CN108447492B - 一种基于分段的自适应直方图平移可逆信息隐藏方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于分段的自适应直方图平移可逆信息隐藏方法,首先将音频分为辅助段和嵌入段,对嵌入段进行分段;然后,构造辅助信息和包括秘密信息的待嵌信息,辅助信息先嵌入音频中;对嵌入段中的每个子段进行基值计算,构造子段直方图,将子段的每个元素与基值进行比对,进行平方图平移,进而将待嵌信息嵌入音频中,得到带有秘密信息的音频。本发明方案的优点在于,在保证信息被完全嵌入的情况下,每子段选取一对用于比较的基值提高了在音频上信息被嵌入的容量;音频的数值变化最多为一个单位,实现较好的听觉效果;嵌入秘密信息后的音频依然具有高信噪比。
Description
技术领域
本发明涉及多媒体信息安全领域,更具体地,涉及一种基于分段的自适应直方图平移可逆信息隐藏方法。
背景技术
目前,常用的音频可逆信息隐藏方法是将有用的秘密信息转换为二进制比特流隐藏于公开的音频文件上进行发送以及传输,但多数的信息隐藏算法都会对音频文件造成失真,隐藏的信息在被提取后失真无法恢复。而在某些实际的应用中,因嵌入信息而导致音频或者秘密信息失真是不可以接受的,譬如在数字音频作品的版权认证领域里,不仅所嵌入的信息意义重大,而且原始载体音频的恢复也是非常有必要的。
现有的可逆信息隐藏方案比如基于音频误差扩展的可逆信息隐藏方法面临两个问题,一是由于人耳听觉系统比较灵敏,随着嵌入信息量的大幅度增加,音频的听觉效果也随之下降,可以很轻易被辨认出嵌入了秘密信息,为相关应用领域带来了风险;第二个问题是针对某些采样频率不高的音频载体,现有的误差扩展方案在嵌入信息的容量上也有限。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的缺陷,提供一种基于分段的自适应直方图平移可逆信息隐藏方法。
为解决上述技术问题,本发明的技术方案如下:
一种基于分段的自适应直方图平移可逆信息隐藏方法,包括以下步骤:
S1.获取原始音频、密钥、秘密信息S和嵌入量EC;
其中,所述密钥的内容为十进制数或者任意字符串,用于指定一段音频中为辅助段的音频元素;
所述秘密信息S的内容为被转换为二进制流的文本或者图片;
S2.通过所述密钥从原始音频中随机选取一定长度的辅助段,剩余的均为嵌入段;
S3.设定分段阈值L的初始值,将所述嵌入段均分为N个长度为L的子段;
S4.将所述分段阈值L和嵌入量EC的信息组合为与辅助段的长度一致的辅助信息,并转换为二进制格式的辅助信息流X,将辅助段的最低有效位LSB的值与秘密信息S组合为待嵌信息M,将辅助信息流X的值依次替换辅助段的最低有效位LSB处的值;
S5.对嵌入段的每个子段均进行基值计算,从子段中选择第一元素数值p1和第二元素数值p2,从两者中比较出较大值和较小值,作为两个用于后续比较的基值,其中,较大值为max_p,较小值为min_p,比较的计算过程如下列公式所示:
max_p=max(p1,p2);
min_p=min(p1,p2);
S6.对嵌入段的每个子段均构造以max_p和min_p为嵌入点的子段直方图,顺序扫描子段中其他元素的数值p,判断p与max_p和min_p之间的关系并做出相应的变动,将待嵌信息M嵌入音频,得到携带秘密信息的音频。
上述的工作原理为:首先将原始音频分为辅助段和嵌入段,由给定的密钥随机选取,剩余的音频元素为嵌入段。设定分段阈值,将嵌入段均分出长度为分段阈值的子段;通过嵌入段获得嵌入量值,将分段阈值和嵌入量大小转换为二进制比特流,衔接在一起组合成辅助信息流,辅助信息流的长度与辅助段的长度一致,将辅助信息替换每个元素数值二进制形式里的最低位,同时将被替换掉的比特信息与需要隐藏的秘密信息衔接在一起组合成最后的秘密信息。然后,在嵌入段中的每子段里选择两个元素数值作为基值,将基值和子段中其他元素的数值进行比较并进行相应的改动,进而使秘密信息嵌入音频中。
优选地,所述步骤S2的辅助段长度为28。
优选地,所述步骤S4的分段阈值L信息为8位二进制,嵌入量EC信息为20位二进制,使分段阈值L和嵌入量EC的组合信息的长度与辅助段一致;
其中,所述分段阈值L的上限为100,嵌入量的上限为100000,8位和20位长度的二进制信息可分别完整记录分段阈值L和嵌入量EC的信息。
优选地,在所述步骤S6中,判断p与max_p和min_p之间的关系并做出相应的变动的具体过程用以下公式表示:
对p进行判断和处理,如果p大于max_p,则加1,实现右移;如果p小于min_p,则减1,实现左移;如果p同时小于max_p、大于min_p,则保持不变;如果p等于max_p,则判断此时秘密信息中待嵌入的比特数是否为1,如果是,则将此元素数值加1,否则保持不变;如果p等于min_p,判断此时待嵌入的比特数是否为1,如果是,则将此元素数值减1,否则保持不变;通过上述比较和修改方式,使子段直方图进行平移,在保证秘密信息嵌入的同时,由于上述平移方法保证了音频变化有限,进而保证了音频信号的听觉质量。
