CN106027545B - 一种基于虚拟数据的鲁棒信息隐藏方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于虚拟数据的鲁棒信息隐藏方法，可以在载体数据流如图像数据中实现大容量的信息隐藏，主要用于传输和存储。其特点在于：该方法引入虚拟数据以及高位统计分组，把秘密信息嵌入在数据流中进行传输，接收端能无损提取秘密信息，近无损地恢复原始载体数据，该方法经过一定的有损压缩，接收端也能高质量恢复秘密信息和载体数据，具有鲁棒性。本发明是为了满足高隐藏容量、鲁棒性、硬件实现相对简单、无损信息隐藏时恢复载体质量高、可适应图像和非图像数据的要求而提出的，隐藏方法具有优于1/8或优于1/10的隐藏容量，恢复载体质量高，对图像载体而言PSNR可达54dB。

Description

一种基于虚拟数据的鲁棒信息隐藏方法

技术领域

本发明涉及一种数据通信的方法，特别涉及一种基于虚拟数据的鲁棒信息隐藏方法，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。

信息隐藏分为无损信息隐藏或者有损信息隐藏，有损信息隐藏如LSB、DCT信息隐藏方法，经过信息隐藏后载体数据有一定损失，信息无损失或有一定损失。无损信息隐藏方法如基于直方图的信息隐藏方法、差值扩展信息隐藏方法等，经过信息隐藏后载体数据无损失，信息也无损失。

信息隐藏也可分为鲁棒信息隐藏或者非鲁棒信息隐藏，有的能抗噪声、抗压缩等处理，该类方法为鲁棒信息隐藏方法；有的不能抗噪声也不能抗压缩等处理，该类方法为非鲁棒信息隐藏方法。通过信息隐藏技术可以做到在不改变载体(如图像)大小、不影响载体(如图像等)使用的情况下，在载体(如图像等)中嵌入秘密信息进行隐藏传输，接收端能够正确提取秘密信息，按要求恢复载体数据。如果在传输过程中遇到噪声或经过一定的有损压缩后也能恢复秘密信息，同时图像质量满足要求，那么采用的方法就是鲁棒信息隐藏方法。

有损信息隐藏方法如LSB信息隐藏方法，容量达到1/8，但没有鲁棒性。其它许多有损信息隐藏方法如DCT信息隐藏方法，容量根本达不到1/8，或者小容量(1/512—1/64)能抗压缩，或者大容量不抗压缩。

鲁棒信息隐藏方法可以做到信息无损恢复，又能做到有损情况的信息无损恢复。对图像信息隐藏来说，过去，一般情况下，相对容量高于1/128就可以称为“大容量”，目前，相对容量高于或达到1/64，如1/8，1/16，1/32，1/64就可以称为“大容量”，一般文献中，采用频域或空域信息隐藏方法，如方法具有鲁棒性(抗压缩)，则隐藏容量一般为1/64或1/128，介于几十分之一到几百分之一，也有一些信息隐藏方法隐藏容量相对较高。总之，目前抗压缩的信息隐藏方法的要么隐藏容量达不到1/8，要么隐藏容量达到1/8但缺乏载体鲁棒性、恢复载体质量不够高(PSNR值相对小)。

发明内容

本发明解决的技术方案是：克服现有技术的不足，提供一种基于虚拟数据的鲁棒信息隐藏方法，满足了用户信息隐藏容量大、实现相对简单、具有一定鲁棒性、无损信息隐藏时恢复载体质量高、既能在图像数据中也能在非图像数据隐藏秘密信息的要求而提出的，使得隐藏方法优于10％的相对隐藏容量，而且信息无任何失真。

本发明的技术方案是：一种基于虚拟数据的鲁棒信息隐藏方法，步骤如下：

1)把数据流A：X1,X2,……Xp分组,每组2个数据，每组第一个数据用8比特(a8 a7a6 a5 a4 a3 a2 a1)表示，每组的第二个数据用8比特(b8 b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1)表示；每组第二个数据高t位与每组第一个数高t位比较，统计高t位相同的组数m，其中p＝2n为偶数；

2)产生虚拟数据，形成载体数据流B

将数据流A经步骤1)产生的所有分组中每组的第一个数据进行调整：把第一个数据最低位a1去掉，全部下移一位，最高位为c8，形成新的8比特数据，如果每组的第一个数据和每组的第二个数据的高t位相同，则把新的8比特数据的最高位标记为c8＝0，如果每组的第一个数据和每组的第二个数据的高t位不相同，则把新的8比特数据的最高位标记为c8＝1,最终形成新的8比特数据:(c8 a8 a7 a6 a5 a4 a3 a2)，记为虚拟数据；将虚拟数据和每组的第二个数据组成一组新的数据；将调整后的每组数据按顺序排列，作为载体数据流B；

3)嵌入隐藏信息

31)秘密信息隐藏格式变换：将二进制秘密信息S0每t比特为1组进行分组，加密或加扰形成秘密数据V；

32)如果载体数据流B中每组的第一个数据的最高位c8＝0，则用秘密数据V每t位替换对应的载体数据流B中每组的第一个数据中除c8以外的所有次高t位，如果载体数据流B中每组的第一个数据的最高位c8＝1，则不隐藏秘密数据V，最终形成含密的数据流；

