CN107622469A - 基于四元数小波变换的图像无载体信息隐藏方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的基于四元数小波变换的图像无载体信息隐藏方法，包括如下步骤：秘密消息分割；彩色图像特征提取；倒排索引的建立；图像查询；秘密信息接收。本发明由于直接使用没有经过任何处理的原始彩色图像来传输秘密信息，从根本上解决传统图像信息隐藏方法难以抵抗各类隐写分析检测的问题，相比与传统的信息隐藏方法，本发明简单易行，而且具有很高的抗检测和鲁棒性，实用价值较大。
Description
技术领域
本发明涉及信息安全领域，尤其涉及一种基于四元数小波变换的图像无载体信息隐藏方法。
背景技术
随着互联网和多媒体技术的飞速发展，以图像、音频、视频或者文本等数字媒体为秘密信息掩体的信息隐藏技术得到了广泛的使用。相比于传统的密码学，信息隐藏实现秘密信息的传递是利用掩体中存在的冗余信息来隐藏秘密对象，并不引起攻击者注意。然而现有的信息隐藏的方法大多是通过修改多媒体格式信息，将秘密信息嵌入到多媒体载体中，因而修改痕迹将不可避免地留在含密载体上，隐藏的信息极易被各类隐写分析方法检测到。这样使得秘密消息无法在互联网中进行安全和可靠的传递。
传统的信息隐藏技术在隐蔽通信、版权保护方面发挥重要作用的同时，也受到隐写分析技术的严峻挑战。因此，能否有效抵抗各类隐写分析的检测，成为衡量信息隐藏是否安全可靠的重要指标，也是信息隐藏的基本需求。如何从根本上抵抗各类隐写分析方法的检测，成为信息隐藏的一大挑战和难题。
2014年5月，在全国信息隐藏暨多媒体信息安全专家委员会上，来自南京和上海的学者提出了“无载体信息隐藏”这一全新术语，并对其进行了广泛的讨论和研究。无载体信息隐藏是一个全新的充满挑战的研究课题，但同时也让人感到迷惑。没有载体又如何进行秘密消息的传递呢？实际上，“无载体”并不是指不需要载体，而是和传统的信息隐藏相比，它强调的是不需要其他载体，而是直接以秘密信息为驱动来“生成/获取”含密载体。无载体信息隐藏这一概念的提出得到了国内外信息隐藏领域的著名专家的认可，并引起了国家的高度重视。在2015年国家自然科学基金委与中国通用技术研究院联合基金项目指南中，无载体信息隐藏被列为其中重点资助的领域。
现有技术中提出了一种文本无载体信息隐藏的方法，通过对秘密信息使用秩图直接生成隐写向量，并将未做任何修改的文本直接发送给接收方。现有技术中还提出一种新的文本无载体信息隐藏方法，此方法使用汉字数字表达式直接生成隐写向量，利用文本大数据检索出含密信息，实现秘密信息传递。不仅如此，现有技术中还存在一种图像无载体的信息隐藏的方法，该方法认为在图像大数据背景下原始自然图像含有秘密消息，秘密消息被转化成二进制比特流并被分割成大小固定的块。然后从构建好的图像数据库中搜索哈希值和分割的秘密消息一致的图像并将其发送给接收方。因此实现未修改原始图像内容和结构，并实现秘密信息的传递。
综上所述，虽然现有技术中已经出现了无载体信息隐藏的方法，但是这些方法在抵抗各类隐写分析技术方面的表现还差强人意。因此，如何提高无载体信息隐藏技术的抗检测性，以确保秘密信息的安全、可靠，是目前亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明提供一种基于四元数小波变换的图像无载体信息隐藏方法，用以解决传统的信息隐藏方法在抵抗各类隐写分析检测方面的性能较差的问题，以提高无载体信息隐藏技术的抗检测性，确保秘密信息的安全、可靠。
为了解决上述问题，本发明提供了一种一种基于四元数小波变换的图像无载体信息隐藏方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步，秘密消息分割：对待隐藏的秘密消息，首先将其转化成N位的二进制比特流，然后按照每8位二进制比特流为一组进行切分；对于最后几位二进制比特流若是不满8位，则在最后补充0，使其满足8位，最后得到M组分割的秘密消息；其中，N、M为正整数；
第二步，彩色图像特征提取：提供28幅彩色图像，对于每一彩色图像f(x,y)，采用基于四元数小波变换的彩色图像特征提取算法计算四个子带系数，并求解四个子带系数的特征；具体步骤如下：
