CN107908969A - 一种基于空域特性的jpeg图像自适应隐写方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于空域特性的JPEG图像自适应隐写方法。对JPEG载体图像做预处理，基于空域统计分布特性，计算每个子块在空域的块能量；计算各频段系数修改后对应块能量变化量，得到各DCT系数修改后对应的块能量变化量；考虑邻近子块能量值，得到隐写失真代价函数；将失真代价函数与矩阵编码相结合，提高隐写安全性。现有JPEG隐写算法，通常是基于JPEG图像的频域统计分布特性设计隐写失真代价函数。经实验证明，本隐写方法可使隐写后的图像具有很高的安全性。因此，本发明方法对隐秘通信等应用领域具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及数字图像处理领域，更具体地，涉及一种基于空域特性的JPEG图像自适应隐写方法。
背景技术
隐写术是信息隐藏学的一个重要分支，它是解决通信安全问题的一种有效方法。隐写术可以将特定的秘密信息隐藏在某种公开信息之中，而不损坏载体的视听觉质量，由于对外表现的是载体信号的内容和特征，有公开信息作掩护，因此第三方不会感觉到秘密信息的存在。在隐写的基础上再运用密码技术可以进一步增强信息隐藏的安全效果。隐写术作为信息安全传输的重要手段，可以应用于军事、情报、国家安全等层面。JointPhotographic Experts Group(JPEG)压缩图像是目前互联网上运用最为广泛的图像格式，现有的JPEG隐写算法，通常是基于JPEG图像的频域统计分布特性设计隐写失真代价函数，来度量每个DCT系数被改变可能引进的失真。本发明以JPEG图像为载体，基于JPEG图像的空域统计分布特性设计隐写失真代价函数，研究新的自适应隐写方法。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种基于空域特性的JPEG图像自适应隐写方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种基于空域特性的JPEG图像自适应隐写方法，包括以下步骤：
S1：对JPEG载体图像做预处理，基于空域统计分布特性，计算每个子块在空域的块能量；
S2：计算各频段系数修改后对应块能量变化量，得到各DCT系数修改后对应的块能量变化量；
S3：考虑邻近子块能量值，得到隐写失真代价函数；
S4：将失真代价函数与矩阵编码相结合，提高隐写安全性。
优选地，步骤S1中，具体包括以下步骤：
S1.1：读取原始JPEG载体图像量化后的DCT系数，将每一个8×8子块解压到空域，得到各子块对应的空域像素值，计算每个子块的空域像素值的标准差作为块能量，一副有M×N个DCT系数的JPEG图像由M×N/64个DCT子块组成，用符号Dmn表示第m行第n列的子块能量，其中0≤m≤M/8-1；0≤n≤N/8-1，对每一个8×8子块的空域像素值取绝对值后求标准差，即得到第m行第n列的子块能量Dmn；
S1.2：运用反锐化掩膜法(USM)对大小为M×N的原始JPEG载体图像在空域进行锐化，先做高斯模糊(半径可调)，提取低频成分，然后把原始图像减去低频成分获得高频成分(间接提取高频)，再对高频成分与阈值(阈值可调)比较，比阈值大的才进行增强(提高抗噪声性能)，从而提取细节，然后对细节进行一定的增强(增益可调)，最后把增强的细节叠加到原始图像中，得到原始图像在空域的增强图像；
S1.3：运用Canny边缘检测法检测上述得到的增强图像在空域中的边缘信息，将提取的为边缘信息的像素点标为1，非边缘的像素点标为0，得到M×N的边缘信息标记图，将该图划分为一个个8×8子块，计算每个8×8子块中标为1的个数，将第m行第n列的子块中标为1的个数记为sm，n；
S1.4：根据载体图像的增强图像的边缘信息，即每个子块的sm，n值，调整每个子块的块能量大小，根据S1.3中提取的边缘信息，sm，n值越大，该子块纹理越复杂，子块能量越大，经过大量实验，得到修正后的各子块能量值D′m，n，即D′m，n＝Dm，n×(sm，n α+1)，设参数α＝0.9。
优选地，步骤S1.1中，将每一个8×8子块解压到空域的步骤包括反量化、IDCT变换和取整。
优选地，步骤S2中，具体包括以下步骤：
