CN109391819B - 一种基于像素值动态预测的可逆信息隐藏方法 - Google Patents

一种基于像素值动态预测的可逆信息隐藏方法 Download PDF

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CN109391819B CN201811243311.5A CN201811243311A CN109391819B CN 109391819 B CN109391819 B CN 109391819B CN 201811243311 A CN201811243311 A CN 201811243311A CN 109391819 B CN109391819 B CN 109391819B
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    • H04N19/46—Embedding additional information in the video signal during the compression process
    • H04N19/467—Embedding additional information in the video signal during the compression process characterised by the embedded information being invisible, e.g. watermarking

Abstract

本发明公开了一种基于像素值动态预测的可逆信息隐藏方法，其特征是，包括如下步骤：1）动态预测像素值；2）秘密信息嵌入；3）秘密信息的提取与图像恢复。这种方法的隐藏容量大，通过动态预测像素值，使预测的像素值精确度高，并且根据隐藏的信息容量来调整最佳嵌入值，使得隐藏信息之后图像的失真小，隐藏效果好。

Description

一种基于像素值动态预测的可逆信息隐藏方法
技术领域
本发明涉及信息安全领域和图像处理领域，具体是一种基于像素值动态预测的可逆信息隐藏方法。
背景技术
随着计算机和互联网技术的不断发展，数据的传输变得越来越便捷，但是与此同时也面临着数据被截获、篡改、拷贝等情况的发生。因此，人们在方便获取各种数字媒体信息的同时，如何保护这些媒体信息的安全性成为一个迫切需要解决的问题。作为保证信息安全性的一种重要手段，信息隐藏技术在过去获得了长足的发展，成为了研究领域的一个热点和方向。作为信息隐藏技术一个新的分支，可以精确恢复原宿主信息的可逆信息隐藏技术正在被广泛研究，该技术可以应用于多个场合，如在医学诊断、法庭举证、艺术作品中，不光需要嵌入隐秘信息对宿主媒介进行保护，还需要适时地能够无失真地恢复出原始的宿主媒介。
目前可逆信息隐藏技术主要可以归纳为：(1)无损压缩方法:通过无损压缩方法产生用于隐藏的空间，以达到无损隐藏的效果，主要用于取证或水印中；(2)差分扩展策略：先求两像素差值，将差值扩大一倍后，得到值为偶数的新差值，采用LSB算法将一位秘密信息隐藏在新差值之中，实现无损隐藏，但隐藏容量较小；(3)直方图平移方法：先统计像素的直方图，确定出现次数最多和最少的像素值，即直方图中的最大值和最小值，修改图像中像素值介于最大值和最小值之间的像素，使其值均减一，获取隐藏空间，修改载体图像中出现次数最多的像素，是其像素值加1(或减1)嵌入信息1或者保持不变来嵌入秘密信息0；(4)像素值排序方法：对图像进行分块，将每块中的像素进行排序，将秘密信息隐藏在排序后的最大值或最小值中，最大值加1或保持不变，最小值减1或保持不变，由于秘密信息隐藏前后，块中像素大小保持不变，因此可以保证无损恢复图像。
在现有的几类可逆信息隐藏算法中，虽然能够较好的实现秘密信息的可逆隐藏，但是其隐藏的信息容量较小，且隐藏信息之后图像的失真较大。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种基于像素值动态预测的可逆信息隐藏方法。这种方法的隐藏容量大，通过动态预测像素值，使预测的像素值精确度高，并且根据隐藏的信息容量来调整最佳嵌入值，使得隐藏信息之后图像的失真小，隐藏效果好。
实现本发明目的的技术方案是：
一种基于像素值动态预测的可逆信息隐藏方法，与现有技术不同的是，包括如下步骤：
1)动态预测像素值：将原始图像中的像素以棋盘形式划分成两个不重合的白色区域部分和黑色区域部分，记白色区域像素点的集合为A，黑色区域像素点的集合为B，在A中隐藏秘密信息，设x为当前像素点且x∈A，周围相邻的13个像素点为ci，其中，i＝1,2,…,13，设c1,c2,…,c13的方差为Δ，则：
Figure GDA0002686534460000021
其中，cave表示c1,c2,…,c13的平均值，当Δ>T时，T为阈值，表示当前像素点x处于纹理区域，则不对该点进行预测，当Δ≤T时，表示当前像素点x处于平滑区域，用c1,c2,…,c13中的像素对x进行动态预测，依据Δ的取值情况，判定当前像素点x所在区域的平滑程度，根据平滑程度确定当前像素点x进行预测时使用的像素点个数，
设对当前像素点x进行预测的像素点个数为n，当
Figure GDA0002686534460000022
时，用c1,c2,c3,c4对x进行预测即可，因此n的最小值为4，而当前像素点的周围像素个数最大为13，故n的取值范围是{4,5,6,…,13}，令：
Figure GDA0002686534460000023
其中
Figure GDA0002686534460000024
