CN105976303B - 一种基于矢量量化的可逆信息隐藏和提取方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于矢量量化的可逆信息隐藏和提取方法,属于可逆信息隐藏技术领域,包括发送端对图像进行矢量量化后的索引表进行再压缩和嵌入秘密信息和接收端对秘密信息的提取和对图像及其索引表的恢复。发送端:首先对图像进行矢量量化后得到索引表,将索引表中的索引分为种子索引和剩余索引,然后利用索引之间的相关性以及创建分层的状态码书对索引表中的剩余索引进行再压缩以获得空间嵌入秘密信息;接收端:对接收到的码流,首先恢复种子索引,然后根据标识位恢复剩余索引以及所嵌入的秘密信息,最后根据恢复后的索引表利用矢量量化解码得到图像。本发明的优点是可有效地增加秘密信息的嵌入容量,降低压缩率和提高嵌入率。
Description
技术领域
本发明属于信息隐藏领域,具体涉及一种基于矢量量化的可逆信息隐藏和提取方法。
背景技术
随着互联网技术的发展,数字图像作为一种重要的媒介被广泛传播于网络中,同时,为了确保一些重要信息的安全性和保密性,基于图像的信息隐藏技术越来越被重视。信息隐藏是将秘密信息嵌入到一个普通的数字载体上,而不影响数字载体的主观质量,不容易被观察者察觉。然而,在以往的信息隐藏方案中,数字载体在提取秘密信息后无法得到恢复,这对一些有特定要求的领域是不能适用的。因此,基于这一要求,可逆信息隐藏技术开始得到广泛研究,这一技术可以保证数据被提取后,原始的数字载体仍能被无失真的恢复,从而保证了一些特定领域的应用需求。
矢量量化VQ作为一种常用的图像压缩方法,已被广泛应用于信息隐藏方案中,特别是可逆的信息隐藏方案。在基于矢量量化的压缩域可逆信息隐藏中,因为经过矢量量化压缩后得到的索引之间存在一定的相关性,因此,利用这一相关性可以对所得到的索引表进行再压缩,这样可以留出更大的冗余空间用来嵌入秘密信息,从而获得更高的嵌入率,同时,压缩后的索引表也可以无失真的被恢复。
目前,基于矢量量化压缩域的可逆信息隐藏方案可分为以下几类:一是通过搜索指令编码理论(Search-order-coding)对索引表进行再压缩进而嵌入秘密信息,此方法对于索引之间相关性比较强的图像有明显效果,但对于复杂的图像效果不明显;二是通过局部自适应编码理论(Locally-adaptive-coding)对索引表进行再压缩,也就是说,对于相同的索引用相同的码字编码,然后在获得的空间中嵌入秘密信息,这样可以节省时间,提高效率,但是此方法也对索引之间相关性要求较高;三是通过相邻的状态码书映射理论(Adjoining state-codebook mapping)对索引表进行再压缩,通过利用相邻的索引生成两个状态码书,再把两个码书合并作为当前索引的状态码书来压缩当前索引,进而获得空间嵌入秘密信息等等。
以上三种方案都是提出一种理论对矢量量化后的索引表进行再压缩,然后嵌入秘密信息,虽然能够嵌入一定容量的秘密信息,但是上述几种方法对索引之间的相关性利用的不是很充分,对索引表的再压缩不是很彻底,导致嵌入容量较小。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于矢量量化的可逆信息隐藏和提取方法,此方法可有效的克服现有技术存在的缺点。
本发明是这样实施的,整体方案如图1所示,本发明中的方法可以无损恢复矢量量化的索引表,并且能够更加充分的压缩索引表以增加秘密信息的嵌入容量和嵌入率,其特征在于具体操作步骤如下:
Ⅰ、发送端对图像压缩和信息隐藏,包括下列步骤:
(1)、应用矢量量化VQ对图像进行编码得到索引表;编码过程如图2所示,包括如下步骤:
(1.1)、所用Linde-Buzo-Gray算法训练一个长度为n的码书C,n=256;
