CN105227962B - 一种基于数据差值的无损信息隐藏方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于数据差值的无损信息隐藏方法，可以在各类数据(如图像数据)中实现高容量的无损信息隐藏。其特点在于：该方法通过把秘密信息和差值进行联合编码隐藏在数据中进行传输，接收端能完全恢复秘密信息和原始数据。该方法只在原始图像数据的一半数据中进行信息隐藏，在另一半数据中进行信息联合隐藏，接收端对差值进行校正即可恢复原始数据，突破了传统的最低有效位数据压缩方法的局限，以差值编码为代价换取了无损信息隐藏容量的提高，对一般性的数据，无损隐藏容量介于1/16至7/16之间，且具有一定的抗压缩抗噪声能力。

Description

一种基于数据差值的无损信息隐藏方法

技术领域

本发明涉及一种数据通信的方法，特别涉及一种基于数据差值的无损信息隐藏方法，属于通信(如数据通信技术等)领域。

背景技术

信息隐藏，也称数据隐藏是信息安全的一个重要分支，其利用人类的视觉冗余将秘密信息嵌入到载体中，从而达到安全传输秘密信息的目的。

通过信息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，从而实现秘密信息在图像中的隐藏传输。另一方面，对于一些用于场合，要求遥感图像、医学图像和法律图像在无损提取秘密信息后载体图像也能够无损恢复，恢复时不需要其它的附加信息。在此需求下产生了无损信息隐藏算法，也称无损信息隐藏算法。无损信息隐藏算法不仅可以正确提取秘密信息，还能无损的恢复载体图像。

目前典型的无损信息隐藏算法以基于直方图移位的方法、差值扩展方法为主，在提取时需要大量的附加信息且不计算附加信息情况下隐藏容量不高，有的无损隐藏方法为了达到高容量，需要多层隐藏，硬件实现比较复杂，而且隐藏时产生大量附加信息，实际情况下隐藏容量和实现复杂度大都无法满足用户需求。

对图像信息隐藏来说，一般情况下，相对容量高于1/128就可以称为“大容量”，目前许多无损隐藏方法的隐藏容量介于几十分之一到几百分之一。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于数据差值的无损信息隐藏方法，可用于数据(特别是图像数据)的无损信息隐藏传输。

本发明的技术方案是：一种基于数据差值的无损信息隐藏方法，步骤如下：

1)设数据流A＝X1,X2,X3,X4,X5,X6……Xn,将数据流A按从前往后的顺序分组，每组2个数，每组数据中后面的数Xk减去前面的数X(k-1)，得到该组数据的差值Ek＝Xk-X(k-1),k为大于等于2的正整数，n为偶数；

2)设置门限T＝2^t-1；如果某个分组数据的差值Ek的绝对值小于等于门限T，则把Ek直接用t比特表示，如果某个分组数据的差值Ek的绝对值大于门限T，则把这种情况用t比特的剩余一个状态“t个1”表示，t≤7；

3)创建附加信息：

如果某个分组数据的差值Ek的绝对值大于门限T，则把附加差值Dk＝Ek-T用t比特表示；记下数据流A的附加差值D1,D2,….Dp，长度为p，k≤p；对数据流A进行无损压缩后得到压缩数据F1，紧邻着压缩数据F1放置门限值T；所述压缩数据F1的长度加上门限T值的长度，形成的压缩数据信息F长度为L字节；

4)在载体数据中嵌入秘密信息B:

对数据流A每个分组中的两个数，第一个数保持不变，第二个数用t+(8-t)＝8比特表示的数代替，其中高(8-t)比特表示秘密信息比特位置，用来嵌入秘密信息数据，低t位表示这个分组的附加差值Dk，产生新的数据分组；秘密信息比特位置的前L+U个位置按约定顺序放置压缩数据信息F，最前面U个字节表示压缩数据F1长度L；秘密信息的净载荷数据放置在压缩数据信息F之后，比特位置从L+U+V开始放置长度为Q字节的净载荷秘密信息，V个字节用来表示净载荷数据的长度Q，则秘密信息位置数据总长度W＝L+U+Q+V；