优选地,所述步骤S5的第一元素数值p1、第二元素数值p2分别为子段中间的元素数值、子段末尾的元素数值;由于所述两处的基值比较接近子段里其他元素的数值,从而可以嵌入更多的信息,不会由于分段而导致嵌入量降低,也同样保证能适合于低频率的音频。
与现有技术相比,本发明技术方案的有益效果是:
本发明是采用了基于子段直方图平移的方法,在保证信息被完全嵌入的情况下,每子段选取一对用于比较的基值提高了在音频上信息被嵌入的容量;
另一方面,在子段平方图进行平移后,音频的数值变化最多为一个单位,实现较好的听觉效果;
本发明通过设定合适的子段长度,使子段的元素无效变动少,嵌入秘密信息后的音频依然具有高信噪比;
此外,相较现有的音频误差扩展可逆信息隐藏方案,本发明所提出的方案不仅简单易实施,涉及的算法时间复杂度较低,而且适用于不同标准频率的音频载体;
本发明也能够提取出所嵌入的秘密信息以及恢复原始音频,实现可逆信息隐藏,从而为音频版权认证相关领域提供更优质的服务。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是基于分段的自适应直方图平移可逆信息隐藏方法示意图。
图2是基于分段的自适应直方图平移可逆信息恢复过程示意图。
图3是基于频率11KHz的音频track1.wav在实验后得出的信噪比SNR折线图。
图4是基于频率44.1KHz的音频track2.wav在实验后得出的信噪比SNR折线图。
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。
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
一种基于分段的自适应直方图平移可逆信息隐藏方法,如图1所示,包括以下步骤:
S1.获取原始音频、密钥、秘密信息S和和嵌入量EC;
其中,密钥的内容为十进制数或者任意字符串,用于指定一段音频中为辅助段的音频元素;
秘密信息S的内容为被转换为二进制流的文本或者图片;
S2.通过密钥从原始音频中随机选取一定长度的辅助段,剩余的均为嵌入段;
S3.设定分段阈值L的初始值,将嵌入段均分为N个长度为L的子段;
S4.将分段阈值L和嵌入量EC的信息组合为与辅助段的长度一致的辅助信息,并转换为二进制格式的辅助信息流X,其中,前8位为分段阈值L的信息,后20位为嵌入量EC的信息,将辅助段的最低有效位LSB的值与秘密信息S组合为待嵌信息M,其中,前28个比特数为最低有效位LSB的值,剩余的为秘密信息S,然后将辅助信息流X的值依次替换辅助段的最低有效位LSB处的值;
S5.对嵌入段的每个子段均进行基值计算,从子段中选择中间的元素数值p1和末尾的元素数值p2,从两者中比较出较大值和较小值,作为两个用于后续比较的基值,其中,较大值为max_p,较小值为min_p,比较的计算过程如下列公式所示:
max_p=max(p1,p2);
min_p=min(p1,p2);
S6.对嵌入段的每个子段均构造以max_p和min_p为嵌入点的子段直方图,顺序扫描子段中其他元素的数值p,判断p与max_p和min_p之间的关系并做出相应的变动,具体过程用以下公式表示:
对p进行判断和处理,如果p大于max_p,则加1,实现右移;如果p小于min_p,则减1,实现左移;如果p同时小于max_p、大于min_p,则保持不变;如果p等于max_p,则判断此时秘密信息中待嵌入的比特数是否为1,如果是,则将此元素数值加1,否则保持不变;如果p等于min_p,判断此时待嵌入的比特数是否为1,如果是,则将此元素数值减1,否则保持不变;
对子段中的所有p进行上述处理后,将待嵌信息M嵌入音频,得到携带秘密信息的音频;L的取值可动态调整,正常情况下L的取值越小对嵌入的效果越好。
上述实施过程用于将原始音频进行处理,得到携带秘密信息的音频;如图2所示,携带秘密信息的音频可在接收端进行恢复及提取秘密信息,首先对携带秘密信息的音频进行分段、自适应地选择提取点,从而提取出所有被存储在音频上的信息,完成音频恢复,下面介绍将携带秘密信息的音频进行恢复和提取秘密信息的过程:
S101.利用密钥定位出携带秘密信息的音频的辅助段,从中提取出28个元素数值最低有效位LSB处的值,利用前8位计算出分段阈值L′,利用后20位计算出嵌入量EC′;
S102.将携带秘密信息的音频中除辅助段外的部分视为嵌入段,利用步骤S101中得出的分段阈值L′对嵌入段进行均分,得到N个长度大小为L′的子段,如不能均分时,忽略末尾剩余元素;
S103.顺序遍历嵌入段,从子段中选择中间的元素数值p′1和末尾的元素数值p′2,从两者中比较出较大值和较小值,作为两个用于后续比较的基值,其中,较大值为max_p′,较小值为min_p′,max_p′等同于嵌入时的max_p,min_p′等同于min_p,如下列公式表示:
