CN108009975B - 基于二维直方图修改的jpeg图像可逆信息隐藏方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于二维直方图修改的JPEG图像可逆信息隐藏方法，通过解码产生DCT系数；将量化的系数分成对，构建二维直方图；根据嵌入信息长度计算阈值Th，根据自适应选择JPEG图像嵌入信息的最佳频段计算阈值Tp；通过二维直方图映射方式，将可逆信息嵌入在阈值范围内的系数。本发明方法隐藏了嵌入信息，维持原始JPEG图像的文件大小，保证在嵌入信息后无损恢复原始JPEG图像。

Description

基于二维直方图修改的JPEG图像可逆信息隐藏方法
技术领域
本发明属于多媒体信息安全领域，尤其是涉及一种新型二维直方图映射可逆信息隐藏方法。
背景技术
信息隐藏属于一种新兴信息安全技术，它是将信息秘密嵌入到多媒体载体的过程，具有极其重要的理论研究与实际应用价值，但在一些应用场合如医学诊断、法庭举证、艺术作品中，不仅需要嵌入信息对原始载体进行保护，还要能无损地恢复原始载体。可逆信息隐藏技术的目的在于能够将原始载体从含密载体中无损恢复，同时能准确地提取秘密信息，其研究主要应用在隐秘通信、版权保护、多媒体篡改取证、云服务器认证和管理等诸多领域。
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，但大多数是基于空域图像的算法，而JPEG图像格式在日常生活中应用广泛，对其隐藏算法的创新与优化具有重大意义。
发明内容
本发明为基于二维直方图修改的JPEG图像可逆信息隐藏方法，在现有空域图像类算法的基础上，本发明提供高分辨率、大尺寸图像的信息的嵌入和加密，以及图像的无损恢复。
本发明的技术方案为：
一种基于二维直方图修改的JPEG图像可逆信息隐藏方法，包括以下步骤：
S1：将原始JPEG图像进行熵解码得到量化的DCT系数，对于每一个8*8块，将量化的DCT系数分为32对，舍弃第一对，构造基于DCT系数的二维直方图；
S2：计算每个8*8块中零系数个数，根据所嵌入秘密信息的长度确定阈值Th，自适应选择JPEG图像嵌入信息的最佳频段，其最佳频段阈值设为Tp；
S3：当该块中零系数个数不小于阈值Th，所处频段小于阈值Tp的DCT系数对用来嵌入信息，将辅助信息与秘密信息通过构造的二维直方图映射方式一起嵌入到JPEG图像中；
S4：在所有信息被嵌入后，将DCT系数进行熵编码得到含秘JPEG图像。
优选地，步骤S2中，自适应选择主要通过以下方法实现：
计算每个8*8块中零系数的个数N，选择零系数大于Th的块用来嵌入秘密信息，Th为预设的零系数阈值，根据待嵌信息的容量设定一个阈值Th：
当N<Th时，该块不嵌入信息，DCT系数对不作改动；
当N>＝Th时，该块被选中，并在选中的块中继续优先选择低频段的系数对，按照Zig-zag顺序扫描DCT系数，第一对DC系数与AC1系数跳过，从AC2系数开始至AC63系数中选择最佳频段的系数对，其阈值设为Tp，在阈值范围内的系数对都被选来进行二维直方图平移，处于其他频段的系数对不作改动。由此保证在修改信息时，在阈值Tp范围外的系数不被改动，图像在嵌入信息时无损。
优选地，所述Th的范围在0～62。该范围满足嵌入信息的长度范围。
优选地，所述Tp的范围在1～31。该范围为自适应选择JPEG图像嵌入信息的最佳频段。
优选地，步骤S3中，二维直方图映射方式通过以下方法实现：
二维直方图以平面直角坐标系的形式表达，其中c1为横轴，c2为纵轴；
系数对(c1,c2)的取值情况，其操作、修改方向、待嵌比特位b与改变后的值对应关系如表1所示：
表1
Figure GDA0003006563100000021
Figure GDA0003006563100000031
信息通过在二维直方图嵌入、平移和维持原位置的操作，被添加进DCT系数。