步骤1：首先所述彩色图像f(x,y)经过式(1)四元数小波变换之后，得到四元数小波变换之后的三个高频子带和一个低频子带：
其中，(x,y)表示所述彩色图像中像素点的坐标，表
示三个高频子带和一个低
频子带接下来采用下式(2)-(5)求解四个子带系数：
步骤2：接下来采用下式(6)-(8)计算四元数小波变换的子带系数的特征：
其中，Ener表示系数矩阵能量，m表示系数矩阵均值，V表示系数矩阵方差；通过上述式(6)-(8)的计算之后，采用下式(9)将计算结果拼接，以组成彩色图像的特征向量f：
f＝{Ener1,m1,V1,Ener2,m2,V2,Ener3,m3,V3,Ener4,m4,V4} (9)；
步骤3：采用下式(10)对所述彩色图像的特征向量f进行哈希运算H：
F＝H(f)＝H({Ener1,m1,V1,Ener2,m2,V2,Ener3,m3,V3,Ener4,m4,V4,}) (10)
通过取模运算将哈希运算后的哈希值F限定到0～255之间，最终将经过取模运算后的哈希值F用一个8位二进制比特流表示；
通过对28幅彩色图像分别采用上述步骤1、步骤2、步骤3的方法，得到28个8位二进制比特流；
第三步，倒排索引的建立：以经过取模运算后的哈希值F的8位二进制比特流建立所述彩色图像的倒排索引，以得到28个倒排索引；
第四步，图像查询：从28个倒排索引中查找与M块分割秘密消息中8位二进制比特流一一匹配的M幅彩色图像，并将未经任何处理的M幅彩色图像以图像流的方式发送给接收端，其中，图像流中M幅彩色图像的排列顺序必须与分割的M块分割秘密消息的顺序一致；
第五步，秘密消息接收：对接收到的图像流使用上述第二步方法进行特征提取；并按照原始彩色图像流中图像的顺序将提取出来的秘密消息拼接起来；接收方则会根据拼接好的比特流串还原出发送发发送的秘密消息。
本发明提供的基于四元数小波变换的图像无载体信息隐藏方法，通过计算彩色图像的四元数小波变换系数特征，直接作为待发送的隐藏秘密消息，从而实现了图像无载体的信息隐藏。且本发明通过构建彩色图像的倒排索引，对发送方发送的秘密消息进行分割，通过查找图片库中索引与待隐藏的秘密消息一致的图像，形成秘密信息图片流，最终发送给接收方。注意：图片流的顺序必须与分割的秘密消息的顺序一致。当接收方接收到秘密图片流的时候，使用约定好的特征协议提取特征，并将其拼接起来，从而可以获得秘密消息。
本发明提供的基于四元数小波变换的图像无载体信息隐藏方法，由于直接使用没有经过任何处理的原始彩色图像来传输秘密信息，从根本上解决传统图像信息隐藏难以抵抗各类隐写分析检测的问题，相比与传统的信息隐藏方法，本发明的方法简单易行，而且具有很高的抗检测和鲁棒性，实用价值较大。
附图说明
附图1是本发明具体实施方式的基于四元数小波变换的图像无载体信息隐藏方法的流程图；
附图2是本发明具体实施方式的基于四元数小波变换的图像无载体信息隐藏方法的结构示意图；
附图3是本发明具体实施方式中两幅彩色图像进行特征提取的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的基于四元数小波变换的图像无载体信息隐藏方法的具体实施方式做详细说明。
本具体实施方式提出了一种基于四元数小波变换的图像无载体信息隐藏方法，附图1是本发明具体实施方式的基于四元数小波变换的图像无载体信息隐藏方法的流程图，附图2是本发明具体实施方式的基于四元数小波变换的图像无载体信息隐藏方法的结构示意图。如图1、2所示，本具体实施方式提供的基于四元数小波变换的图像无载体信息隐藏方法包括如下步骤：
步骤S11，秘密消息分割：对待隐藏的秘密消息，首先将其转化成N位的二进制比特流，然后按照每8位二进制比特流为一组进行切分；其中，对于最后几位二进制比特流若是不满8位，则在最后补充0，使其满足8位，最后得到M组分割的秘密消息；其中，N、M为正整数。在本具体实施方式中，N是对应秘密消息的二进制比特流串(即010110….)，N是正整数，若是秘密消息的长的话，那么对于的N也就比较的长，若是秘密消息短的话，那么N也就短，没有固定过的长度，只要满足正整数即可。本具体实施方式中的秘密消息可以是文字、数字或者字母。每个字母、文字(一个汉字对应两个字节)或者数字都对应一个ASCII码，将其转化成二进制即可。以字母为例，大写字母A对应的ASCII值为65(即01000001)。
