CN108335257A - 一种基于图像放大策略的二值图像可逆信息隐藏方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数字取证、信息安全的领域，更具体地，涉及一种基于图像放大策略的二值图像可逆信息隐藏方法，该方法够实现在信息提取后无损地恢复原始图像。利用十字形模式块来放大原图以达到可逆信息隐藏的目的，通过对32种十字形模式块进行分析并分类，并选择合适的模式块作为参考模式块，以得到视觉质量较好的参考图；在确定参考模式块后，分析原图中以每个像素点为中心的十字形模式块类型，采用设计的放大策略，将每个像素点放大成为一个2×2的块，得到参考图；最后采用一种块内可翻转像素的选择策略，翻转像素点，进行信息的嵌入。发明可用于信息安全特别是二值图像秘密信息传输方面。

Description

一种基于图像放大策略的二值图像可逆信息隐藏方法

技术领域

本发明涉及属于数字取证、信息安全的领域，更具体地，涉及一种基于图像放大策略的二值图像可逆信息隐藏方法。

背景技术

现有随着互联网的普及、通信和计算机技术的飞速发展，信息传播途径变得越来越广泛，而信息保密变得非常重要，收发双方希望能够秘密地进行信息交流。出于对信息保密即安全性的考虑，人们提出了各种各样的信息隐藏技术来传输信息，这些技术大部分是以多媒体载体，如音频、视频、图像等作为载体，然后在载体上嵌入秘密信息，在公共信道上传播。图像相比音频、视频等，使用频率更高，传播速度更快，因此常被用作信息隐藏的载体。而相较于彩色图像和灰度图像，二值图像的结构更简单、所占空间更小、传播速率更快，被广泛应用于传真通信、数字签名等应用中。因此，研究以二值图像为载体的信息隐藏技术是一个非常重要的工作。

图像信息隐藏是将秘密信息嵌入到图像载体中，然后生成一张隐写图像，用于公共信道传输。与灰度图像和彩色图像不同，二值图像是只有“0”和“1”两个值的图像，在二值图像中进行信息隐藏需要通过翻转像素点实现，目前二值图像信息隐藏方法根据对可翻转像素点的选择方法，具体可以分为两大类：一类是基于翻转像素点扰动度量的二值图像信息隐藏方法，例如基于扰动失真度量的嵌入位置选择方法，这类方法通过评估每个像素点翻转带来的视觉失真影响，得到每个像素点的翻转分数，根据分数高低来嵌入信息，还有基于图像边缘像素点的嵌入位置选择方法，这类方法通过跟踪图像边缘位置或者像素块的连通性来得到边缘像素点，然后进行信息嵌入。另一类是基于可翻转像素点定位的二值图像信息隐藏方法，例如基于自适应的边缘网格的方法来跟踪图像中的所有边缘位置，尽可能多地找到图像中所有的边缘点，特别是位于“l-shape”模式的中心像素点。

可逆信息隐藏技术是指在提取信息后能够无损地恢复原图。上述的方法通常都是不可逆的，现有的可逆方法主要是基于游程的可逆信息隐藏方法，该类方法是通过找到一对直方图对来进行数据嵌入，方法简单容易实现，但是嵌入容量不高，还有基于模式替换的方法，来提高嵌入容量，但是需要记录的辅助信息较多，需要记录边界图像中所有PF模式的位置坐标。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于图像放大策略的二值图像可逆信息隐藏方法，该方法不需要记录额外的辅助信息，只需要双方约定一个秘钥，方法简单。

为解决上述问题，本发明提供的技术方案为：一种基于图像放大策略的二值图像可逆信息隐藏方法，其中，包括以下步骤：

S1.放大图像，输入原始图像X，其大小为W×H，使用图像放大策略将图像放大，得到大小为2W×2H的参考图RX；该大小已经足够满足算法的要求，在本发明中，原图也被放大为2W×2H，得到参考图RX。如果要放大得更大，一方面可能会影响在信道上传输的效率，另一方面需要另外设计新的算法提高嵌入容量；