表示的是向上取整符号，则可得到对当前像素点x进行预测的像素点集合Cn＝{c1,c2,...,cn}，
设Cn中的最大值为
Figure GDA0002686534460000025
最小值为
Figure GDA0002686534460000026
当前像素点x的预测值为
Figure GDA0002686534460000027
预测误差为
Figure GDA0002686534460000028
分
Figure GDA0002686534460000029
和
Figure GDA00026865344600000210
两种情况对当前像素点x进行预测：
(1)当
Figure GDA00026865344600000211
令：
Figure GDA00026865344600000212
对当前像素点x进行预测，令：
Figure GDA0002686534460000031
可得到预测误差
Figure GDA0002686534460000032
Figure GDA0002686534460000033
表示向下取整符号；
(2)当
Figure GDA0002686534460000034
令：
Figure GDA0002686534460000035
对当前像素点x进行预测，令：
Figure GDA0002686534460000036
可得到预测误差
Figure GDA0002686534460000037
2)秘密信息嵌入：对当前像素点x，设
Figure GDA0002686534460000038
为嵌入秘密信息后的像素值，隐藏信息的最佳嵌入值为
Figure GDA0002686534460000039
b为1位嵌入的秘密信息，分
Figure GDA00026865344600000310
和
Figure GDA00026865344600000311
两种情况对当前像素点x进行秘密信息嵌入：
(1)当
Figure GDA00026865344600000312
时，对
Figure GDA00026865344600000313
和
Figure GDA00026865344600000314
两种情况采取不同的方式进行秘密信息嵌入：
①当
Figure GDA00026865344600000315
时，令：
Figure GDA00026865344600000316
实现信息隐藏；
②当
Figure GDA00026865344600000317
时，
若
Figure GDA0002686534460000041
·|为绝对值符号，令：
Figure GDA0002686534460000042
实现对隐藏信息嵌入；
当
Figure GDA0002686534460000043
时，那么对于该当前像素点x而言，在嵌入秘密信息的过程中需要根据
Figure GDA0002686534460000044
的值对
Figure GDA0002686534460000045
的大小进行调整，若
Figure GDA0002686534460000046
的值为奇数，令
Figure GDA0002686534460000047
若
Figure GDA0002686534460000048
的值为偶数，则令
Figure GDA0002686534460000049
显然调整后
Figure GDA00026865344600000410
满足
Figure GDA00026865344600000411
然后对当前像素点x，用公式(8)，根据调整之后的
Figure GDA00026865344600000412
进行秘密信息嵌入；
(2)当
Figure GDA00026865344600000413
时，
若
Figure GDA00026865344600000414
令：
Figure GDA00026865344600000415
用公式(9)进行信息嵌入；
若
Figure GDA00026865344600000416
则令
Figure GDA00026865344600000417
然后按照公式(9)嵌入秘密信息；
3)秘密信息的提取与图像恢复：和秘密信息嵌入时一样，对秘密信息进行提取时，也要分成
Figure GDA0002686534460000051
和
Figure GDA0002686534460000052
两种情况：
(1)当
Figure GDA0002686534460000053
时，若
Figure GDA0002686534460000054
则
Figure GDA0002686534460000055
的大小保持不变；若
Figure GDA0002686534460000056
且
Figure GDA0002686534460000057
则
Figure GDA0002686534460000058
的大小也保持不变；若
Figure GDA0002686534460000059
且
Figure GDA00026865344600000510
则根据
Figure GDA00026865344600000511
的值对
Figure GDA00026865344600000512
的大小进行改变，
Figure GDA00026865344600000513
的值为奇数，令
Figure GDA00026865344600000514
Figure GDA00026865344600000515
的值为偶数，令
Figure GDA00026865344600000516
然后根据公式(10)和公式(11)来进行秘密信息的提取和图像的恢复，
