CN105260981A - 基于分组置换的最优匹配图像隐写方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于分组置换的最优匹配图像隐写方法，包括将秘密信息转化成的二进制比特率以8位为一组进行分组，得到N组二进制比特流，每组二进制比特流有2⁸种组合方案；根据每组二进制比特流中的各组合方案，对各组合方案的置反比特位置反处理，生成2⁸组反转二进制比特流；将2⁸组反转二进制比特流分别通过最小直方图失真方法嵌入到载体图像，得到载密图像；计算、判断载密图像与载体图像的匹配值达到预设最佳匹配值时，以相关参数为加密密钥，选择达到最佳匹配值的载密图像进入信道传输，否则，遍历其他N-1组二进制比特率的各组合方案，直至出现具有最佳匹配值的载密图像；接收方以与加密秘钥对应的解密秘钥提取载密图像中的秘密信息。

Description

基于分组置换的最优匹配图像隐写方法

技术领域

本发明涉及图像隐写领域，尤其涉及一种基于分组置换的最优匹配图像隐写方法。

背景技术

信息加密和信息隐藏是信息安全领域最核心的两种技术模式。信息加密是利用数学或物理手段对传输的明文信息加密以保证信息的不可识别性的安全技术，只有持有正确密钥的接受者才能解密出明文信息。但是随着计算机性能的不断提高，使得采用穷举法破译加密算法成为可能，另外，即使攻击者未能破解密钥，也可以通过破坏检测到的密文使得接受者无法获取正确的秘密信息。由此可见，传统的信息加密技术未能很好地发挥信息安全传输的功能，因此需要一种更加有效的信息传输技术提供保护。

图像信息隐藏技术是利用具有一定视觉冗余的图像作为载体图像，将秘密信息以某种严密的算法嵌入到载体图像中，得到载密图像，从而达到隐秘通信的目的。图像信息隐藏隐写了秘密信息的存在形式，即攻击者很难在载密图像中发现秘密信息的存在，更难以破坏它的存在。作为图像信息隐藏领域的关键技术，图像隐写正成为信息隐藏的新趋势。

图像隐写是通过将秘密信息隐藏在载体图像中进行传送，由于隐藏了通信的内容和传输的事实，更加注重隐蔽性和安全性。如何提高载体图像中秘密信息的安全性已经成为信息安的重要研究领域。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种能够使秘密信息具有更好隐蔽性和安全性的基于分组置换的最优匹配图像隐写方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：基于分组置换的最优匹配图像隐写方法，其特征在于，依次包括如下步骤：

(1)将秘密信息S转化为二进制比特流，并将转化得到的二进制比特流以8位作为一组进行分组，得到N组二进制比特流，其中，每组二进制比特流有2⁸种组合方案；

(2)根据每组二进制比特流中的各组合方案，选择各组合方案对应的置反比特位，并对置反比特位做置反处理，生成2⁸组反转二进制比特流；

(3)将2⁸组反转二进制比特流分别通过最小直方图失真方法嵌入到载体图像C中，得到载密图像C_ij'(i＝1,2,…,N，j＝1,2,…,256)，计算载密图像C_ij'与载体图像C的匹配值ξ_ij，判断载密图像C_ij'与载体图像C的匹配值ξ_ij是否达到预设的最佳匹配值ξ_opt：当匹配值ξ_ij与预设的最佳匹配值ξ_opt的绝对差值δ_ij小于或等于预设绝对差值Δ，即δ_ij≤Δ时，表示载密图像C_ij'与载体图像C达到最佳匹配值ξ_opt；否则，表示载密图像C_ij'与载体图像C未达到最佳匹配值ξ_opt；其中，

δ_ij＝|ξ_ij-ξ_opt|，

ξ_ij＝h_mod,ij·D_ij(P||Q)，

$h_{\mathrm{mod},ij}=\underset{n=0}{\overset{255}{\Σ}}|{\mathrm{hs}}_{ij}\left(n\right)-hc\left(n\right)|,$