4)接收端信息提取和载体恢复的步骤如下：

41)对接收到的数据进行分组，每组2个数据，每组第一个数据用8比特表示，每组的第二个数据用8比特表示，每组第二个数据高t位与每组第一个数高t位比较，统计高t位相同的组数m，其中p＝2n为偶数；

42)如果接收到的数据中每组的第一个数据的最高位c8＝0，则提取第一个数据的次高t位数据作为提取的秘密信息S1，得到的数据统一上移1比特得到X0；之后用接收到的数据中每组的第二个数据的高t位替换X0的高t位得到恢复的数据X1；最低位置为0；

43)如果接收到的数据中每组的第一个数据的高位c8＝1，则该数据中不含秘密数据，去掉c8，直接把得到的次高7位直接上移1位，最低位置为1，得到的数据X0作为恢复的X1。

将所述步骤2)中产生载体数据流B的方法替换为：

将数据流A经步骤1)产生的所有分组中每组的第一个数据进行调整：把第一个数据最低位a1去掉，全部下移一位，最高位为c8，形成新的8比特数据，如果每组的第一个数据和每组的第二个数据的高t位相同，则把新的8比特数据的最高位标记为c8＝0，如果每组的第一个数据和每组的第二个数据的高t位不相同，则把新的8比特数据的最高位标记为c8＝1；如果每组的第一个数据和每组的第二个数据的高t位相同的前m1个分组已经达到实际要求隐藏容量R1，R1＝int(t*m1/(16*n))，则把m1个分组之后产生的新的8比特数据的最高位标记为c8＝1；最终形成新的8比特数据:(c8 a8 a7 a6 a5 a4 a3 a2)，记为虚拟数据；将虚拟数据和每组的第二个数据组成一组新的数据。

所述的t为整数，t＝int(R*16*n/m)，其中R为隐藏容量。

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提取秘密信息，并高质量恢复原始载体数据。在不增加信息传输速率的情况下，能在其中隐藏十分之一的大数据量(1/8左右)，恢复载体质量高达54dB，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)目前大容量的信息隐藏算法大都是通过空域多层嵌入或数据差值或频域隐藏处理等方法实现，而本发明属空域直接隐藏方法，基于数据流中存在两个数(一组)高位的数、而且相同的数目很多这一技术特征(本发明人分析和实验发现)，因而隐藏容量大，恢复载体数据的质量高；

(2)目前的信息隐藏方法，如EMD以及FEMD方法等，通过2个数据进行信息隐藏，隐藏容量为1/8时没有鲁棒性，隐藏容量为1/32时也没有鲁棒性，但本文的方法同样隐藏容量情况下具有一定鲁棒性。

(3)目前的有损鲁棒信息隐藏方法，在大容量情况下恢复载体质量往往不高，一般达不到40-50dB，但本发明的方法PSNR比较高达54dB；

(4)本发明的方法事先可根据高t位的相同数据数量来调整隐藏容量的大小，当t取3或4时隐藏容量相对较大；

(5)本发明可根据高t位的相同数据的情况灵活调整隐藏容量的大小，避免了容量不能随情况变化的问题，增加了实用性。

(6)本发明引入虚拟的数据，用高位表示隐藏或不隐藏，不需要传输附加信息，t值双方可事先约定，不需要传输。

附图说明

图1(a)-图1(d)为仿真用载体图像。

具体实施方式

信息隐藏技术已经应用于地面信息网络，也已经用于航天器及各类卫星数传系统技术设计论证中，在今后必将得到更广泛应用。

本发明提供了一种抗压缩的大容量信息隐藏方法，具有非常大的隐藏容量，可达1/8，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，从而在地面系统以及航天器工程中都具有实用价值。

为了验证本发明所提出的算法的性能，仿真实验中首先采用了UGR标准测试图像库中4幅大小为512×512的8比特灰度图像数据，如图1(a)-图1(d)所示，采用本发明进行信息隐藏试验。将0、1分布等概的随机序列数据作为秘密信息嵌入的图像载体中，以信息无损隐藏容量、恢复载体质量来衡量本方法的隐藏性能。

