为载体子图像；

(3)将所有含密载体子图像和不含密子图像重构成一幅含密图像进行数据压缩传输；

(4)接收端经过解压译码后通过图像分解得到含密载体子图像和不含密子图像，并从含密载体子图像中提取隐藏的秘密信息；

(5)根据不含密子图像通过插值预测来对含密子图像进行载体子图像的恢复，然后通过重构得到完整的载体图像；

步骤(2)中所述的秘密信息转化为二进制码流的方法为：把秘密信息按位重复r次并进行置乱处理转化为二进制码流，其中r为大于等于1的奇数；

步骤(2)中所述的基础信息隐藏方法为：采用有效位直接替换的方法，用秘密信息的比特直接替换载体子图像的最高位开始的前R位，所述最高位为第Q位；基础信息隐藏方法替换前R个高位的相对容量为Cap0＝R/rQ，其中，Q为图像量化比特数，R为正整数，R小于Q，r为秘密数据重复因子。

2.根据权利要求1所述的一种大容量抗压缩的图像信息隐藏方法，其特征在于：所述步骤(5)中所述载体子图像的恢复是利用不含密子图像进行插值预测得到载体子图像。