$D_{ij}\left(P\right|\left|Q\right)=\underset{n=0}{\overset{255}{\Σ}}{\[\ln p\left(n\right)-q_{ij}\left(n\right)\]}^{p\left(n\right)};$

其中，h_mod,ij表示第j组反转二进制比特流对应的载体图像C嵌入秘密信息前、后的直方图改变量，C_ij'表示第j组反转二进制比特流中第i个载密图像；hc(n)表示载体图像C在灰度值为n的直方图，hs_ij(n)表示第j组反转二进制比特流中载密图像C_ij'在灰度值为n的直方图；D_ij(P||Q)表示第j组反转二进制比特流中载体图像C与载密图像C_ij'的关联系数，p(n)表示载体图像C在灰度值为n时的概率，q_ij(n)表示载密图像C_ij'在灰度值为n时的概率；

(4)若载密图像C_ij'与载体图像C未达到预设的最佳匹配值ξ_opt，则返回步骤(3)选择下一组合方案进行循环判断，直到判断达到预设最佳匹配值ξ_opt的分组置换方案为止，并执行步骤(5)；

若该第j组反转二进制比特流的2⁸种组合方案中均没有出现达到最佳匹配值ξ_opt的载密图像，则遍历剩余的N-1组二进制比特流，并再次执行步骤(3)，直至出现达到预设最佳匹配值ξ_opt的分组置换方案为止，并执行步骤(5)，其中，记达到预设最佳匹配值ξ_opt对应的载密图像为C_mn'，m＝1,2,…,N，n＝1,2,…,256；

(5)以相关参数作为加密密钥，选择达到最佳匹配值ξ_opt的载密图像C_mn'进入信道传输；载密图像C_mn'的接收方以与加密秘钥对应的解密秘钥提取嵌入到载密图像C_mn'中的秘密信息S。

与现有技术相比，本发明的优点在于：秘密信息转换为二进制比特流后，以8位作为一组分组，得到多组二进制比特流以及对应每组二进制比特流的2⁸种组合方案；针对每种组合方案中的置反位作置反处理后，得到置反二进制比特流；并将反转二进制比特流分别通过最小直方图失真方法嵌入到载体图像中，得到载密图像，且判断载密图像与载体图像的匹配值达到预设的最佳匹配值时，将此时的载密图像送入信道传输。由于载体图像与载密图像达到最佳匹配值时，载密图像具有更好的视觉隐蔽性，从而提高了秘密信息嵌入到载体图像后的隐藏性能和安全性。

附图说明

图1为本发明实施例中基于分组置换的最优匹配图像隐写方法的流程示意图；

图2(a)至图2(d)分别为本发明实施例中选择的四幅灰度自然图像。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

在本实施例中，假设载体图像标记为C，需要嵌入到载体图像C中的秘密标记为S。以下结合图1，对本实施例中基于分组置换的最优匹配图像隐写方法作出说明。该图像隐写方法依次包括如下步骤：

(1)将秘密信息S转化为二进制比特流，并将转化得到的二进制比特流以8位作为一组进行分组，得到N组二进制比特流，其中，每组二进制比特流有2⁸种组合方案；即每组二进制比特率有256种组合方案；

(2)根据每组二进制比特流中的各组合方案，选择各组合方案对应的置反比特位，并对置反比特位做置反处理，生成2⁸组反转二进制比特流；

例如，在第一组二进制比特率的其中一个组合方案中，该组合方案的二进制比特率为10110111，且该组合方案对应的置反比特位为第五位，则该组合方案置反后的反转二进制比特流为10111111；