S2.1：考虑各子块中不同频段的DCT系数修改对块能量造成的影响，依据DCT系数的修改在空域表现出的统计特性，在度量隐写失真时，使图像隐写时优先考虑对块能量造成变化量小的频段系数，同时兼顾隐写术的高效性，对每个子块同一频段的系数都设同样的块能量变化量δ，可得到每个DCT系数修改后对应的块能量变化量δij，其中，0≤i≤M-1，0≤j≤N-1，δij计算如下：
JPEG图像系数用符号x表示，xk，l(k，l∈{0，...，7})表示第m行第n列的子块中第k行第l列的DCT系数，当xk，l进行+1或-1的修改时，由于系数处于不同频段，因而对该子块块能量影响程度也不一样，创建8×8各系数均为0的子块，把第k行第l列的位置设为1，对该位置进行反量化、IDCT变换和取整操作后，将得到的像素值取绝对值后求标准差记为qk，l(k，l∈{0，...，7})，将qk，l做复制和平铺处理，得到M×N的δij，所有子块中相同频段的δ值相同；
S2.2：对离群系数作处理，当DCT系数进行修改时，如果两个系数处于不同子块的同一频段，则倾向于修改DCT系数绝对值更大的系数，通过大量的实验，我们得到了较好的实现方法，当交流系数|xi，j|≥8时，令块能量的变化量大小为δ’ij＝δij/|xi，j|0.2，得到修正的
优选地，步骤S3中，具体包括以下步骤：
S3.1：除了考虑系数所在子块，我们还需要考虑其邻近子块的块能量，通过大量实验，我们找到了相对较好的当前块能量与邻近子块能量的比例关系，并定义D″m，n，作为当前块能量的度量，即其中：
0≤m≤M/8-1，0≤n≤N/8-1；
若子块处于图像边缘，则缺少的邻近子块的块能量取当前子块能量值；
S3.2：结合以上，失真函数设计如下：
优选地，步骤S4中，根据密钥产生伪随机数，对DCT系数和秘密信息的顺序进行打乱，根据代价值ρij使用STC编码进行嵌入，得到修改后的DCT系数，将修改后的DCT系数保存为隐写后的图像。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明提供一种基于空域特性的JPEG图像自适应隐写方法。对JPEG载体图像做预处理，基于空域统计分布特性，计算每个子块在空域的块能量；计算各频段系数修改后对应块能量变化量，得到各DCT系数修改后对应的块能量变化量；考虑邻近子块能量值，得到隐写失真代价函数；将失真代价函数与矩阵编码相结合，提高隐写安全性。现有JPEG隐写算法，通常是基于JPEG图像的频域统计分布特性设计隐写失真代价函数。经实验证明，本隐写方法可使隐写后的图像具有很高的安全性。因此，本发明方法对隐秘通信等应用领域具有重要意义。
附图说明
图1是采用本发明方法进行隐写的流程图。
图2所示为将BOSS图像库压缩为质量因子为75的JPEG原始图像库中任选一幅载体图像。
图3所示为图2在空域锐化后的增强图像.
图4所示为增强图像3的Canny边缘检测的边缘信息图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图1所示，一种基于空域特性的JPEG图像自适应隐写方法，包括以下步骤：
S1：对JPEG载体图像做预处理，基于空域统计分布特性，计算每个子块在空域的块能量；
S2：计算各频段系数修改后对应块能量变化量，得到各DCT系数修改后对应的块能量变化量；
S3：考虑邻近子块能量值，得到隐写失真代价函数；
S4：将失真代价函数与矩阵编码相结合，提高隐写安全性。
优选地，步骤S1中，具体包括以下步骤：
S1.1：读取原始JPEG载体图像量化后的DCT系数，将每一个8×8子块解压到空域，得到各子块对应的空域像素值，计算每个子块的空域像素值的标准差作为块能量，一副有M×N个DCT系数的JPEG图像由M×N/64个DCT子块组成，用符号Dmn表示第m行第n列的子块能量，其中0≤m≤M/8-1；0≤n≤N/8-1，对每一个8×8子块的空域像素值取绝对值后求标准差，即得到第m行第n列的子块能量Dmn；
S1.2：运用反锐化掩膜法(USM)对大小为M×N的原始JPEG载体图像在空域进行锐化，先做高斯模糊(半径可调)，提取低频成分，然后把原始图像减去低频成分获得高频成分(间接提取高频)，再对高频成分与阈值(阈值可调)比较，比阈值大的才进行增强(提高抗噪声性能)，从而提取细节，然后对细节进行一定的增强(增益可调)，最后把增强的细节叠加到原始图像中，得到原始图像在空域的增强图像；如图2所示为将BOSS图像库压缩为质量因子为75的JPEG原始图像库中任选一幅载体图像，图3所示为图2运用反锐化掩膜法(USM)在空域锐化后的增强图像；