S2.分块，根据放大策略和基于块嵌入的策略，同时为了保证嵌入率，将参考图RX分为非重叠的2×2的块；

S3.选择并置乱，全黑或全白块(块内像素值全为0或1)中翻转像素值对视觉质量会有明显的影响，选择所有的非全黑或非全白块组成一个块序列S，使用一个随机序列用做密钥K去置乱块序列S，得到一个新的序列S₁；

S4.嵌入秘密信息，对S₁中的每一块使用一种块内可翻转像素的选择策略，选择嵌入的位置，通过翻转可嵌入位置的像素点将秘密信息M的比特嵌入到块中，嵌入完成后得到嵌入秘密信息的块序列S₂；

S5.反置乱，使用步骤S3中的密钥K对快序列S₂进行反置乱，得到新的序列S₃；

S6.生成隐写图Y，扫描参考图RX和块序列S₃，用S₃中的块去替换RX中的非全黑和非全白块，得到最终的隐写图Y，大小为2W×2H。

进一步地，所述的S1步骤包括：

S11.选择参考模式块，为了放大图像，本发明利用的是模式块，因此首先需要确定参考模式块的类型，选择十字型的模式块，表示为：

TC_i，j＝{I_c，I₀，I₁，I₂，I₃}

其中，I_c表示的是中心像素点，I₀到I₃表示的分别是I_c周围上右下左四邻域像素点；

模式块作为纹理描述子，通常可以利用它们的一些不变性来对进行纹理分类，例如旋转，求补和镜像等不变性，对于十字形模式块，镜像模式块可以由旋转得到，如果模式块是互补的模式块也不适合分为一类，因此引入旋转不变性来分类十字形模式块；

S12.旋转不变性具有相同的Vn和Vr值，按照具有旋转不变性和相同的中心像素值进行分类，十字形模式块共有5个像素，则共有32种十字形模式块，将32种十字形模式块分为12类别，根据可逆性、嵌入容量、视觉质量选择其中的两个模式块A1和A2，其中，A1和A2嵌入容量大，放大后图像视觉质量好，则有三种策略，分别以A1、A2和A1+A2为参考模式块；Vn表示的是四邻域中与中心像素点值相同的像素点的个数，Vr表示旋转的特性；Vr_i,j、Vn_i,j分别表示以(i,j)为中心的十字形模式块的Vr、Vn值，计算公式为：

其中表示I+1，表示异或操作，“·”表示逻辑与操作；

S13.放大图像，为了将图像放大为2H×2W，原图中的每个像素点放大为2×2的块；I_ck表示的是2×2块从左上角顺时针转的四个像素点；为了确定块中的像素值，针对每种策略，像素值的确定方法如下：

以A1为参考模式块，扫描原图中的每个像素点来放大原图，如果以扫描的每个像素点为中心的十字形模式块类型为参考模式块A1，则I_ck由原图中相邻的两个像素点I_k和I_(k+3)mod4决定，如果该模式块类型不是所选的参考模式块类型A1，则I_ck由该点本身决定，计算公式为：

以A2为参考模式块，如果以像素点为中心的十字形模式块类型为参考模式块A2，则I_ck由原图中相邻的两个像素点I_k和I_(k+3)mod4决定，如果该模式块类型不是所选的参考模式块类型A2，则I_ck由该点本身决定，I_ck计算公式为：

以A1+A2为参考模式块，I_ck由原图中相邻的两个像素点I_k和I_(k+3)mod4决定，否则I_ck由该点本身决定，I_ck计算公式为：

当两种模式块一起作为参考模式块时，使用公式计算得到的2×2块类型相同，这样在恢复原图时，无法辨别该块对应的原像素点是0还是1，因此为了保证可逆性，需要将中心点像素保存在放大的块中，可以选取由值不同的I_k和I_(k+3)mod4计算得到的I_ck中。