在提取信息时，执行该二维直方图映射的逆过程能够正确提取出嵌入的信息，并能无损恢复出原始JPEG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二维直方图修改的JPEG图像可逆信息隐藏方法，通过解码产生DCT系数；将量化的系数分成对，构建二维直方图；根据嵌入信息长度计算阈值Th，根据自适应选择JPEG图像嵌入信息的最佳频段计算阈值Tp；通过二维直方图映射方式，将可逆信息嵌入在阈值范围内的系数。本发明方法隐藏了嵌入信息，维持原始JPEG图像的文件大小，保证在嵌入信息后无损恢复原始JPEG图像。
附图说明
图1为本发明基于二维直方图修改的JPEG图像可逆信息隐藏方法的流程图；
图2为本发明基于二维直方图修改的JPEG图像可逆信息隐藏方法的二维直方图映射图；
图3为QF(质量因子)＝70的Lena图像嵌入信息的峰值信噪比统计实验结果图；
图4为QF(质量因子)＝70的Lena图像嵌入信息的尺寸增长统计实验结果图。
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；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
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。
如图1所示，本发明公开了基于二维直方图修改的JPEG图像可逆信息隐藏方法，且本实施例采用QF(质量因子)＝70的Lena图像作为载体图像，包括以下步骤：
S1：将原始JPEG图像进行熵解码得到量化的DCT系数，对于每一个8*8块，将量化的DCT系数分为32对，舍弃第一对，构造基于DCT系数的二维直方图。
由于第一对中包含DC系数，改变DC系数对图像的视觉质量有较大的影响，所以舍弃第一对系数，从第二对系数开始嵌入信息。
S2：将量化的8*8DCT系数块分为两部分，第一部分包含零系数个数N不小于阈值Th(Th的范围在0～62)的块，第二部分则是其余的块。假设第一部分的块中能够用来嵌入信息的容量为S，L是待嵌的秘密信息的总比特数，L1是表示L的位数，L2是表示Th的位数，那么阈值Th是在S大于等于L+L1+L2情况下的最大值。
对于上述提到的第一部分中的块，自适应优先选择低频段系数对用来嵌入信息，注意最低频段不一定是最佳频段。按照Zig-zag顺序扫描DCT系数，第一对DC系数与AC1系数跳过，从AC2系数开始至AC63系数中选择系数对，要在满足能够完整嵌入秘密信息的同时自适应选择最佳频段，其阈值设为Tp(Tp的范围在1～31)，L3是表示Tp的位数。
S3：按照顺序扫描每个8*8块，当该块中零系数个数N大于或等于阈值Th，则该块可以被利用，该块中所处频段小于阈值Tp的系数对用来嵌入信息，将辅助信息(L1+L2+L3+Th+Tp)与秘密信息(L)通过二维直方图映射方式嵌入到JPEG图像中。
具体地，如图2，为本发明方法中基于二维直方图修改的可逆信息隐藏方法的二维直方图映射图：
实心圆点表示用来嵌入信息，按照虚线箭头改变。其中{(-1,1),(1,1),(1,-1),(-1,-1)}有三个改变的方向，可以嵌入log23比特信息，其他的点嵌入1比特信息。空心圆点按照虚线箭头所示平移。
以系数对(1，1)为例，也就是图中实心圆点中的其中一个，该系数对可以嵌入log23比特信息，将秘密信息转为三进制比特流：
如果待嵌信息比特b＝0，系数对(1，1)保持不变；
如果待嵌信息比特b＝1，系数对的修改方向为“向右”，变为(2，1)；
如果待嵌信息比特b＝2，系数对的修改方向为“向上”，变为(1，2)。
当扫描中遇到的系数对为(3，1)时，该系数对可以嵌入1比特信息，将秘密信息转为二进制比特流：
如果待嵌信息比特b＝0，系数对的修改方向为“向右”，变为(4，1)；
如果待嵌信息比特b＝1，系数对的修改方向为“向上”，变为(3，2)。
