CN107071455A - 基于数据流的jpeg图像信息隐藏方法 - Google Patents
基于数据流的jpeg图像信息隐藏方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于数据流的JPEG图像信息隐藏方法,包括以下步骤:步骤一、读取原始JPEG图像文件数据流中的每个完整字段;步骤二、利用秘密信息生成符合JPEG编码协议的自造字段,自造字段包括COM字段和APPn字段,COM字段和APPn字段均包括标记码部分和数据部分,标记码部分为自造字段的前两字节,数据部分的前两字节表示数据大小;步骤三、将步骤二中生成的自造字段嵌入步骤一中的两个完整字段之间,得到含有秘密信息的JPEG图像数据流;步骤四、将步骤三中得到的含有秘密信息的JPEG图像数据流进行保存或发送;步骤五、通过标记码提取含密JPEG图像文件中的秘密信息;与传统的空域和频域方法相比,计算量小,只需对图像数据流进行处理;非常适合在智能移动端实现。
Description
【技术领域】
本发明属于信息隐藏技术领域,尤其是涉及一种基于数据流的JPEG图像信息隐藏方法。
【背景技术】
随着互联网和智能移动端的快速发展,多媒体信息分发量成指数形式增长,相应的其信息安全问题也变得愈加突出,例如盗取、截获机密信息等等。信息隐藏是有效的解决方法之一,它将待隐藏信息以尽可能隐蔽的方式隐藏到多媒体文件中。信息隐藏技术在信息安全领域中具有重要的地位,它对于军事、情报、国家安全方面具有重要意义。
图像信息隐藏作为信息隐藏的一个重要分支已经发展了很多年,国内外也出现了很多种用于图像的信息隐藏方法,但大多数都是基于图像空域或频域。频域算法要经过一系列的变换,复杂度较高且容量小。如果图像较大,其运算量也会相对增大。空域算法较频域算法虽简单了许多,但不适用于JPEG这类有损压缩编码。对于一些智能移动终端,需要一些简单、可行、易实现的算法。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种基于数据流的JPEG图像信息隐藏方法,以解决现有技术中运算复杂、运算量大、隐蔽性差的问题。
本发明的技术方案为:基于数据流的JPEG图像信息隐藏方法,包括以下步骤:
步骤一、读取原始JPEG图像文件数据流中的每个完整字段;
步骤二、利用秘密信息生成符合JPEG编码协议的自造字段,自造字段包括COM字段和APPn字段,COM字段和APPn字段均包括标记码部分和数据部分,标记码部分为自造字段的前两字节,数据部分的前两字节表示数据大小;
步骤三、将步骤二中生成的自造字段嵌入步骤一中的两个完整字段之间,得到含有秘密信息的JPEG图像数据流;
步骤四、将步骤三中得到的含有秘密信息的JPEG图像数据流进行保存或发送;
步骤五、通过标记码提取含密JPEG图像文件中的秘密信息。
进一步地,步骤三具体通过以下方法实现:
步骤3.1、判断步骤二中的自造字段相对于步骤一中的原始JPEG图像文件是否过大;
具体判断方法为:
当自造字段长度与原始JPEG图像文件长度的比值小于或等于预设值β时,则判断自造字段不过大;
当自造字段长度与原始JPEG图像文件长度的比值大于预设值β时,则判断自造字段过大;其中,β>0;
当不过大时,将自造字段嵌入原始JPEG图像文件中的两个完整字段之间,得到含有秘密信息的JPEG数据流,继续执行步骤四;
当过大时,执行步骤3.2;
步骤3.2、将步骤一中的原始JPEG图像文件解压缩,根据JPEG质量因子由大到小进行压缩,直至压缩后的JPEG图像文件与自造字段的长度之和小于或等于原始JPEG图像文件长度;
步骤3.3、计算将自造字段嵌入压缩后的JPEG图像文件后,所得到的JPEG图像文件相对于原始JPEG图像文件的PSNR;
当PSNR小于阈值α,减少秘密信息长度后再重新输入秘密信息,返回步骤二,继续执行;
当PSNR大于或等于阈值α,其中α>0,继续执行步骤3.4;
步骤3.4、将步骤二中的自造字段嵌入压缩后的JPEG图像文件中的两个完整字段之间,得到嵌入后的含有秘密信息的数据流。
进一步地,步骤3.2中JPEG质量因子的取值范围为0~100之间的整数。
进一步地,COM字段的标记码为0xFFFE,APPn字段的标记码为0xFFE0~0xFFEF。
进一步地,当步骤二中秘密信息大于65533字节时,将秘密信息拆分成多个子秘密信息,并生成多个子自造字段,且在每个子自造字段内添加拆分标记位。