(1.2)、读入一幅U×V大小的图像I,将其分为互不重叠的4×4大小的图像块;
(1.3)、将每个图像块按从左到右,从上到下的顺序扫描形成一个16维的向量X,在VQ码书C中找到与之欧氏距离最近的码字Ci,其索引i被用来编码当前图
像块并添加到对应位置的索引表中,搜索最小欧氏距离码字的方式为:Ci=argmin|X-Cj|2,j=1,2,3,…,n;
(1.4)、重复(1.3)中步骤,对所有的图像块进行编码,最后得到完整的索引表T;
(2)、随机产生二进制比特流S={s1,s2,…,sm}作为秘密信息;
(3)、对索引表T再压缩并嵌入秘密信息S,索引表再压缩过程和秘密信息嵌入过程如图3所示,包括如下步骤:
(3.1)、如图4所示,将索引表T中的最上一行和最左一列的索引记为种子索引,除去种子索引剩下的索引记为剩余索引;
(3.2)、如图5所示,顺序读取剩余索引中的一个索引VX记为当前索引,且分别使用VU和VL表示VX的相邻的上索引和左索引;
(3.3)、将当前索引VX转换为8位二进制数,表示为(a0a1…a7),考虑以下三种情况,对索引表T再压缩和嵌入秘密信息:
(3.3.1)、如果VX=VU,符合规则一,则a0a1被替换为00,同时在二进制比特流S中顺序读取未被隐藏的6位秘密信息s1,s2,…,s6替换a2a3…a7;
(3.3.2)、如果VX≠VU,而VX=VL,符合规则二,则a0a1被替换为01,同时在二进制比特流S中顺序读取未被隐藏的6位秘密信息s1,s2,…,s6替换a2a3…a7。
(3.3.3)、如果VX≠VU并且VX≠VL,符合规则三,则应用下述的分层状态码书的构建和映射编码VX并嵌入秘密信息:
(3.3.3.1)、构建分层状态码书,其过程如图6所示,步骤如下:
(3.3.3.1.1)、对于当前索引VX,如果VX≠VU并且VX≠VL,则其上索引VU和左索引VL经过矢量量化解码得到对应的图像块U′={u′1,u′2,…,u′16}和L′={l′1,l′2,…,l′16};
(3.3.3.1.2)、提取索引VX对应图像块X′的边缘匹配信息SM={x′1,x′2,x′3,x′4,x′5,x′9,x′13},匹配计算如下:
x′1=(l′4+u′13)/2,x′2=u′14,x′3=u′15,
x′4=u′16,x′5=l′8,x′9=l′12,x′13=l′16 (1)
(3.3.3.1.3)、计算边缘匹配信息SM={x′1,x′2,x′3,x′4,x′5,x′9,x′13}与码书中每个码字之间的欧式距离,欧式距离计算公式为:
EDk=|SM-Ck|2,k=1,2,…,n; (2)
(3.3.3.1.4)、根据欧氏距离EDk从小到大,将矢量量化码书中的索引值重新排列,得到状态码书SC。将状态码书SC分为三层,第一层和第二层分别包含8个索引值,第三层包含240个索引值,最后得到分层状态码书HC。
(3.3.3.2)、查找当前索引值VX在分层状态码书HC中的位置,并根据位置信息考虑以下三种情况:
(3.3.3.2.1)、如果VX位于第一层,首先添加标志位为10,即a0a1被替换为10,然后,a2a3a4被VX所在第一层中对应索引的3位二进制数替换,并且将a5a6a7替换为3位秘密信息s1s2s3;
(3.3.3.2.2)、如果VX位于第二层,首先添加标志位为110,即a0a1a2被替换为110,然后,a3a4a5被VX所在第二层中对应索引的3位二进制替换,并且将a6a7替换为2位秘密信息s1s2;
(3.3.3.2.3)、如果VX位于第三层,添加标志位为111,a0a1a2a3a4a5a6a7不变,把标志位添加到前面,即111a0a1a2a3a4a5a6a7,不嵌入秘密信息;
(3.4)、重复步骤(3.2)和步骤(3.3)直到所有剩余索引被编码和嵌入秘密信息后,输出携带秘密信息的码流BS;