5)将含密数据B进行直接传输或压缩R倍后传输，压缩比R为大于等于1的数；

6)收端进行直接接收或者解压缩处理，得到含密数据B；

7)提取秘密信息并恢复出净载荷数据：

将含密数据B按照步骤1)的方法进行数据分组，对每个分组中的两个数据，从第二个数的高(8-t)位提取出秘密信息，从剩余t位数据提取差值信息；将每个分组中提出的秘密信息比特依次连接组合成完整的秘密信息数据；按照步骤4)中的数据结构方式从秘密信息数据中分离出长为Q字节的净载荷数据；

8)由秘密信息数据恢复出附加差值：

按照步骤4)中的数据结构排列方式从秘密信息数据中分离出长为L字节的压缩数据F1和门限T，对压缩数据F1解压缩得到数据流A对应的附加差值D1,D2,….Dp；

9)计算每个分组数据的真实差值Ek：

对含密数据流B按照步骤4)中的方式进行分组，检测每个分组数据中第二个数的低t位比特，如果低t位比特全为1，则表示对应的X与前一个X的附加差值Dk大于T,真正的差值则为Ek＝Dk+T；如果不全为1，则表示对应的X与前一个X的差值Dk小于等于T,真正的差值为Ek＝Dk；

10)先恢复出分组数据值Xk＝Ek+X(k-1)，再对各个数据分组依次排列，恢复出数据流A1：X1,X2,X3,X4,……Xn；

若发端在数据传输过程中没有进行含密图像的压缩处理，则转到14)；

若发端在数据传输过程中对含密图像进行了R倍压缩处理，则继续进行以下步骤：

11)收到解压缩后的含密数据B,

12)用含密数据B中每个分组中的第一个数据(X1，X3…)进行插值运算恢复出第二个数据(X2，X4…)；

13)恢复出数据流A2：X1,X2,X3,X4,X5,X6……Xn；

14)根据压缩比R的大小从A1和A2确定最终的恢复数据流A。

步骤14)确定最终的恢复数据流A的步骤如下：对含密数据压缩的过程中，如果压缩比R小于R0，则数据A1作为最终恢复数据流A；如果压缩比R大于等于R0，则数据A2作为最终恢复数据流A。

步骤2)中门限T选取1,3,7,15,31,63,127当中的任意一个数值。

步骤5)中压缩处理所使用的方法为JPEG2000，压缩比R0的典型取值为4。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

本发明利用信息隐藏技术在数据中嵌入秘密信息进行传输，接收端可以从载体数据中无失真提取秘密信息，并无失真恢复原始数据。在不增加信息传输速率的情况下，能在其中传输八分之一左右的大数据量，且具有一定的抗压缩抗噪声能力。

本发明与目前背景技术相比有下面几点实质性不同及进步：

(1)目前大容量的无损隐藏算法大都是通过多层嵌入的方法实现，需要记录每次嵌入时的直方图峰值点、溢出信息等大量的附加信息，而本发明最终不需要任何附加信息。

(2)目前的无损隐藏算法的第一次隐藏的容量小，即使不计算算法提取信息时的附加信息隐藏容量一般低于1/16，但本发明方法的第一次理论隐藏容量可达(8-t)/16，当t取7、6、5、4、3、2、1时，隐藏容量分别为1/16、2/16、3/16、4/16、5/16、6/16、7/16；本发明可以通过设置不同的参数t来调整每个分组中用来表示秘密信息的比特位数，从而达到控制信息隐藏容量的目的；

(3)目前的无损隐藏算法大都无鲁棒性可言，任何攻击或干扰都会使得秘密信息无法正确提取，但本发明的方法具有一定的鲁棒性；

(4)本发明的方法可根据传输信道的质量来动态的调节隐藏传输图像的个数；

(5)本发明可根据数据差的分布情况灵活调整门限T，并将门限值T隐藏在含密数据中传输到接收端，避免了事先约定门限带来的不灵活问题以及容量不能随情况变化的问题，增加了实用性。