max_p'=max(p'1,p'2);
min_p'=min(p'1,p'2);
S104.构造以max_p′和min_p′为提取参照点的子段直方图,顺序扫描子段中其他元素的数值p′,判断p′与max_p′和min_p′之间的关系并做出相应的变动,具体过程用以下公式表示:
上述过程的原理是,比max_p′大2及以上的音频元素数值,则减1,实现左移;比min_p′小2及以上的元素数值,则加1,实现右移;介于max_p′和min_p′之间的元素数值,则保持不变;遇到与max_p′以及min_p′相等的元素数值,则提取出二进制数0,音频元素数值保持不变;遇到比min_p′小1的元素数值,则提取出1,并且将该元素数值加1,实现右移;遇到比max_p′大1的元素数值,则提取出1,并且将该元素数值减1,实现左移;当提取出的信息量达到S101中计算出的嵌入量EC′时,则停止扫描和提取信息,完成所有被嵌入信息M′的提取;与嵌入过程类似的是,提取信息过程中p′1和p′2不再参与比较,这样避免了提取模糊现象的发生;
S105.在提取出被嵌入信息M′后,将M′中前28个比特数依次替换音频的辅助段28个元素数值最低有效位LSB处的值,得到完成的、无失真恢复的原始音频,被嵌入信息中剩余的信息便是秘密信息,与嵌入过程中嵌入的秘密信息是完全等同的。至此,完成音频可逆信息提取和恢复的全部过程。
下面为一个采用本发明方法进行的实验的结果:
采用了本发明方案对基于频率11KHz的音频track1.wav和基于频率44.1KHz的音频track2.wav进行实验,并得出信噪比SNR折线图,如图3和图4所示,可看出在不同频率音频上,随着嵌入量的增加,均保持较高的信噪比;当采用的音频频率越高时,能嵌入的容量就越多,信噪比也能维持在较高的水平。
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 (5)
1.一种基于分段的自适应直方图平移可逆信息隐藏方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1.获取原始音频、密钥、秘密信息S和嵌入量EC;
其中,所述密钥的内容为十进制数或者任意字符串,用于指定一段音频中为辅助段的音频元素;
所述秘密信息S的内容为被转换为二进制流的文本或者图片;
S2.通过所述密钥从原始音频中随机选取一定长度的辅助段,剩余的均为嵌入段;
S3.设定分段阈值L的初始值,将所述嵌入段均分为N个长度为L的子段;
S4.将所述分段阈值L和嵌入量EC的信息组合为与辅助段的长度一致的辅助信息,并转换为二进制格式的辅助信息流X,将辅助段的最低有效位LSB的值与秘密信息S组合为待嵌信息M,将辅助信息流X的值依次替换辅助段的最低有效位LSB处的值;
S5.对所述嵌入段的每个子段均进行基值计算,从子段中选择第一元素数值p1和第二元素数值p2,从两者中比较出较大值和较小值,作为两个用于后续比较的基值,其中,较大值为max_p,较小值为min_p,比较的计算过程如下列公式所示:
max_p=max(p1,p2);
min_p=min(p1,p2);
S6.对所述嵌入段的每个子段均构造以max_p和min_p为嵌入点的子段直方图,顺序扫描子段中其他元素的数值p,判断p与max_p和min_p之间的关系并做出相应的变动,具体过程用以下公式表示:
对p进行判断和处理,如果p大于max_p,则加1,子段直方图实现右移;如果p小于min_p,则减1,子段直方图实现左移;如果p同时小于max_p、大于min_p,则子段直方图保持不变;如果p等于max_p,则判断此时秘密信息中待嵌入的比特数是否为1,如果是,则将此元素数值加1,否则保持不变;如果p等于min_p,判断此时待嵌入的比特数是否为1,如果是,则将此元素数值减1,否则保持不变,完成将待嵌信息M嵌入音频,得到携带秘密信息的音频。
2.根据权利要求1所述的基于分段的自适应直方图平移可逆信息隐藏方法,其特征在于,所述步骤S2的辅助段长度为28。
3.根据权利要求2所述的基于分段的自适应直方图平移可逆信息隐藏方法,其特征在于,所述步骤S4的分段阈值L信息为8位二进制,嵌入量EC信息为20位二进制,使分段阈值L和嵌入量EC的组合信息的长度与辅助段一致。
4.根据权利要求1所述的基于分段的自适应直方图平移可逆信息隐藏方法,其特征在于,所述步骤S3中分段阈值L的初始值在10和100之间。
5.根据权利要求1所述的基于分段的自适应直方图平移可逆信息隐藏方法,其特征在于,所述步骤S5的第一元素数值p1、第二元素数值p2分别为子段中间的元素数值、子段末尾的元素数值。
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