步骤S12，彩色图像特征提取：提供28幅彩色图像，对于每一彩色图像f(x,y)，采用基于四元数小波变换的彩色图像特征提取算法计算四个子带系数，并求解四个子带系数的特征；具体步骤如下：
a)：首先所述彩色图像f(x,y)经过式(1)四元数小波变换之后，得到四元数小波变换之后的三个高频子带和一个低频子带：
其中，(x,y)表示所述彩色图像中像素点的坐标，x表示二维坐标系中的横坐标，y表示二维坐标系中的纵坐标，f(x,y)则相应的表示像素坐标为(x,y)时对应的像素值，表示三个高频子带 和一个低频子带接下来采用下式(2)-(5)求解四个子带系数：
b)：接下来采用下式(6)-(8)计算四元数小波变换的子带系数的特征：
其中，Ener表示系数矩阵能量，m表示系数矩阵均值，V表示系数矩阵方差；通过上述式(6)-(8)的计算之后，采用下式(9)将计算结果拼接，以组成彩色图像的特征向量f：
f＝{Ener1,m1,V1,Ener2,m2,V2,Ener3,m3,V3,Ener4,m4,V4} (9)；
c)：采用下式(10)对所述彩色图像的特征向量f进行哈希运算H：
F＝H(f)＝H({Ener1,m1,V1,Ener2,m2,V2,Ener3,m3,V3,Ener4,m4,V4,}) (10)
通过取模运算将哈希运算后的哈希值F限定到0～255之间，最终将经过取模运算后的哈希值用一个8位二进制比特流表示。
通过对28幅彩色图像分别采用上述步骤1、步骤2、步骤3的方法，得到28个8位二进制比特流。
步骤S13，倒排索引的建立：以经过取模运算后的哈希值F的8位二进制比特流建立所述彩色图像的倒排索引，以得到28个倒排索引。
步骤S14，图像查询：从28个倒排索引中查找与M块分割秘密消息中8位二进制比特流一一匹配的M幅彩色图像，并将未经任何处理的M幅彩色图像以图像流的方式发送给接收端，其中，图像流中M幅彩色图像的排列顺序必须与分割的M块分割秘密消息的顺序一致。
步骤S15，秘密消息接收：对接收到的图像流使用上述第二步方法进行特征提取；并按照原始彩色图像流中图像的顺序将提取出来的秘密消息拼接起来；接收方则会根据拼接好的比特流串还原出发送发发送的秘密消息。
以下举例说明本具体实施方式的基于四元数小波变换的图像无载体信息隐藏方法。附图3是本发明具体实施方式中两幅彩色图像进行特征提取的结构示意图。以Lena图像和Airplane图像为例，经过步骤S12，Lena图像的特征哈希值为136，Airplane的特征哈希值为14。秘密消息AB，按照步骤S11的分割方法，将秘密消息AB分割成A和B两部分。若发送方需发送秘密消息136和14给接收方，即将对应的特征哈希图像发送给接收方。利用倒排索引结构查找到对应的图像为Lena和Airplane，按照AB的分割顺序，将Lena和Airplane两张图像通过信道发送给接收方。当接收方接收到Lena和Airplane两张图片，按照图2倒排索引结构，可查找到对应的秘密消息136(1000 1000)和14(0000 1110)。最终实现了秘密消息的图像无载体的信息隐藏的传输。
以下采用三种方法：即LSB replacement(A.D.Ker,“Improved Detection of LSBSteganography in Grayscale Images”,Information Hiding.Springer BerlinHeidelberg,2004:97-115.)、LSB matching(A.D.Ker,“Steganalysis of LSB matchingin grayscale images”,IEEE Signal Processing Letters,2005,12(6):441-444.)、本具体实施方式提供的方法，针对同一秘密信息进行隐藏，并检测三种方法的错误率。表1是不同方法的错误率比较表。