(6)本发明技术方案独特，实现方式简单，总实现复杂度低于目前的常规空域、变换域无损信息隐藏方法，实用性大大提高。

(7)为了提高压缩传输情况下的载体数据流的恢复质量，本发明提供了两种数据流恢复方式，得到数据流A1和A2，再根据压缩比决定最终恢复的数据流A。

附图说明

图1为本发明原理图。

图2为原始载体图像。

图3为含密载体图像。

具体实施方式

高速数据传输技术已经广泛应用于遥感卫星、空间探测器等航天器及各类卫星数传系统，在今后必将得到更广泛应用。与此同时，对星上其他一些低速率数据传输的要求也越来越广泛。

无损隐藏技术已经应用于航天器及各类卫星数传系统技术仿真中，在今后必将得到更广泛应用。本发明提供了一种基于数据差值的无损信息隐藏方法，该方法具有非常大的隐藏容量，同时该方法具有复杂度低、实现资源占用少等实用性的特点，从而在航天器工程中更具有实用价值。

为了验证本文提出的算法的性能，仿真实验中首先采用了2幅大小为512×512的8比特灰度图像数据进行信息隐藏。

首先把二维的载体图像按行排列形成一维数据流A，采用本发明进行信息隐藏试验。

对于图像2(a)：lena.bmp

T＝31，占数据总比例：1/8，净比例接近1/10；

对于图像2(b)：boat.bmp

T＝31，占数据总比例：1/8，净比例接近1/10；

仿真结果说明算法具有较大的容量，对于一般自然图像，无损隐藏容量为1/10；对于理想图像数据，无损隐藏容量为1/8。

但本发明的信息隐藏在高位，具有很强的抗压缩特性。秘密信息可以抗JPEG2000高压缩，经过JPEG2000高压缩后，载体数据A的第二个数据出现较大误差，但数据A每个分组的第一个数据，全部数据的奇数位置数据仍具有与原值接近的数值。

经过噪声试验，在通用测试强度情况下，秘密信息毫无误码，经过后处理恢复载体图像的质量仍然较高，可以达到30dB以上。

本发明的具体实例如下：

一种基于数据差值的无损信息隐藏方法，步骤如下：

1)设数据流A＝X1,X2,X3,X4,X5,X6……Xn,将数据流A按从前往后的顺序分组，每组2个数，每组数据中后面的数Xk减去前面的数X(k-1)，得到该组数据的差值Ek＝Xk-X(k-1),k为大于等于2的正整数，n为偶数；

2)设置门限T＝2^t-1；如果某个分组数据的差值Ek的绝对值小于等于门限T，则把Ek直接用t比特表示，如果某个分组数据的差值Ek的绝对值大于门限T，则把这种情况用t比特的剩余一个状态“t个1”表示；

其中T的取值包括1,3,7,15,31,63,127；

T＝0,t＝0

T＝1,t＝1

T＝3,t＝2

T＝7,t＝3

T＝15,t＝4

T＝31,t＝5

T＝63,t＝6

T＝127,t＝7

3)创建附加信息：

如果某个分组数据的差值Ek的绝对值大于门限T，则把附加差值Dk＝Ek-T用t比特表示，t≤7,记下数据流A的附加差值D1,D2,….Dp，长度为p，k≤p；对数据流A进行无损压缩后得到压缩数据F1，紧邻着压缩数据F1放置门限值T；所述压缩数据F1的长度加上门限T值的长度，形成压缩数据信息F一共为L字节；

4)在载体数据中嵌入秘密信息B:

对数据流A每个分组中的两个数，第一个数保持不变，第二个数用t+(8-t)＝8比特表示的数代替，其中高(8-t)比特表示秘密信息比特位置，用来嵌入秘密信息数据，低t位表示这个分组的附加差值Dk，产生新的数据分组；秘密信息比特位置的前L+U个位置按约定顺序放置压缩数据信息F，最前面U个字节表示压缩数据F1长度L；秘密信息的净载荷数据放置在压缩数据信息之后，比特位置从L+U+V开始放置长度为Q字节的净载荷秘密信息，V个字节用来表示净载荷数据的长度Q，则秘密信息位置数据总长度W＝L+U+Q+V；