(3)将2⁸组反转二进制比特流分别通过最小直方图失真方法嵌入到载体图像C中，得到载密图像C_ij'(i＝1,2,…,N，j＝1,2,…,256)，计算载密图像C_ij'与载体图像C的匹配值ξ_ij，判断载密图像C_ij'与载体图像C的匹配值ξ_ij是否达到预设的最佳匹配值ξ_opt：当匹配值ξ_ij与预设的最佳匹配值ξ_opt的绝对差值δ_ij小于或等于预设绝对差值Δ，即δ_ij≤Δ时，表示载密图像C_ij'与载体图像C达到最佳匹配值ξ_opt；否则，表示载密图像C_ij'与载体图像C未达到最佳匹配值ξ_opt；最小直方图失真方法属于本领域的常规技术手段，此处不做过多赘述；其中，

δ_ij＝|ξ_ij-ξ_opt|，

ξ_ij＝h_mod,ij·D_ij(P||Q)，

$h_{\mathrm{mod},ij}=\underset{n=0}{\overset{255}{\Σ}}|{\mathrm{hs}}_{ij}\left(n\right)-hc\left(n\right)|,$

$D_{ij}\left(P\right|\left|Q\right)=\underset{n=0}{\overset{255}{\Σ}}{\[\ln p\left(n\right)-q_{ij}\left(n\right)\]}^{p\left(n\right)};$

其中，h_mod,ij表示第j组反转二进制比特流对应的载体图像C嵌入秘密信息前、后的直方图改变量，C_ij'表示第j组反转二进制比特流中第i个载密图像；hc(n)表示载体图像C在灰度值为n的直方图，hs_ij(n)表示第j组反转二进制比特流中载密图像C_ij'在灰度值为n的直方图；D_ij(P||Q)表示第j组反转二进制比特流中载体图像C与载密图像C_ij'的关联系数，p(n)表示载体图像C在灰度值为n时的概率，q_ij(n)表示载密图像C_ij'在灰度值为n时的概率；

(4)若载密图像C_ij'与载体图像C未达到预设的最佳匹配值ξ_opt，则返回步骤(3)选择下一组合方案进行循环判断，直到判断达到预设最佳匹配值ξ_opt的分组置换方案为止，并执行步骤(5)；

若该第j组反转二进制比特流的2⁸种组合方案中均没有出现达到最佳匹配值ξ_opt的载密图像，则遍历剩余的N-1组二进制比特流，并再次执行步骤(3)，直至出现达到预设最佳匹配值ξ_opt的分组置换方案为止，并执行步骤(5)，其中，记达到预设最佳匹配值ξ_opt对应的载密图像为C_mn'，m＝1,2,…,N，n＝1,2,…,256；

(5)以相关参数作为加密密钥，选择达到最佳匹配值ξ_opt的载密图像C_mn'进入信道传输；载密图像C_mn'的接收方以与加密秘钥对应的解密秘钥提取嵌入到载密图像C_mn'中的秘密信息S。

在图像隐写方法研究中，均方误差(MSE)和峰值信噪比(PSNR)是衡量图像嵌密方法嵌密效果的重要参数之一，可以用于评估各种隐写方法对载体图像的视觉效果。因此，为了解本实施例中隐写方法的隐写效果，本实施例在Matlab7.0平台进行了仿真实验。其中：

需要嵌入的秘密信息S选择使用随机生成的英文文本，容量为能实现对载体图像C的100％满嵌入；

载体图像C分别选择四幅大小为512×512的灰度自然图像，如图2所示。

表1给出了在仿真实验中，本实施例中图像隐写方法、传统的图像最低有效位(LSB)隐写方法、最小直方图失真(LHA)隐写方法所分别对应的MSE、PSNR参数情况。

表1三种隐写方法的均方误差(MSE)和峰值信噪比(PSNR)