(3.5)、将码流BS和种子索引发送到接收端;
Ⅱ、接收端对索引表及图像恢复和秘密提取,包括下列步骤:
1)、创建一个大小为(U/4)×(V/4)的空索引表,将接收到的种子索引按顺序放入空索引表的最上一行和最左一列;
2)、对索引表中剩余索引进行渐进恢复和提取秘密信息,首先读取码流BS中的2比特,并考虑以下四种情况:
2.1)、如果读取的2比特为“00”,则当前解码的索引等于其相邻的上方的索引值,用索引值VU恢复当前索引VX,并提取余下码流中的6比特为秘密信息;
2.2)、如果读取的2比特为“01”,则当前解码的索引等于其相邻的左方的索引值,用索引值VL恢复当前索引VX,并提取余下码流中的6比特为秘密信息;
2.3)、如果读取的2比特为“10”,则当前解码的索引位于分层状态码书的第一层,建立分层状态码书(过程如图5所示)并读取接下来3比特,此3比特索引在第一层中对应的值用来解码当前索引VX,并提取接下来的3比特为秘密信息;
2.4)、如果读取的2比特为“11”,建立分层状态码书并读取接下来的1比特,根据读取不同的1比特,考虑以下两种情况:
2.4.1)、如果读取的1比特为“0”,则当前解码的索引位于分层状态码书的第二层,读取接下来3比特,此3比特索引在第二层中对应的值用来解码当前索引VX,并提取接下来的2比特的秘密信息;
2.4.2)、如果读取的1比特为“1”,则当前解码的索引没有改变,读取接下来的8比特恢复当前索引VX;
3)、重复步骤2),直到恢复所有索引得到完整索引表T并提取所有秘密信息S;
4)、应用矢量量化解码所得到的索引表T恢复图像I:
4.1)、读入完整索引表T和矢量量化码书C;
4.2)、根据图像块的索引i在码书C中查找相应的16维码字Ci,然后按照顺序恢复图像块;
4.3)、重复步骤4.2),对所有的图像块进行解码,最后得到恢复后的图像I。本发明的优点及其积极效果是:
(1)秘密信息隐藏在图像压缩后的码流中进行传输,具有一定的迷惑性和安全性。
(2)索引表和秘密的恢复都是可逆的,并且可以嵌入较多秘密信息,根据不同用户对嵌入容量的不同需求可以达到很好的用途。
(3)本发明所提出的分层状态码书理论很好的适用于在压缩域进行的可逆信息隐藏,可以达到无损恢复和大容量的效果,该算法具有很好的灵活性和实用性。
附图说明
图1是应用于矢量量化索引的可逆信息隐藏总体流程图;
图2是矢量量化VQ的编码和解码过程示意图,图中码书尺寸为256;
图3是剩余索引再压缩及秘密信息嵌入条件和规则;
图4是索引表中种子索引和剩余索引的分布图;
图5是索引表中索引VU,VL,和VX的位置关系;
图6是本发明中创建分层状态码书的示意图;
图7是本发明中实验所用的测试图;
图8是本发明实验部分示例图;
具体实施方式
我们选择Matlab7.0作为软件平台,编程实现本发明方案的设计。实施过程是选取512×512的标准测试图像“lena.bmp”,“f16.bmp”“,peppers.bmp”和“baboon.bmp”分别作为四个测试图像(如附图7所示)。实验中采用的矢量量化码书经过Linde-Buzo-Gray算法训练得到,其长度为256。所创建的分层的状态码书被分为3层,第一层和第二层长度为8,第三层长度为240。随机产生秘密信息,秘密信息为10100000111010101...。
具体操作步骤是:
Ⅰ、发送端对测试图像的矢量量化编码和秘密信息隐藏,包括下列步骤:
(1)、对测试图像进行矢量量化编码得到索引表:
(1.1)、读入一幅512×512的测试图像S,将其分为互不重叠的、4×4大小的图像块,从第一个图像块开始执行下列步骤(1.2)和(1.3);
(1.2)、将图像块中16个像素值转换为16维的向量,在矢量量化码书中寻找与之欧氏距离最短的码字,并记录此码字的索引;