通过以上步骤，得到一种基于模式块的放大二值图像的方法，通过该方法可以得到视觉质量较好的放大图(参考图)。另外在提取信息时，根据放大图像时采用的策略，原始像素值也很容易确定，从而保证可逆性。

进一步地，所述的S4步骤包括：

S41.以A1为参考模式块，一个2×2块中可以嵌入2比特，在得到由非全黑或非全白的2×2块组成的块序列后，为了保证可逆性和视觉质量，由值相同的I_k和I_(k+3)mod4计算得到的I_ck将不用作嵌入点，保证像素间的连续性，剩下的两个点则用作嵌入点嵌入秘密信息；

S42.以A2为参考模式块，同样地，以单个模式块A2作为参考模式块时，在得到由非全黑或非全白的2×2块组成的块序列后，由值相同的I_k和I_(k+3)mod4计算得到的I_ck将不用作嵌入点，剩下的两个点用作嵌入点嵌入秘密信息；

S43.以A1+A2为参考模式块，将中心点像素保存在放大的块中，每个块序列中的每个2×2块均只能嵌入1比特，由值相同的I_k和I_(k+3)mod4计算得到的I_ck将不用作嵌入点，保存中心像素的点也不用作嵌入点，将剩下的一个点用来嵌入秘密信息。

通过以上步骤，得到针对三种放大策略的对应的块内可翻转像素的选择方法，通过该方法可以得到视觉质量较好的隐写图。在使用单个模式块作为参考模式块时，每块可嵌入2比特，当两种模式均用作参考模式块时，每块嵌入1比特，确保了一定的嵌入容量。

本发明提出一种基于图像放大策略的二值图像可逆信息隐藏方法，该方法够实现在信息提取后无损地恢复原始图像。利用十字形模式块来放大原图以达到可逆信息隐藏的目的，通过对32种十字形模式块进行分析并分类，并选择合适的模式块作为参考模式块，以得到视觉质量较好的参考图；在确定参考模式块后，分析原图中以每个像素点为中心的十字形模式块类型，采用设计的放大策略，将每个像素点放大成为一个2×2的块，得到参考图；最后采用一种块内可翻转像素的选择策略，翻转像素点，进行信息的嵌入，本发明可用于信息安全特别是二值图像秘密信息传输方面。

与现有技术相比，有益效果是：本发明提供的一种基于图像放大策略的二值图像可逆信息隐藏方法，不需要记录额外的辅助信息，只需要双方约定一个秘钥，方法简单，该方法首先输入一张二值图像，然后通过一种图像放大方法放大该二值图像，得到放大后的图，称为参考图，保证可逆性和嵌入容量，然后通过一种块内像素选择策略嵌入秘密信息，保证隐写图像的视觉质量。

附图说明

图1为本发明方法流程图。

图2为本发明十字形模式块示意图。

图3为本发明32种十字形模式块分类的结果图。

图4为本发明分别采用基于A1，A2，A1+A2三种策略时原图，原图截图以及参考图截图的对比图。

图5为本发明分别采用基于A1，A2，A1+A2三种策略时对选取图库中6种类型各一张图统计的最大嵌入容量结果。

图6为本发明分别采用基于A1，A2，A1+A2三种策略时三种策略下得到的参考图和嵌入600比特时的隐写图像。

图7为本发明分别采用基于A1，A2，A1+A2三种策略时在RLCM隐写攻击下的实验结果图。

图8为本发明分别采用基于A1，A2，A1+A2三种策略时在PMMTM隐写攻击下的实验结果图。

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；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；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。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

如图1所示，一种基于图像放大策略的二值图像可逆信息隐藏方法，其中，包括以下步骤：

步骤1.放大图像，输入原始图像X，其大小为W×H，使用图像放大策略将图像放大，得到大小为2W×2H的参考图RX；该大小已经足够满足算法的要求，在本发明中，原图也被放大为2W×2H，得到参考图RX。如果要放大得更大，一方面可能会影响在信道上传输的效率，另一方面需要另外设计新的算法提高嵌入容量；具体步骤包括：