5)将含密数据B进行直接传输或压缩R倍后传输，压缩比R为大于等于1的数；

6)收端进行直接接收或者解压缩处理，得到含密数据B；

7)提取秘密信息并恢复出净载荷数据：

将含密数据B按照步骤1)的方法进行数据分组，对每个分组中的两个数据，从第二个数的高(8-t)位提取出秘密信息，从剩余t位数据提取差值信息；将每个分组中提出的秘密信息比特依次连接组合成完整的秘密信息数据；按照步骤4)中的数据结构方式从秘密信息数据中分离出长为Q字节的净载荷数据；

8)由秘密信息数据恢复出附加差值：

按照步骤4)中的数据结构排列方式从秘密信息数据中分离出长为L字节的压缩数据F1和门限T，对压缩数据F1解压缩得到数据流A对应的附加差值D1,D2,….Dp；

9)计算每个分组数据的真实差值Ek：

对含密数据流B按照步骤4)中的方式进行分组，检测每个分组数据中第二个数的低t位比特，如果低t位比特全为1，则表示对应的X与前一个X的附加差值Dk大于T,真正的差值则为Ek＝Dk+T；如果不全为1，则表示对应的X与前一个X的差值Dk小于等于T,真正的差值为Ek＝Dk；

10)先恢复出分组数据值Xk＝Ek+X(k-1)，再对各个数据分组依次排列，恢复出数据流A1：X1,X2,X3,X4,……Xn；

若发端在数据传输过程中没有进行含密图像的压缩处理，则转到14)。

若发端在数据传输过程中对含密图像进行了R倍压缩处理，则继续进行以下步骤：

11)收到解压缩后的含密数据B,

12)用含密数据B中每个分组中的第一个数据(X1，X3…)进行插值运算恢复出第二个数据(X2，X4…)；

13)恢复出数据流A2：X1,X2,X3,X4,X5,X6……Xn；

14)根据压缩比R的大小从A1和A2确定最终的恢复数据流A。

2、所述的一种基于数据差值的无损信息隐藏方法，其特征在于：

步骤14)确定最终的恢复数据流A的步骤如下：对含密数据压缩的过程中，如果压缩比R小于R0，则数据A1作为最终恢复数据流A；如果压缩比R大于等于R0，则数据A2作为最终恢复数据流A。

步骤2)中门限T选取1,3,7,15,31,63,127当中的任意一个数值。

步骤5)中压缩处理所使用的方法为JPEG2000，压缩比R0的典型取值为4。

总之，本发明提出了一种基于数据差值的无损信息隐藏方法，可以在数据(如图像数据)中实现高容量的无损信息隐藏。该方法通过把秘密信息和差值进行联合编码隐藏在数据中进行传输，接收端能完全恢复秘密信息和原始数据。该方法只在原始图像数据的一半数据中进行信息隐藏，另一半数据保持不变，根据含密信息是否经过数据压缩处理以及压缩的倍数大小，以不同的数据恢复方式来保证原始载体数据在各种情况下的恢复，突破了传统的最低有效位数据信息隐藏难以抗数据压缩的局限，以数据差值编码为代价换取了无损信息隐藏容量的提高，对一般性的数据，无损隐藏容量介于1/16至7/16之间，且具有一定的抗压缩抗噪声能力。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (4)

1.一种基于数据差值的无损信息隐藏方法，其特征在于步骤如下：

1)设数据流A＝X1,X2,X3,X4,X5,X6……Xn,将数据流A按从前往后的顺序分组，每组2个数，每组数据中后面的数Xk减去前面的数X(k-1)，得到该组数据的差值Ek＝Xk-X(k-1),k为大于等于2的正整数，n为偶数；