(1.3)、当前编码块被编码为所记录的欧氏距离最短的码字的索引,并存入索引表相对应的位置;
(1.4)、重复步骤(1.2)和(1.3),直到测试图像中的所有图像块均被处理完毕,此时,得到完整的索引表;
(2)、对得到的完整索引表进行再压缩以获得空间嵌入秘密信息,以测试图像S所得部分索引表为例,过程如图8所示:
(2.1)、我们对索引表中的种子索引不做改变,只对剩余索引进行压缩并嵌入秘密信息;
(2.2)、测试图像S所得的部分索引表中,通过以下五种示例对索引表进行再压缩和嵌入秘密信息:
(2.2.1)、第一个剩余索引为45,其8位二进制为a0a1a2a3a4a5a6a7=00101101,其相邻的上方索引为45,其相邻的左方索引为46,故当前剩余索引45与其相邻的上方的索引相等,所以a0a1被替换为00,可嵌入秘密信息为101000;
(2.2.2)、第二个剩余索引为45,其8位二进制为a0a1a2a3a4a5a6a7=00101101,其相邻的上方索引为47,其相邻的左方索引为45,故当前剩余索引45与其相邻的左方的索引相等,所以a0a1被替换为00,可嵌入秘密信息为001110;
(2.2.3)、第三个剩余索引为46,其8位二进制为a0a1a2a3a4a5a6a7=00101110,其相邻的上方索引为47,其相邻的左方索引为45,故当前剩余索引45与其相邻的上方和左方的索引都不相等,需要构建建分层状态码书,可以发现当前剩余索引位于分层状态码书的第一层中的第二个码字,所以a0a1被替换为10,a2a3a4被替换为001,可嵌入秘密信息为101;
(2.2.4)、第四个剩余索引为50,其8位二进制为a0a1a2a3a4a5a6a7=00110010,其与相邻的上方和左方的索引也都不相等,也需要构建分层的状态码书,可以发现当前剩余索引位于分层状态码书的第二层中的第六个码字,所以a0a1a2被替换为110,a3a4a5被替换为101,可嵌入秘密信息为01;
(2.2.5)、第五个剩余索引为145,其与相邻的上方和左方的索引也都不相等,也需要创建分层的状态码书,可以发现当前剩余索引位于分层状态码书的第三层,所以其索引不改变,表示为“10010001”,加入标识位“111”,不嵌入秘密信息;
(2.3)、重复(2.2)中步骤依次对索引表中的剩余索引进行再压缩并嵌入秘密信息,最后得到携带秘密信息的码流发送给接收端;
(4)、将得到的码流信息根据下面的公式计算,得到实验结果并记录:
比特率=码流尺寸/原始图像尺寸(3)
嵌入率=嵌入秘密信息尺寸/码流尺寸 (4)
至此,完成测试图像S的矢量量化编码和索引表的再压缩及秘密信息隐藏过程;
Ⅱ、接收端对秘密信息的提取和索引表以及图像的恢复:
(1)、对接收到的码流,首先恢复种子索引,创建12×12的空索引表,将恢复的种子索引按顺序放入空索引表中,再恢复剩余索引以及秘密信息,以收到测试图像S为例:
(1.1)、读入恢复种子索引剩下的码流的前两个比特:
(1.1.1)、读入的两个比特为“00”,则当前索引与其相邻的上方的索引相等,其相邻的上方索引为45,故当前剩余索引恢复为45,放入空索引表中,在读取码流中的接下来的6比特信息“101000”为秘密信息,第一个剩余索引恢复成功;
(1.1.2)、再读取接下来的两个比特为“01”,其与其相邻的左方索引相同,故恢复为45,接下来的6比特“001110”为秘密信息,第二个索剩余引恢复成功;
(1.1.3)、再读取接下来的两个比特为“10”,所以当前剩余索引位于分层状态码书的第一层,根据边缘信息创建分层状态码书并读取接下来的3比特为“001”,找到位置并恢复为46,读取接下来的3比特信息“101”为秘密信息,第三个剩余索引恢复成功;