S11.选择参考模式块，为了放大图像，本发明利用的是模式块，因此首先需要确定参考模式块的类型，选择十字型的模式块，如图2所示，表示为：

TC_i，h＝{I_c，I₀，I₁,I₂，I₃}

其中，I_c表示的是中心像素点，I₀到I₃表示的分别是I_c周围上右下左四邻域像素点；

模式块作为纹理描述子，通常可以利用它们的一些不变性来对进行纹理分类，例如旋转，求补和镜像等不变性，对于十字形模式块，镜像模式块可以由旋转得到，如果模式块是互补的模式块也不适合分为一类，因此引入旋转不变性来分类十字形模式块；

S12.旋转不变性具有相同的Vn和Vr值，按照具有旋转不变性和相同的中心像素值进行分类，十字形模式块共有5个像素，则共有32种十字形模式块，如图3所示，将32种十字形模式块分为12类别，根据可逆性、嵌入容量、视觉质量选择其中的两个模式块A1和A2，其中，A1和A2嵌入容量大，放大后图像视觉质量好，则有三种策略，分别以A1、A2和A1+A2为参考模式块；Vn表示的是四邻域中与中心像素点值相同的像素点的个数，Vr表示旋转的特性；Vr_i,j、Vn_i,j分别表示以(i,j)为中心的十字形模式块的Vr、Vn值，计算公式为：

其中表示I+1，表示异或操作，“·”表示逻辑与操作；

S13.放大图像，为了将图像放大为2H×2W，原图中的每个像素点放大为2×2的块；I_ck表示的是2×2块从左上角顺时针转的四个像素点；为了确定块中的像素值，针对每种策略，像素值的确定方法如下：

以A1为参考模式块，扫描原图中的每个像素点来放大原图，如果以扫描的每个像素点为中心的十字形模式块类型为参考模式块A1，则I_ck由原图中相邻的两个像素点I_k和I_(k+3)mod4决定，如果该模式块类型不是所选的参考模式块类型A1，则I_ck由该点本身决定，计算公式为：

以A2为参考模式块，如果以像素点为中心的十字形模式块类型为参考模式块A2，则I_ck由原图中相邻的两个像素点I_k和I_(k+3)mod4决定，如果该模式块类型不是所选的参考模式块类型A2，则I_ck由该点本身决定，I_ck计算公式为：

以A1+A2为参考模式块，则I_ck由原图中相邻的两个像素点I_k和I_(k+3)mod4决定，否则I_ck由该点本身决定，I_ck计算公式为：

当两种模式块一起作为参考模式块时，使用公式计算得到的2×2块类型相同，这样在恢复原图时，无法辨别该块对应的原像素点是0还是1，因此为了保证可逆性，需要将中心点像素保存在放大的块中，可以选取由值不同的I_k和I_(k+3)mod4计算得到的I_ck中。

如图4所示是基于三种模式块下对左图进行放大得到参考图后的结果图，从左到右分别是原图，原图截取部分图和参考图同样位置的截取部分图。

步骤2.分块，根据放大策略和基于块嵌入的策略，同时为了保证嵌入率，将参考图RX分为非重叠的2×2的块；

步骤3.选择并置乱，全黑或全白块(块内像素值全为0或1)中翻转像素值对视觉质量会有明显的影响，选择所有的非全黑或非全白块组成一个块序列S，使用一个随机序列(长度与选择的块的个数相同)用做密钥K去置乱块序列S，得到一个新的序列S₁；

步骤4.嵌入秘密信息，对S₁中的每一块使用一种块内可翻转像素的选择策略，选择嵌入的位置，通过翻转可嵌入位置的像素点将秘密信息M的比特嵌入到块中，嵌入完成后得到嵌入秘密信息的块序列S₂；