S1.3：运用Canny边缘检测法检测上述得到的增强图像在空域中的边缘信息，如图4所示为图3所示增强图像的Canny边缘检测的边缘信息图，将提取的为边缘信息的像素点标为1，非边缘的像素点标为0，得到M×N的边缘信息标记图，将该图划分为一个个8×8子块，计算每个8×8子块中标为1的个数，将第m行第n列的子块中标为1的个数记为sm，n；
S1.4：根据载体图像的增强图像的边缘信息，即每个子块的sm，n值，调整每个子块的块能量大小，根据S1.3中提取的边缘信息，sm，n值越大，该子块纹理越复杂，子块能量越大，经过大量实验，得到修正后的各子块能量值D′m，n，即D′m，n＝Dm，n×(sm，n α+1)，设参数α＝0.9。
优选地，步骤S1.1中，将每一个8×8子块解压到空域的步骤包括反量化、IDCT变换和取整。
优选地，步骤S2中，具体包括以下步骤：
S2.1：考虑各子块中不同频段的DCT系数修改对块能量造成的影响，依据DCT系数的修改在空域表现出的统计特性，在度量隐写失真时，使图像隐写时优先考虑对块能量造成变化量小的频段系数，同时兼顾隐写术的高效性，对每个子块同一频段的系数都设同样的块能量变化量δ，可得到每个DCT系数修改后对应的块能量变化量δij，其中，0≤i≤M-1，0≤j≤N-1，δij计算如下：
JPEG图像系数用符号x表示，xk，l(k，l∈{0，...，7})表示第m行第n列的子块中第k行第l列的DCT系数，当xk，l进行+1或-1的修改时，由于系数处于不同频段，因而对该子块块能量影响程度也不一样，创建8×8各系数均为0的子块，把第k行第l列的位置设为1，对该位置进行反量化、IDCT变换和取整操作后，将得到的像素值取绝对值后求标准差记为qk，l(k，l∈{0，...，7})，将qk，l做复制和平铺处理，得到M×N的δij，所有子块中相同频段的δ值相同；
S2.2：对离群系数作处理，当DCT系数进行修改时，如果两个系数处于不同子块的同一频段，则倾向于修改DCT系数绝对值更大的系数，通过大量的实验，我们得到了较好的实现方法，当交流系数|xi，j|≥8时，令块能量的变化量大小为δ’ij＝δij/|xi，j|0.2，得到修正的
优选地，步骤S3中，具体包括以下步骤：
S3.1：除了考虑系数所在子块，我们还需要考虑其邻近子块的块能量，通过大量实验，我们找到了相对较好的当前块能量与邻近子块能量的比例关系，并定义D″m，n，作为当前块能量的度量，即其中：
0≤m≤M/8-1，0≤n≤N/8-1；
若子块处于图像边缘，则缺少的邻近子块的块能量取当前子块能量值；
S3.2：结合以上，失真函数设计如下：
优选地，步骤S4中，根据密钥产生伪随机数，对DCT系数和秘密信息的顺序进行打乱，根据代价值ρij使用STC编码进行嵌入，得到修改后的DCT系数，将修改后的DCT系数保存为隐写后的图像。
本发明方法的原理如下：
本发明方法基于JPEG图像的空域统计分布特性设计隐写失真代价函数。首先依据人的视觉感官系统的特性，在度量DCT系数修改带来的失真代价值时，对图像纹理较为复杂、处于边缘的区域进行修改；其次依据DCT系数的修改在空域表现出的统计特性，即对所在频段的DCT系数的修改带来纹理复杂度变化量较小、同时系数绝对值较大的DCT系数赋予更小的失真代价值。
下面给出利用本发明方法的一些实验结果:
实验选取BOSS数字图像库中的10000幅大小为512×512的灰度图，并将其压缩为质量因子为75的JPEG图像作为原始载体JPEG图像集。选定四种不同的嵌入率，分别是0.1bpnc、0.2bpnc、0.3bpnc、0.4bpnc，对10000幅原始载体JPEG图像集进行信息嵌入。为了测试本发明方法的安全性，针对每一种情况，我们分别采用CF、DCTR、GFR等通用隐写分析特征工具提取待检测图像中的特征，一半样本作为训练集，另一半样本作为测试集，采用Ensemble集成分类器进行训练测试，下表1列出了各种情况下隐写图像的检测率，以10次平均检测错误率(Testing error)来表示测试结果。由表1实验结果可知，本发明方法具有较高的隐写安全性。
表1