表1不同方法的错误率比较表
从表1可以看出，本具体实施方式提供的基于四元数小波变换的图像无载体信息隐藏方法相较于传统的信息隐藏方法，其错误率有了很大幅度的降低，有效抵抗了各类隐写分析方法检测，从而确保了秘密信息的安全、可靠。
本具体实施方式提供的基于四元数小波变换的图像无载体信息隐藏方法，通过计算彩色图像的四元数小波变换系数特征，直接作为待发送的隐藏秘密消息，从而实现了图像无载体的信息隐藏。且本发明通过构建彩色图像的倒排索引，对发送方发送的秘密消息进行分割，通过查找图片库中索引与待隐藏的秘密消息一致的图像，形成秘密信息图片流，最终发送给接收方。注意：图片流的顺序必须与分割的秘密消息的顺序一致。当接收方接收到秘密图片流的时候，使用约定好的特征协议提取特征，并将其拼接起来，从而可以获得秘密消息。
本具体实施方式提供的基于四元数小波变换的图像无载体信息隐藏方法，由于直接使用没有经过任何处理的原始彩色图像来传输秘密信息，从根本上解决传统图像信息隐藏难以抵抗各类隐写分析检测的问题，相比与传统的信息隐藏方法，本发明的方法简单易行，而且具有很高的抗检测和鲁棒性，实用价值较大。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种基于四元数小波变换的图像无载体信息隐藏方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步，秘密消息分割：对待隐藏的秘密消息，首先将其转化成N位的二进制比特流，然后按照每8位二进制比特流为一组进行切分；对于最后几位二进制比特流若是不满8位，则在最后补充0，使其满足8位，最后得到M组分割的秘密消息；其中，N、M为正整数；
第二步，彩色图像特征提取：提供28幅彩色图像，对于每一彩色图像f(x,y)，采用基于四元数小波变换的彩色图像特征提取算法计算四个子带系数，并求解四个子带系数的特征；具体步骤如下：
步骤1：首先所述彩色图像f(x,y)经过式(1)四元数小波变换之后，得到四元数小波变换之后的三个高频子带和一个低频子带：
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其中，(x,y)表示所述彩色图像中像素点的坐标，表示三个高频子带和一个低频子带接下来采用下式(2)-(5)求解四个子带系数：
步骤2：接下来采用下式(6)-(8)计算四元数小波变换的子带系数的特征：
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其中，Ener表示系数矩阵能量，m表示系数矩阵均值，V表示系数矩阵方差；通过上述式(6)-(8)的计算之后，采用下式(9)将计算结果拼接，以组成彩色图像的特征向量f：
f＝{Ener1,m1,V1,Ener2,m2,V2,Ener3,m3,V3,Ener4,m4,V4} (9)；
步骤3：采用下式(10)对所述彩色图像的特征向量f进行哈希运算H：
F＝H(f)＝H({Ener1,m1,V1,Ener2,m2,V2,Ener3,m3,V3,Ener4,m4,V4,}) (10)
通过取模运算将哈希运算后的哈希值F限定到0～255之间，最终将经过取模运算后的哈希值F用一个8位二进制比特流表示；
通过对28幅彩色图像分别采用上述步骤1、步骤2、步骤3的方法，得到28个8位二进制比特流；
第三步，倒排索引的建立：以经过取模运算后的哈希值F的8位二进制比特流建立所述彩色图像的倒排索引，以得到28个倒排索引；
第四步，图像查询：从28个倒排索引中查找与M块分割秘密消息中8位二进制比特流一一匹配的M幅彩色图像，并将未经任何处理的M幅彩色图像以图像流的方式发送给接收端，其中，图像流中M幅彩色图像的排列顺序必须与分割的M块分割秘密消息的顺序一致；
第五步，秘密消息接收：对接收到的图像流使用上述第二步方法进行特征提取；并按照原始彩色图像流中图像的顺序将提取出来的秘密消息拼接起来；接收方则会根据拼接好的比特流串还原出发送发发送的秘密消息。
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