(1.1.4)、再读取接下来的两个比特为“11”,再读取接下来的1个比特为“0”,故标识位为“110”,再读取接下来的3比特为“101”,此为在分层状态码书中第二层的位置信息,找到位置并恢复当前剩余索引为50,读取接下来的2比特信息“01”为秘密信息,第四个剩余索引恢复成功;
(1.1.5)、再读取接下来的两个比特为“11”,再读取接下来的1个比特为“1”,故标识位为“111”,再读取接下来的8比特为“10010001”被用来直接恢复当前剩余索引为145,没有嵌入秘密信息,第五个剩余索引恢复成功;
(2)、得到无损的完整索引表后,用VQ解码得到测试图像S:
(2.1)、读入完整索引表和矢量量化码书;
(2.2)、根据图像块的索引在码书中查找相应的16维码字,然后按照顺序恢复图像块;
(2.3)、按照(2.2)中的方法,对所有的图像块进行解码,最后得到恢复后的图像S。
为了显示该方案与其它方案(Chang et al.,2009;Yang and Lin,2010;Wang etal.,2013)对比的优越性,在下述表1中做了对比。
表1
表1列出了四个可逆数据隐藏方案的嵌入性能。相比于Chang et al.,(2009)的方案,我们的方案达到一个更高的嵌入容量,较低的比特率,和一个高的嵌入率。相比于Yangand Lin,(2010)的方案和Wang et al.,(2013)的方案,在相同的嵌入容量的情况下,我们的方案也达到一个较低的比特率和较高的嵌入率。因此,我们的方案具有更高的嵌入容量,较低的比特率和高的嵌入率。
Claims (1)
1.一种基于矢量量化的可逆信息隐藏和提取方法,包括发送端对图像的矢量量化编码所得到的索引表的再压缩及秘密信息隐藏、接收端对图像和索引表的恢复及秘密信息的提取,其特征在于具体操作步骤如下:
Ⅰ、发送端对图像压缩和信息隐藏,包括下列步骤:
(1)、应用矢量量化VQ对图像进行编码得到索引表,编码过程包括如下步骤:
(1.1)、所用Linde-Buzo-Gray算法训练一个长度为n的码书C,n=256;
(1.2)、读入一幅U×V大小的图像I,将其分为互不重叠的4×4大小的图像;
(1.3)、将每个图像块按从左到右,从上到下的顺序扫描形成一个16维的向量X,在VQ码书C中找到与之欧氏距离最近的码字Ci,其索引i被用来编码当前图像块并添加到对应位置的索引表中,搜索最小欧氏距离码字的方式为:Ci=argmin|X-Cj|2,j=1,2,3,…,n;
(1.4)、重复(1.3)中步骤,对所有的图像块进行编码,最后得到完整的索引表T;
(2)、随机产生二进制比特流S={s1,s2,…,sm}作为秘密信息;
(3)、对索引表T再压缩并嵌入秘密信息S,具体过程如下:
(3.1)、将索引表T中的最上一行和最左一列的索引记为种子索引,除去种子索引剩下的索引记为剩余索引;
(3.2)、顺序读取剩余索引中的一个索引VX记为当前索引,且分别使用VU和VL表示VX的相邻的上索引和左索引;
(3.3)、将当前索引VX转换为8位二进制数,表示为(a0a1…a7),考虑以下三种情况,对索引表T再压缩和嵌入秘密信息:
(3.3.1)、如果VX=VU,则a0a1被替换为00,同时在二进制比特流S中顺序读取未被隐藏的6位秘密信息s1,s2,…,s6替换a2a3…a7;
(3.3.2)、如果VX≠VU,而VX=VL,则被替换为01,同时在二进制比特流S中顺序读取未被隐藏的6位秘密信息s1,s2,…,s6替换a2a3…a7;
(3.3.3)、如果VX≠VU并且VX≠VL,则应用下述的分层状态码书的构建和映射编码VX并嵌入秘密信息;
(3.3.3.1)、构建分层状态码书,步骤如下:
(3.3.3.1.1)、对于当前索引VX,如果VX≠VU并且VX≠VL,则其上索引VU和左索引VL经过矢量量化解码得到对应的图像块U′={u′1,u′2,…,u′16}和L′={l′1,l′2,…,l′16};