其中，块内可翻转像素的选择策略的处理如下：

针对每种放大策略，采用不同的块内可翻转像素点的选择策略：

S41.以A1为参考模式块，以单个模式块A1作为参考模式块时，为了提高容量，一个2×2块中可以嵌入2比特。在得到由非全黑或非全白的2×2块(块内像素值非全0或1)组成的块序列后，为了保证可逆性和视觉质量，由值相同的I_k和I_(k+3)mod4计算得到的I_ck将不会用作嵌入点，保证像素间的连续性，剩下的两个点则可以用作嵌入点嵌入秘密信息；

S42.以A2为参考模式块，同样地，以单个模式块A2作为参考模式块时。在得到由非全黑或非全白的2×2块组成的块序列后，由值相同的I_k和I_(k+3)mod4计算得到的I_ck将不会用作嵌入点，剩下的两个点用作嵌入点嵌入秘密信息；

S43.以A1+A2为参考模式块，当A1和A2同时被作为参考模式块时，使用公式计算得到的2×2块类型相同，这样在恢复原图时，无法辨别该块对应的原像素点是0还是1，因此为了保证可逆性，需要将中心点像素保存在放大的块中，这样每个块序列中的每个2×2块均只能嵌入1比特，由值相同的I_k和I_(k+3)mod4计算得到的I_ck将不会用作嵌入点，保存中心像素的点也不能用作嵌入点，剩下的一个点则被用来嵌入秘密信息。

步骤5.反置乱，使用步骤S3中的密钥K对快序列S₂进行反置乱，得到新的序列S₃；

步骤6.生成隐写图Y，扫描参考图RX和块序列S₃，用S₃中的块去替换RX中的非全黑和非全白块，得到最终的隐写图Y，大小为2W×2H。

如图5所示的是，在BIVC图库中选取Cartoon，CAD，Texture，Mask，HandWriting，Document六类二值图像各一张统计的最大嵌入容量结果。从该图可知，三种策略下，嵌入容量除Mask类型外均比较高，Mask图像由于模式类型大部分为全黑全白型的，导致嵌入容量会偏低一点。

图6为三种策略下得到的参考图和以及嵌入600比特时的隐写图像。从该图可知，三种策略下，得到的隐写图像视觉质量上均比较好，人眼难以察觉到改变。

图7和图8在三种嵌入策略下，在BLVC图库中5000张图选出最少能嵌入600比特的参考图，进行信息嵌入得到隐写图，然后分别在RLCM(100维)和PMMTM(320维)隐写分析攻击下安全性分析，图中P_E表示隐写分析的错误率。从该图可知，三种策略下，抗隐写分析安全性不是很高，这是由于可逆信息隐藏重点主要是在于提取数据和恢复原图，所以相对地会牺牲安全性，这也是值得进一步研究的问题。

本发明提出一种基于图像放大策略的二值图像可逆信息隐藏方法，该方法够实现在信息提取后无损地恢复原始图像。利用十字形模式块来放大原图以达到可逆信息隐藏的目的，通过对32种十字形模式块进行分析并分类，并选择合适的模式块作为参考模式块，以得到视觉质量较好的参考图；在确定参考模式块后，分析原图中以每个像素点为中心的十字形模式块类型，采用设计的放大策略，将每个像素点放大成为一个2×2的块，得到参考图；最后采用一种块内可翻转像素的选择策略，翻转像素点，进行信息的嵌入，本发明可用于信息安全特别是二值图像秘密信息传输方面。

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)

1.一种基于图像放大策略的二值图像可逆信息隐藏方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.放大图像，输入原始图像X，其大小为W×H，使用图像放大策略将图像放大，得到大小为2W×2H的参考图RX；

S2.分块，将参考图RX分为非重叠的2×2的块；

S3.选择并置乱，选择所有的非全黑或非全白块组成一个块序列S，使用一个随机序列用做密钥K去置乱块序列S，得到一个新的序列S₁；

S4.嵌入秘密信息，对S₁中的每一块使用一种块内可翻转像素的选择策略，选择嵌入的位置，通过翻转可嵌入位置的像素点将秘密信息M的比特嵌入到块中，嵌入完成后得到嵌入秘密信息的块序列S₂；