本发明的有益效果是:本发明主要是在JPEG图像中进行信息隐藏,与传统的空域和频域方法相比,计算量小,只需对图像数据流进行处理;若对图像进行JPEG压缩,也是调用已有的JPEG压缩算法接口,非常适合在智能移动端实现。对JPEG图像嵌入合法的自造JPEG字段,这些字段不参与JPEG编解码,所以可以保证加密后JPEG图像的质量。若需对JPEG图像解压缩后,再进行JPEG压缩产生冗余空间,由于JPEG压缩算法的优越性,并且可以设置PSNR阈值α,以保证加密后JPEG图像的质量。自造JPEG字段为JPEG图像的合法字段,因此不易被攻击者检测出来,具有很好的隐蔽性。
综上所述,本发明设计新颖合理,算法简单易实现,隐蔽性好,非常适合在智能移动终端等实现图像信息隐藏,并且保证了图像的质量,有助于信息隐藏技术的发展,由于不对图像像素点进行处理,运算量大大减少。
【附图说明】
图1为本发明基于数据流的JPEG图像信息隐藏方法的流程框图;
图2为本发明基于数据流的JPEG图像信息隐藏方法的实施例中的原始JPEG图像文件;
图3为本发明基于数据流的JPEG图像信息隐藏方法的实施例中的待嵌入秘密信息;
图4为本发明基于数据流的JPEG图像信息隐藏方法的实施例中的嵌入秘密信息后的图像文件;
图5为本发明基于数据流的JPEG图像信息隐藏方法的实施例中从含密JPEG图像文件中提取的秘密信息。
【具体实施方式】
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明公开了基于数据流的JPEG图像信息隐藏方法,且本实施例采用512*512的lena图像作为载体图像,实现平台为华为honor H30-T10,android版本为4.4.2。如图1所示,包括以下步骤:
步骤一、读取原始JPEG图像文件数据流中的每个完整字段,即载体JPEG图像文件中的每个完整字段,读取每个完整的字段是为了后续可以在任意两个完整字段之间嵌入自造字段,读取时利用二进制文件输入流来读取原始JPEG图像文件,并且读取原始JPEG图像文件数据流里的每个完整字段。本实施例中的原始JPEG图像文件如图2所示,为lena图像。
原始JPEG图像文件含有许多不同的字段,每个字段均由:标记码、2字节长度描述位和内容流组成;标记码后面紧跟长度描述位,最后为数据内容流,需要注意的是该长度描述位描述的长度是:长度描述位(2字节)和数据流长度之和,因此数据流最大长度为65533字节(2^16-1-2),约为64KB,并且可以为任意数据。
读取自造字段时先读取字段标记码,然后根据2字节的长度描述位读取该字段内容流。每个字段都有其各自的意义。标记码部分由两个字节组成,高字节为0xFF,不同的字段标记码的低字节不同。
步骤二、利用秘密信息生成符合JPEG编码协议、不影响图像显示的自造字段,即合法自造字段。自造字段包括COM字段和APPn字段等,这些字段均为合法的JPEG字段,不参与图像的编解码,因此,不会影响图像的质量,非常适合智能移动终端等实现图像信息隐藏。
根据(标记码+长度描述位+秘密信息内容流)格式生成字段,其存储形式实为二进制流形式,其中秘密信息内容流中还需包括与其他JPEG图像文件原有字段进行区分的标识位。例如我们自造的COM字段,也许原始JPEG文件就含有COM字段,因此需要添加用于区分的标识位。
根据字段的生成规则生成合法的JPEG字段,其中前两字节为标记码,后面为数据部分,并且数据的前两字节表示数据的大小。另外,因为生成的自造字段为JPEG的合法字段,原始JPEG图像文件中可能含有这些字段,所以在生成的合法字段中加入了标识位,以便后续信息提取。
COM字段和APPn字段均包括标记码部分和数据部分,标记码部分为自造字段的前两字节,COM字段的标记码为0xFFFE,其为注释字段,APPn字段的标记码为0xFFE0~0xFFEF,其为JPEG图像为应用程序保留字段。
自造字段生成过程如下:首先生成两字节的标记码;然后计算秘密信息内容流长度,并用两字节数据表示,生成数据长度描述位;在标记码后面添加两字节的数据长度描述位,最后添加待隐藏秘密信息内容流便可得到JPEG合法字段。
每个自造字段嵌入信息量最大为65533字节(2^16-1-2),当秘密信息长度大于65533字节时,便需要对其进行拆分,将其拆分成多个子秘密信息,并生成多个子自造字段,且在每个子自造字段内添加拆分标记位,记录每个子自造字段的顺序,以便提取信息时组合恢复秘密信息,最后依次嵌入每个子自造字段。
本实施例中生成合法JPEG字段具体步骤如下:
生成两字节的标记码,COM字段标记码为:0xFFFE;
计算秘密信息的大小,并用两字节数据表示,生成数据量标志位,如图3所示,嵌入秘密信息为XUST(西安科技大学英文缩写),最后生成的COM字段二进制表示为:0xFFFE0008111158555354,其中,0xFFFE为COM字段标记码,0x0008为数据量描述位,0x1111为标识码,0x58555354为秘密信息XUST。
步骤三、将步骤二中生成的自造字段嵌入步骤一中的两个完整字段之间,得到含有秘密信息的JPEG图像数据流。嵌入位置可以是任意两个完整的字段之间,但不能是开头也不能是结尾,因为开头为JPEG专有文件头数据段,结尾为JPEG专有的文件尾数据段。
为了不对载体图像的文件大小造成过大的影响,可先将载体图像解压缩译码,再根据JPEG质量因子将其压缩,直至选择合适JPEG质量因子压缩后的图像文件长度加上自造字段的长度小于或等于原始JPEG图像文件长度,再将自造字段嵌入。
具体通过以下方法实现:
步骤3.1、判断步骤二中的自造字段相对于步骤一中的原始JPEG图像文件是否过大。
判断方法为:当待嵌入自造字段长度与原始JPEG图像文件长度的比值小于或等于预设值β时,则判断自造字段不过大。
当不过大时,将自造字段嵌入原始JPEG图像文件中的两个完整字段之间,得到含有秘密信息的JPEG数据流,继续执行步骤四;其中β>0,其为预设值,具体范围根据具体场景进行设定。
当待嵌入自造字段长度与原始JPEG图像文件长度的比值大于预设值β时,则判断自造字段过大;当过大时,执行步骤3.2。
本实施例判别标准为是否超过原始JPEG图像的5%,即β取值为0.05;α典型值为大于等于30dB,此时可以满足较高的PSNR,保证较好的图像质量,本实施例α取值为30dB;PSNR=10lg(255*255/MSE)dB。
本实施例中嵌入的信息为10字节,原图像文件为122,076字节,自造字段长度相对于原始JPEG图像文件长度的比值为0.0082%,小于5%,因此不需要对载体JPEG图像解压再进行JPEG压缩处理,直接将其嵌入到两个完整字段之间,嵌入后图像的局部二进制流表示为:
0xFFD8FFFE0008111158555354FFE000104A46…,0xFFD8为JPEG文件起始标识字段,0xFFFE为我们嵌入信息字段,0xFFE0为原始JPEG图像中原有的字段。本实施例为方便演示嵌入的自造字段为10字节,按照β取值,本实施例嵌入字段为122,076*0.05=6103字节及以内,可以实现载体图像无失真;若超过6103字节时,则需对载体JPEG图像解压再进行JPEG压缩处理。
步骤3.2、将步骤一中的原始JPEG图像文件解压缩后,再根据JPEG质量因子由大到小进行压缩,将JPEG压缩因子由大逐渐缩小,以便相对于原始JPEG图像多出一定的冗余空间,直至选择合适JPEG质量因子,使得压缩后的JPEG图像文件与自造字段的长度之和小于或等于原始JPEG图像文件长度。其中,JPEG质量因子的取值范围为0~100之间的整数。这样做,可以使含密图像与原始JPEG图像文件大小基本相同。
步骤3.3、计算将自造字段嵌入压缩后的JPEG图像文件后,所得到的JPEG图像文件相对于原始JPEG图像文件的PSNR;
当PSNR小于阈值α时,表示嵌入的信息较多,使得载体图像进行了较大程度上的JPEG压缩,其图像质量严重下降,因此不适合在该载体图像中继续嵌入秘密信息,所以提示减小秘密信息,减少秘密信息长度后再重新输入秘密信息,并返回步骤二继续执行。
当PSNR大于或等于阈值α时,表示载体图像的JPEG压缩程度在可接受范围内,图像质量满足要求,继续执行步骤3.4。
其中,α为预设值,满足α>0,具体范围可以根据具体场景进行设定。
步骤3.4、读取压缩后JPEG图像的所有字段,将步骤二中的自造字段嵌入压缩后的JPEG图像文件中的两个完整字段之间,得到嵌入后的含有秘密信息的数据流。
步骤四、将步骤三中得到的含有秘密信息的JPEG图像数据流进行保存或发送。本实施例中保存含有秘密信息的JPEG图像数据流得到的是如图4所示的含密lena图像。
步骤五、通过标记码提取含密JPEG图像文件中的秘密信息。
具体地,接收到含密JPEG图像文件后,根据自造字段中的标识码提取秘密信息,即根据自造COM字段和APPn字段中标识码提取秘密信息,其中标识码为生成自造字段时加入的、用于区别自造字段和原始JPEG图像中原有的COM字段或APPn字段。