2)设置门限T＝2^t-1；如果某个分组数据的差值Ek的绝对值小于等于门限T，则把Ek直接用t比特表示，如果某个分组数据的差值Ek的绝对值大于门限T，则把这种情况用t比特的剩余一个状态“t个1”表示，t≤7；

3)创建附加信息：

如果某个分组数据的差值Ek的绝对值大于门限T，则把附加差值Dk＝Ek-T用t比特表示；记下数据流A的附加差值D1,D2,….Dp，长度为p，k≤p；对数据流A进行无损压缩后得到压缩数据F1，紧邻着压缩数据F1放置门限值T；所述压缩数据F1的长度加上门限T值的长度，形成的压缩数据信息F长度为L字节；

4)在载体数据中嵌入秘密信息B:

对数据流A每个分组中的两个数，第一个数保持不变，第二个数用t+(8-t)＝8比特表示的数代替，其中高(8-t)比特表示秘密信息比特位置，用来嵌入秘密信息数据，低t位表示这个分组的附加差值Dk，产生新的数据分组；秘密信息比特位置的前L+U个位置按约定顺序放置压缩数据信息F，最前面U个字节表示压缩数据F1长度L；秘密信息的净载荷数据放置在压缩数据信息F之后，比特位置从L+U+V开始放置长度为Q字节的净载荷秘密信息，V个字节用来表示净载荷数据的长度Q，则秘密信息位置数据总长度W＝L+U+Q+V；

5)将含密数据B进行直接传输或压缩R倍后传输，压缩比R为大于等于1的数；

6)收端进行直接接收或者解压缩处理，得到含密数据B；

7)提取秘密信息并恢复出净载荷数据：

将含密数据B按照步骤1)的方法进行数据分组，对每个分组中的两个数据，从第二个数的高(8-t)位提取出秘密信息，从剩余t位数据提取差值信息；将每个分组中提出的秘密信息比特依次连接组合成完整的秘密信息数据；按照步骤4)中的数据结构方式从秘密信息数据中分离出长为Q字节的净载荷数据；

8)由秘密信息数据恢复出附加差值：

按照步骤4)中的数据结构排列方式从秘密信息数据中分离出长为L字节的压缩数据F1和门限T，对压缩数据F1解压缩得到数据流A对应的附加差值D1,D2,….Dp；

9)计算每个分组数据的真实差值Ek：

对含密数据流B按照步骤4)中的方式进行分组，检测每个分组数据中第二个数的低t位比特，如果低t位比特全为1，则表示对应的X与前一个X的附加差值Dk大于T,真正的差值则为Ek＝Dk+T；如果不全为1，则表示对应的X与前一个X的差值Dk小于等于T,真正的差值为Ek＝Dk；

10)先恢复出分组数据值Xk＝Ek+X(k-1)，再对各个数据分组依次排列，恢复出数据流A1：X1,X2,X3,X4,……Xn；

若发端在数据传输过程中没有进行含密图像的压缩处理，则转到14)；

若发端在数据传输过程中对含密图像进行了R倍压缩处理，则继续进行以下步骤：

11)收到解压缩后的含密数据B,

12)用含密数据B中每个分组中的第一个数据(X1，X3…)进行插值运算恢复出第二个数据(X2，X4…)；

13)恢复出数据流A2：X1,X2,X3,X4,X5,X6……Xn；

14)根据压缩比R的大小从A1和A2确定最终的恢复数据流A。

2.根据权利要求1所述的一种基于数据差值的无损信息隐藏方法，其特征在于：步骤14)确定最终的恢复数据流A的步骤如下：对含密数据压缩的过程中，如果压缩比R小于R0，则数据A1作为最终恢复数据流A；如果压缩比R大于等于R0，则数据A2作为最终恢复数据流A。

3.根据权利要求1所述的一种基于数据差值的无损信息隐藏方法，其特征在于：步骤2)中门限T选取1,3,7,15,31,63,127当中的任意一个数值。

4.根据权利要求1所述的一种基于数据差值的无损信息隐藏方法，其特征在于：步骤5)中压缩处理所使用的方法为JPEG2000，压缩比R0的典型取值为4。