S5.反置乱，使用步骤S3中的密钥K对快序列S₂进行反置乱，得到新的序列S₃；

S6.生成隐写图Y，扫描参考图RX和块序列S₃，用S₃中的块去替换RX中的非全黑和非全白块，得到最终的隐写图Y，大小为2W×2H。

2.根据权利要求1所述的一种基于图像放大策略的二值图像可逆信息隐藏方法，其特征在于，所述的S1步骤包括：

S11.选择参考模式块，选择十字型的模式块，表示为：

TC_i，h＝{I_c，I₀，I₁，I₂，I₃}

其中，I_c表示的是中心像素点，I₀到I₃表示的分别是I_c周围上右下左四邻域像素点；

S12.旋转不变性具有相同的Vn和Vr值，按照具有旋转不变性和相同的中心像素值进行分类，十字形模式块共有5个像素，则共有32种十字形模式块，将32种十字形模式块分为12类别，根据可逆性、嵌入容量、视觉质量选择其中的两个模式块A1和A2，其中，A1和A2嵌入容量大，放大后图像视觉质量好，则有三种策略，分别以A1、A2和A1+A2为参考模式块；Vn表示的是四邻域中与中心像素点值相同的像素点的个数，Vr表示旋转的特性；Vr_i,j、Vn_i,j分别表示以(i,j)为中心的十字形模式块的Vr、Vn值，计算公式为：

其中表示I+1，表示异或操作，“·”表示逻辑与操作；

S13.放大图像，为了将图像放大为2H×2W，原图中的每个像素点放大为2×2的块；I_ck表示的是2×2块从左上角顺时针转的四个像素点；为了确定块中的像素值，针对每种策略，像素值的确定方法如下：

以A1为参考模式块，扫描原图中的每个像素点来放大原图，如果以扫描的每个像素点为中心的十字形模式块类型为参考模式块A1，则I_ck由原图中相邻的两个像素点I_k和I_(k+3)mod4决定，如果该模式块类型不是所选的参考模式块类型A1，则_Ick由该点本身决定，计算公式为：

以A2为参考模式块，如果以像素点为中心的十字形模式块类型为参考模式块A2，则I_ck由原图中相邻的两个像素点I_k和I_(k+3)mod4决定，如果该模式块类型不是所选的参考模式块类型A2，则I_ck由该点本身决定，I_ck计算公式为：

以A1+A2为参考模式块，I_ck由原图中相邻的两个像素点I_k和I_(k+3)mod4决定，否则I_ck由该点本身决定，I_ck计算公式为：

3.根据权利要求2所述的一种基于图像放大策略的二值图像可逆信息隐藏方法，其特征在于，所述的S4步骤包括：

S41.以A1为参考模式块，一个2×2块中可以嵌入2比特，在得到由非全黑或非全白的2×2块组成的块序列后，为了保证可逆性和视觉质量，由值相同的I_k和I_(k+3)mod4计算得到的I_ck将不用作嵌入点，保证像素间的连续性，剩下的两个点则用作嵌入点嵌入秘密信息；

S42.以A2为参考模式块，同样地，以单个模式块A2作为参考模式块时，在得到由非全黑或非全白的2×2块组成的块序列后，由值相同的I_k和I_(k+3)mod4计算得到的I_ck将不用作嵌入点，剩下的两个点用作嵌入点嵌入秘密信息；

S43.以A1+A2为参考模式块，将中心点像素保存在放大的块中，每个块序列中的每个2×2块均只能嵌入1比特，由值相同的I_k和I_(k+3)mod4计算得到的I_ck将不用作嵌入点，保存中心像素的点也不用作嵌入点，将剩下的一个点用来嵌入秘密信息。