当提取信息时,读取JPEG图像数据流,提取COM、APPn等字段,判断其中是否含有标识码0x1111,若有则提取出该字段的内容,则为隐藏的信息。本实施例中提取到的秘密信息如图5所示,为“XUST”。
本实施例中,根据秘密信息自造COM字段数据流、嵌入COM字段、保存文件、提取信息均在程序中实现,本实施例中的含密图像只是在大小上比原始JPEG图像增加了10字节,译码出来的图像完全相同,无失真。由于JPEG图像大小是与图像的质量相关,因此JPEG图像大小没有一个定量的计算方法,这在一定程度上增加了本算法中所隐藏信息的隐蔽性。
综上所述,本发明的基于数据流的JPEG图像信息隐藏方法,利用自造JPEG合法字段来嵌入秘密信息,由于生成的JPEG字段不参与JPEG图像的解码显示,不会对图像的显示造成任何影响,并且原始JPEG图像本身就含有COM、APPn等字段,嵌入的合法自造字段不易被发现,因此嵌入的信息具有很好的隐蔽性。当嵌入较少的数据量时,即小于阈值β,该方法可以保证载体图像无失真;当嵌入较多的数据量时,即大于阈值β,需要对原始JPEG载体图像解压缩后再进行JPEG压缩,以便得到冗余空间来嵌入秘密信息。此时,载体图像虽有失真,但由于JPEG压缩算法的优越性,使得其压缩后的图像与压缩前的图像具有很高的PSNR,图像失真很小;并且本发明可以设置PSNR阈值α,控制载体图像失真程度。当β取值合适时,可以避免后面进行JPEG压缩运算,不会造成复杂度增加,并且载体JPEG图像无失真。
本发明不对图像像素点进行处理,运算量小,适合对大图像进行处理和在智能移动终端等实现图像信息隐藏。
Claims (5)
1.基于数据流的JPEG图像信息隐藏方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一、读取原始JPEG图像文件数据流中的每个完整字段;
步骤二、利用秘密信息生成符合JPEG编码协议的自造字段,所述自造字段包括COM字段和APPn字段,所述COM字段和APPn字段均包括标记码部分和数据部分,所述标记码部分为自造字段的前两字节,所述数据部分的前两字节表示数据大小;
步骤三、将步骤二中生成的所述自造字段嵌入步骤一中的两个完整字段之间,得到含有秘密信息的JPEG图像数据流;
步骤四、将步骤三中得到的含有秘密信息的JPEG图像数据流进行保存或发送;
步骤五、通过所述标记码提取含密JPEG图像文件中的秘密信息。
2.如权利要求1所述的基于数据流的JPEG图像信息隐藏方法,其特征在于,所述步骤三具体通过以下方法实现:
步骤3.1、判断步骤二中的自造字段相对于步骤一中的原始JPEG图像文件是否过大;
具体判断方法为:
当自造字段长度与原始JPEG图像文件长度的比值小于或等于预设值β时,则判断自造字段不过大;
当自造字段长度与原始JPEG图像文件长度的比值大于预设值β时,则判断自造字段过大;其中,β>0;
当不过大时,将所述自造字段嵌入所述原始JPEG图像文件中的两个完整字段之间,得到含有秘密信息的JPEG数据流,继续执行步骤四;
当过大时,执行步骤3.2;
步骤3.2、将步骤一中的原始JPEG图像文件解压缩,根据JPEG质量因子由大到小进行压缩,直至压缩后的JPEG图像文件与自造字段的长度之和小于或等于原始JPEG图像文件长度;
步骤3.3、计算将所述自造字段嵌入压缩后的JPEG图像文件后,所得到的JPEG图像文件相对于原始JPEG图像文件的PSNR;
当PSNR小于阈值α,减少秘密信息长度后再重新输入秘密信息,返回步骤二,继续执行;
当PSNR大于或等于阈值α,其中α>0,继续执行步骤3.4;
步骤3.4、将步骤二中的自造字段嵌入压缩后的JPEG图像文件中的两个完整字段之间,得到嵌入后的含有秘密信息的数据流。
3.如权利要求2所述的基于数据流的JPEG图像信息隐藏方法,其特征在于,步骤3.2中所述JPEG质量因子的取值范围为0~100之间的整数。
4.如权利要求1所述的基于数据流的JPEG图像信息隐藏方法,其特征在于,所述COM字段的标记码为0xFFFE,所述APPn字段的标记码为0xFFE0~0xFFEF。
5.如权利要求1-4任一所述的基于数据流的JPEG图像信息隐藏方法,其特征在于,当步骤二中所述秘密信息大于65533字节时,将所述秘密信息拆分成多个子秘密信息,并生成多个子自造字段,且在每个所述子自造字段内添加拆分标记位。
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