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于空域特性的JPEG图像自适应隐写方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：对JPEG载体图像做预处理，基于空域统计分布特性，计算每个子块在空域的块能量；
S2：计算各频段系数修改后对应块能量变化量，得到各DCT系数修改后对应的块能量变化量；
S3：考虑邻近子块能量值，得到隐写失真代价函数；
S4：将失真代价函数与矩阵编码相结合，提高隐写安全性。
2.根据权利要求1所述的基于空域特性的JPEG图像自适应隐写方法，其特征在于，步骤S1中，具体包括以下步骤：
S1.1：读取原始JPEG载体图像量化后的DCT系数，将每一个8×8子块解压到空域，得到各子块对应的空域像素值，计算每个子块的空域像素值的标准差作为块能量，一副有M×N个DCT系数的JPEG图像由M×N/64个DCT子块组成，用符号Dmn表示第m行第n列的子块能量，其中0≤m≤M/8-1；0≤n≤N/8-1，对每一个8×8子块的空域像素值取绝对值后求标准差，即得到第m行第n列的子块能量Dmn；
S1.2：运用反锐化掩膜法对大小为M×N的原始JPEG载体图像在空域进行锐化，先做高斯模糊，提取低频成分，然后把原始图像减去低频成分获得高频成分，再对高频成分与阈值比较，比阈值大的才进行增强，从而提取细节，然后对细节进行一定的增强，最后把增强的细节叠加到原始图像中，得到原始图像在空域的增强图像；
S1.3：运用Canny边缘检测法检测上述得到的增强图像在空域中的边缘信息，将提取的为边缘信息的像素点标为1，非边缘的像素点标为0，得到M×N的边缘信息标记图，将该图划分为一个个8×8子块，计算每个8×8子块中标为1的个数，将第m行第n列的子块中标为1的个数记为sm，n；
S1.4：根据载体图像的增强图像的边缘信息，即每个子块的sm，n值，调整每个子块的块能量大小，根据S1.3中提取的边缘信息，sm，n值越大，该子块纹理越复杂，子块能量越大，经过大量实验，得到修正后的各子块能量值D′m，n，即D′m，n＝Dm，n×(sm，nα+1)，设参数α＝0.9。
3.根据权利要求2所述的基于空域特性的JPEG图像自适应隐写方法，其特征在于，步骤S1.1中，将每一个8×8子块解压到空域的步骤包括反量化、IDCT变换和取整。
4.根据权利要求2所述的基于空域特性的JPEG图像自适应隐写方法，其特征在于，步骤S2中，具体包括以下步骤：
S2.1：对每个子块同一频段的系数都设同样的块能量变化量δ，可得到每个DCT系数修改后对应的块能量变化量δij，其中，0≤i≤M-1，0≤j≤N-1，δij计算如下：
JPEG图像系数用符号x表示，xk，l(k，l∈{0，...，7})表示第m行第n列的子块中第k行第1列的DCT系数，当xk，l进行+1或-1的修改时，由于系数处于不同频段，因而对该子块块能量影响程度也不一样，创建8×8各系数均为0的子块，把第k行第1列的位置设为1，对该位置进行反量化、IDCT变换和取整操作后，将得到的像素值取绝对值后求标准差记为qk，l(k，l∈{0，...，7})，将qk，l做复制和平铺处理，得到M×N的δij，所有子块中相同频段的δ值相同；
S2.2：对离群系数作处理，当DCT系数进行修改时，如果两个系数处于不同子块的同一频段，则倾向于修改DCT系数绝对值更大的系数，当交流系数|xi，j|≥8时，令块能量的变化量大小为δ’ij＝δij/|xi，j|0.2，得到修正的
5.根据权利要求4所述的基于空域特性的JPEG图像自适应隐写方法，其特征在于，步骤S3中，具体包括以下步骤：
S3.1：定义D″m，n，作为当前块能量的度量，即
其中：
0≤m≤M/8-1，0≤n≤N/8-1；
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若子块处于图像边缘，则缺少的邻近子块的块能量取当前子块能量值；
S3.2：结合以上，失真函数设计如下：
6.根据权利要求1所述的基于空域特性的JPEG图像自适应隐写方法，其特征在于，步骤S4中，根据密钥产生伪随机数，对DCT系数和秘密信息的顺序进行打乱，根据代价值ρij使用STC编码进行嵌入，得到修改后的DCT系数，将修改后的DCT系数保存为隐写后的图像。
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