(3.3.3.1.2)、提取索引VX对应图像块X′的边缘匹配信息SM={x′1,x′2,x′3,x′4,x′5,x′9,x′13},匹配计算如下:
x′1=(l′4+u′13)/2,x′2=u′14,x′3=u′15,
x′4=u′16,x′5=l′8,x′9=l′12,x′13=l′16 (1)
(3.3.3.1.3)、计算边缘匹配信息SM={x′1,x′2,x′3,x′4,x′5,x′9,x′13}与码书中每个码字之间的欧式距离,欧式距离计算公式为:
EDk=|SM-Ck|2,k=1,2,…,n; (2)
(3.3.3.1.4)、根据欧氏距离EDk从小到大,将矢量量化码书中的索引值重新排列,得到状态码书SC;将状态码书SC分为三层,第一层和第二层分别包含8个索引值,第三层包含240个索引值,最后得到分层状态码书HC;
(3.3.3.2)、查找当前索引值VX在分层状态码书HC中的位置,并根据位置信息考虑以下三种情况:
(3.3.3.2.1)、如果VX位于第一层,首先添加标志位为10,即a0a1被替换为10,然后,a2a3a4被VX所在第一层中对应索引的3位二进制数替换,并且将a5a6a7替换为3位秘密信息s1s2s3;
(3.3.3.2.2)、如果VX位于第二层,首先添加标志位为110,即a0a1a2被替换为110,然后,a3a4a5被VX所在第二层中对应索引的3位二进制替换,并且将a6a7替换为2位秘密信息s1s2;
(3.3.3.2.3)、如果VX位于第三层,添加标志位为111,a0a1a2a3a4a5a6a7不变,把标志位添加到前面,即111a0a1a2a3a4a5a6a7,不嵌入秘密信息;
(3.4)、重复步骤(3.2)和步骤(3.3)直到所有剩余索引被编码和嵌入秘密信息后,输出携带秘密信息的码流BS;
(3.5)、将码流BS和种子索引发送到接收端;
Ⅱ、接收端对索引表恢复和秘密提取,包括下列步骤:
1)、创建一个大小为(U/4)×(V/4)的空索引表,将接收到的种子索引按顺序放入空索引表的最上一行和最左一列;
2)、对索引表中剩余索引进行渐进恢复和提取秘密信息,首先顺序读取码流BS中的2比特,并考虑以下四种情况:
2.1)、如果读取的2比特为“00”,则当前解码的索引等于其相邻上方的索引值,用索引值VU恢复当前索引VX,并提取余下码流中的6比特为秘密信息;
2.2)、如果读取的2比特为“01”,则当前解码的索引等于其相邻左方的索引值,用索引值VL恢复当前索引VX,并提取余下码流中的6比特为秘密信息;
2.3)、如果读取的2比特为“10”,则当前解码的索引位于分层状态码书的第一层,建立分层状态码书并读取接下来3比特,此3比特索引在第一层中对应的值用来解码当前索引VX,并提取接下来的3比特为秘密信息;
2.4)、如果读取的2比特为“11”,则建立分层状态码书并读取接下来的1比特,考虑以下两种情况:
2.4.1)、如果读取的1比特为“0”,则当前解码的索引位于分层状态码书的第二层,读取接下来3比特,此3比特索引在第二层中对应的值用来解码当前索引VX,并提取接下来的2比特的秘密信息;
2.4.2)、如果读取的1比特为“1”,则当前解码的索引没有改变,即没有嵌入秘密信息,读取接下来的8比特以恢复当前索引VX;
3).重复步骤2),直到恢复所有索引得到完整索引表T并提取所有秘密信息S;
4).应用矢量量化解码所得到的索引表T恢复图像I:
4.1)、读入完整索引表T和矢量量化码书C;
4.2)、根据图像块的索引i在码书C中查找对应的16维码字Ci,然后按照顺序恢复图像块;
4.3).重复步骤4.2),对所有的图像块进行解码,最后得到恢复后的图像I。
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