其通常情况可以见表1二维直方图映射方式表。
S4：在所有信息被嵌入后，将系数进行熵编码得到含秘JPEG图像。
S5：接收方在收到携带有隐秘信息的图像后，提取信息、恢复原始图像的步骤如下：
首先将含秘JPEG图像熵解码得到量化的DCT系数，将每一个8*8块中量化的DCT系数分为32对，舍弃第一对。
从含秘JPEG图像中提取辅助信息(L1+L2+L3+Th+Tp)，按照如表2所示关系恢复系数对。
这一步，根据二维直方图映射的逆过程，8*8块中的零系数个数大于阈值Th的块，其频段小于阈值Tp的系数对进行信息提取，恢复过程如表2所示。
表2
Figure GDA0003006563100000061
待所有信息提取完毕后，对恢复的系数进行熵编码得到恢复的JPEG图像.由此，在提取出嵌入信息的同时无损地恢复出了原始图像。
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 (3)

1.一种基于二维直方图修改的JPEG图像可逆信息隐藏方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将原始JPEG图像进行熵解码得到量化的DCT系数，对于每一个8*8块，将量化的DCT系数分为32对，舍弃第一对，构造基于DCT系数的二维直方图；量化的DCT系数按照zig-zag顺序排列，一共有64个系数，其中第一个系数是DC系数，其他63个系数是AC系数，第一对系数是指(DC，AC1)；
S2：计算每个8*8块中零系数个数，根据所嵌入秘密信息的长度确定阈值Th，自适应选择JPEG图像嵌入信息的最佳频段，具体方法为：计算每个8*8块中的零系数个数，并记为N，根据N的大小来选择是否利用这个8*8块来嵌入信息，如果该块被选来嵌入信息，会舍弃(DC，AC1)这个系数对，从AC2系数开始至AC63系数中依次选择相应的系数对用来嵌入信息；
S3：当该块中零系数个数不小于阈值Th，所处频段小于阈值Tp的DCT系数对用来嵌入信息，将辅助信息与秘密信息通过构造的二维直方图映射方式一起嵌入到JPEG图像中；辅助信息包含L1，L2，L3，Tp，Th，其中L1表示待嵌入的秘密信息的总比特数L的位数，L3表示最佳频段阈值Tp的位数，L2表示包含零系数个数N不小于阈值Th的位数，Tp是指最佳频段阈值，其范围在1-31之间，Th是指零系数个数阈值，其范围在0-62之间；
S4：在所有信息被嵌入后，将DCT系数进行熵编码得到含秘JPEG图像。
2.根据权利要求1所述的基于二维直方图修改的JPEG图像可逆信息隐藏方法，其特征在于，步骤S2中，自适应选择主要通过以下方法实现：
计算每个8*8块中零系数的个数N，选择零系数大于Th的块用来嵌入秘密信息，Th为预设的零系数阈值，根据待嵌信息的容量设定一个阈值Th：
当N<Th时，该块不嵌入信息，DCT系数对不作改动；
当N>＝Th时，该块被选中，并在选中的块中继续优先选择低频段的系数对，按照Zig-zag顺序扫描DCT系数，第一对DC系数与AC1系数跳过，从AC2系数开始至AC63系数中选择最佳频段的系数对，其阈值设为Tp，在阈值范围内的系数对都被选来进行二维直方图平移，处于其他频段的系数对不作改动。
3.根据权利要求1所述的基于二维直方图修改的JPEG图像可逆信息隐藏方法，其特征在于，步骤S3中，二维直方图映射方式通过以下方法实现：
二维直方图以平面直角坐标系的形式表达，其中c1为横轴，c2为纵轴；
系数对(c1，c2)的取值情况，其操作、修改方向、待嵌比特位b与改变后的值对应关系如表1所示：
表1
Figure FDA0003006563090000021
信息通过在二维直方图嵌入、平移和维持原位置的操作，被添加进DCT系数。
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