从表1可以看出，无论是以MSE还是以PSNR作为载体图像的视觉评估标准，相对于传统的LSB隐写方法和LHA隐写方法，本发明中的最优匹配图像隐写方法对载体图像的视觉特性影响最小。这是由于本发明中的最优匹配图像隐写方法通过分组置换的思路后，能自适应地选择对载体图像相关性影响最小的方案进行嵌入，而LSB隐写方法和LHA隐写方法都是非自适应地在载体图像上直接叠加，导致嵌密过程带来了隐写噪声。因此，本发明中的最优匹配图像隐写方法通过利用载体图像的像素分布特性，自适应地控制分组置换方案的嵌密，实现将秘密信息的二进制流分布特性最佳匹配于载体图像的内容特征，从而减少对载体图像相关性的破坏，有效地提高了嵌密后的载体图像视觉的不可感知性，使秘密信息具有更好隐蔽性和安全性。

Claims (1)

1.基于分组置换的最优匹配图像隐写方法，其特征在于，依次包括如下步骤：

(1)将秘密信息S转化为二进制比特流，并将转化得到的二进制比特流以8位作为一组进行分组，得到N组二进制比特流，其中，每组二进制比特流有2⁸种组合方案；

(2)根据每组二进制比特流中的各组合方案，选择各组合方案对应的置反比特位，并对置反比特位做置反处理，生成2⁸组反转二进制比特流；

(3)将2⁸组反转二进制比特流分别通过最小直方图失真方法嵌入到载体图像C中，得到载密图像C_ij'(i＝1,2,…,N，j＝1,2,…,256)，计算载密图像C_ij'与载体图像C的匹配值ξ_ij，判断载密图像C_ij'与载体图像C的匹配值ξ_ij是否达到预设的最佳匹配值ξ_opt：当匹配值ξ_ij与预设的最佳匹配值ξ_opt的绝对差值δ_ij小于或等于预设绝对差值Δ，即δ_ij≤Δ时，表示载密图像C_ij'与载体图像C达到最佳匹配值ξ_opt；否则，表示载密图像C_ij'与载体图像C未达到最佳匹配值ξ_opt；其中，

δ_ij＝|ξ_ij-ξ_opt|，

ξ_ij＝h_mod,ij·D_ij(P||Q)，

$h_{\mathrm{mod},ij}=\underset{n=0}{\overset{255}{\Σ}}|{\mathrm{hs}}_{ij}\left(n\right)-hc\left(n\right)|,$

$D_{ij}\left(P\right|\left|Q\right)=\underset{n=0}{\overset{255}{\Σ}}{\[\ln p\left(n\right)-q_{ij}\left(n\right)\]}^{p\left(n\right)};$

其中，h_mod,ij表示第j组反转二进制比特流对应的载体图像C嵌入秘密信息前、后的直方图改变量，C_ij'表示第j组反转二进制比特流中第i个载密图像；hc(n)表示载体图像C在灰度值为n的直方图，hs_ij(n)表示第j组反转二进制比特流中载密图像C_ij'在灰度值为n的直方图；D_ij(P||Q)表示第j组反转二进制比特流中载体图像C与载密图像C_ij'的关联系数，p(n)表示载体图像C在灰度值为n时的概率，q_ij(n)表示载密图像C_ij'在灰度值为n时的概率；

(4)若载密图像C_ij'与载体图像C未达到预设的最佳匹配值ξ_opt，则返回步骤(3)选择下一组合方案进行循环判断，直到判断达到预设最佳匹配值ξ_opt的分组置换方案为止，并执行步骤(5)；

若该第j组反转二进制比特流的2⁸种组合方案中均没有出现达到最佳匹配值ξ_opt的载密图像，则遍历剩余的N-1组二进制比特流，并再次执行步骤(3)，直至出现达到预设最佳匹配值ξ_opt的分组置换方案为止，并执行步骤(5)，其中，记达到预设最佳匹配值ξ_opt对应的载密图像为C_mn'，m＝1,2,…,N，n＝1,2,…,256；

(5)以相关参数作为加密密钥，选择达到最佳匹配值ξ_opt的载密图像C_mn'进入信道传输；载密图像C_mn'的接收方以与加密秘钥对应的解密秘钥提取嵌入到载密图像C_mn'中的秘密信息S。