数据流A的形成过程可以采用多种方法，如：

(1)把图像按行排列形成一维数据流A；

(2)把图像按列排列形成一维数据流A；

(3)把图像按块排列，每块形成一维数据流A0,再形成数据流A；

(4)把图像任意分组，2个一组，形成数据流A；

(5)其它数据类似上面进行排列，形成数据流A。

首先把图像按行排列，对应上面(1)，形成一维数据流A，采用本发明进行信息隐藏试验。

令n＝p/2，表示数据流A的数组分组总数，则本发明的信息隐藏容量为R＝int(t/16*m/n)；

对于图像1(a)：

t＝3,满足条件分组占总分组的比例：m/n＝81.5％

隐藏容量:3/16*m/n＝13.6％>1/8>10％

对于图像1(b)：

t＝3，满足条件分组占总分组的比例：m/n＝59.6％

隐藏容量:3/16*m/n＝10％

PSNR＝54.1dB,

对于图像1(c)：

t＝3，满足条件分组占总分组的比例：m/n＝78.6％

隐藏容量:3/16*m/n＝13.1％>1/8>10％

对于图像1(d)：Peppers.bmp

t＝3，满足条件分组占总分组的比例：m/n＝80.9％

隐藏容量:3/16*m/n＝13.5％>1/8>10％

均有：信息无损恢复，

载体近无损恢复PSNR＝54dB,

隐藏容量:3/16*m/n平均大于1/8，优于10％，达1/8左右。

一般PSNR＝35dB就感觉不到失真，PSNR＝54dB远远大于35dB，秘密信息完全恢复，载体图像质量非常高。

其它图像结果类似。

仿真结果说明算法具有较大的容量，对于图像，无损隐藏容量一般优于1/10，平均大于1/8，个别小于1/8但大于10％。因为秘密数据藏在数据的高位，对噪声和压缩处理具有一定的鲁棒性。

经过噪声试验，在通用测试强度情况下，秘密信息误码，经过后处理恢复载体图像的质量仍然较高，可以达到45dB以上。

本发明提出的方法可以通过降低嵌入量进一步提高抗压缩性能，在实际中事先对秘密数据经过纠错编码，牺牲一定的隐藏容量就可以达到低误码或无误码，纠错码可以所用RS码、LDPC码或任何具有纠错能力的码。

本发明提出的一种基于虚拟数据的鲁棒信息隐藏方法，在涉及图像数据、SAR数据传输的场合都可以应用，通过调整t达到适应不同载体数据的目的。

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 (2)

1.一种基于虚拟数据的鲁棒信息隐藏方法，其特征在于步骤如下：

1)把数据流A：X1,X2,……Xp分组,每组2个数据，每组第一个数据用8比特(a8 a7 a6a5 a4 a3 a2 a1)表示，每组的第二个数据用8比特(b8 b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1)表示；每组第二个数据高t位与每组第一个数高t位比较，统计高t位相同的组数m，其中p＝2n为偶数；t＝int(R*16*n/m)，其中R为隐藏容量；

2)产生虚拟数据，形成载体数据流B

将数据流A经步骤1)产生的所有分组中每组的第一个数据进行调整：把第一个数据最低位a1去掉，全部下移一位，最高位为c8，形成新的8比特数据，如果每组的第一个数据和每组的第二个数据的高t位相同，则把新的8比特数据的最高位标记为c8＝0，如果每组的第一个数据和每组的第二个数据的高t位不相同，则把新的8比特数据的最高位标记为c8＝1,最终形成新的8比特数据:(c8 a8 a7 a6 a5 a4 a3 a2)，记为虚拟数据；将虚拟数据和每组的第二个数据组成一组新的数据；将调整后的每组数据按顺序排列，作为载体数据流B；

3)嵌入隐藏信息

31)秘密信息隐藏格式变换：将二进制秘密信息S0每t比特为1组进行分组，加密或加扰形成秘密数据V；

32)如果载体数据流B中每组的第一个数据的最高位c8＝0，则用秘密数据V每t位替换对应的载体数据流B中每组的第一个数据中除c8以外的所有次高t位，如果载体数据流B中每组的第一个数据的最高位c8＝1，则不隐藏秘密数据V，最终形成含密的数据流；

4)接收端信息提取和载体恢复的步骤如下：

41)对接收到的数据进行分组，每组2个数据，每组第一个数据用8比特表示，每组的第二个数据用8比特表示；

42)如果接收到的数据中每组的第一个数据的最高位c8＝0，则提取第一个数据的次高t位数据作为提取的秘密信息S1，得到的数据统一上移1比特得到X0；之后用接收到的数据中每组的第二个数据的高t位替换X0的高t位得到恢复的数据X1；最低位置为0；

43)如果接收到的数据中每组的第一个数据的高位c8＝1，则该数据中不含秘密数据，去掉c8，直接把得到的次高7位直接上移1位，最低位置为1，得到的数据X0作为恢复的X1。

2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟数据的鲁棒信息隐藏方法，其特征在于：将所述步骤2)中产生载体数据流B的方法替换为：

将数据流A经步骤1)产生的所有分组中每组的第一个数据进行调整：把第一个数据最低位a1去掉，全部下移一位，最高位为c8，形成新的8比特数据，如果每组的第一个数据和每组的第二个数据的高t位相同，则把新的8比特数据的最高位标记为c8＝0，如果每组的第一个数据和每组的第二个数据的高t位不相同，则把新的8比特数据的最高位标记为c8＝1；如果每组的第一个数据和每组的第二个数据的高t位相同的前m1个分组已经达到实际要求隐藏容量R1，R1＝int(t*m1/(16*n))，则把m1个分组之后产生的新的8比特数据的最高位标记为c8＝1；最终形成新的8比特数据:(c8 a8 a7 a6 a5 a4 a3 a2)，记为虚拟数据；将虚拟数据和每组的第二个数据组成一组新的数据。