Figure GDA00026865344600000517
Figure GDA00026865344600000518
(2)当
Figure GDA00026865344600000519
时，若
Figure GDA00026865344600000520
则
Figure GDA00026865344600000521
的大小保持不变；若
Figure GDA00026865344600000522
则令
Figure GDA00026865344600000523
然后根据公式(12)和公式(13)进行秘密信息的提取和图像的恢复，
Figure GDA00026865344600000524
Figure GDA00026865344600000525
考虑到图像的不同区域其平滑程度也不同，故对处于不同平滑程度区域的当前像素点用不同个数的周围像素进行预测，当区域越平滑，就用越少的周围像素点对其进行预测，另外，对当前像素点位于周围像素点的最大值和最小值之间时也对其进行预测并嵌入信息，不仅可以提高最大嵌入容量，且在嵌入容量较大时，能够获得更好的隐藏效果；
这种方法的隐藏容量大，通过动态预测像素值，使预测的像素值精确度高，并且根据隐藏的信息容量来调整最佳嵌入值，使得隐藏信息之后图像的失真小，隐藏效果好。
附图说明
图1为实施例中当前像素点以及其周围相邻像素点的分布示意图；
图2为实施例的方法流程示意图；
图3-1为实施例中隐藏前5×5的矩阵示意图；
图3-2为实施例中和隐藏后5×5的矩阵示意图；
图4为实施例中原始图像示意图；
图5为实施例中的秘密信息示意图；
图6为实施例中的载密图像示意图；
图7为实施例中提取后的秘密信息示意图；
图8为实施例中恢复后的原始图像示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明内容作进一步的详细说明，但不是对本发明的限定。
实施例：
参照图2，一种基于像素值动态预测的可逆信息隐藏方法，包括如下步骤：
1)动态预测像素值：如图1所示，将原始图像中的像素以棋盘形式划分成两个不重合的白色区域部分和黑色区域部分，记白色区域像素点的集合为A，黑色区域像素点的集合为B，在A中隐藏秘密信息，设x为当前像素点且x∈A，其周围相邻的13个像素点为ci，其中，i＝1,2,…,13，设c1,c2,…,c13的方差为Δ，则：
Figure GDA0002686534460000061
其中，cave表示c1,c2,…,c13的平均值，当Δ>T时，T为阈值，本例中T＝5，表示当前像素点x处于纹理区域，则不对该点进行预测，当Δ≤T时，表示当前像素点x处于平滑区域，用c1,c2,…,c13中的像素对x进行动态预测，依据Δ的取值情况，判定当前像素点x所在区域的平滑程度，根据平滑程度确定当前像素点x进行预测时使用的像素点个数，如图3-1所示，第二行第二列的当前像素点59的周围13个像素点分别为：60,59,61,61,60,58,61,59,57,60,58,59,57,由公式(1)可以得到这13个像素点的方差值为：1.3674，而1.3674＜5，故对该当前像素点进行预测；
设对当前像素点x进行预测的像素点个数为n，当
Figure GDA0002686534460000071
时，用c1,c2,c3,c4对x进行预测即可，因此n的最小值为4，而当前像素点的周围像素个数最大为13，故n的取值范围是{4,5,6,…,13}，令：
Figure GDA0002686534460000072
其中
Figure GDA0002686534460000073
表示的是向上取整符号，则可得到对当前像素点x进行预测的像素点集合Cn＝{c1,c2,...,cn}，该当前像素点59周围13个像素点的方差为1.3674，而
Figure GDA0002686534460000074
依据公式(2)，对当前像素点采用周围相邻的4个像素点进行预测，周围相邻的4个像素点为：60,59,61,61，构成集合C4＝{60,59,61,61}，
设Cn中的最大值为
Figure GDA0002686534460000075
最小值为
Figure GDA0002686534460000076
当前像素点x的预测值为
Figure GDA0002686534460000077
预测误差为
Figure GDA0002686534460000078
分
Figure GDA0002686534460000079
和
Figure GDA00026865344600000710
两种情况对当前像素点x进行预测：
(1)当
Figure GDA00026865344600000711
令：
Figure GDA00026865344600000712
对当前像素点x进行预测，令：
Figure GDA00026865344600000713
可得到预测误差
Figure GDA00026865344600000714
Figure GDA00026865344600000715
表示向下取整符号；
C4＝{60,59,61,61}中的最大值
Figure GDA00026865344600000716
最小值
Figure GDA00026865344600000717
根据公式(3)有：
当前像素值
Figure GDA00026865344600000718
故得到预测值为最小值59，根据公式(4)，得到预测误差为：
Figure GDA0002686534460000081
(2)当
Figure GDA0002686534460000082
令：
Figure GDA0002686534460000083
对当前像素点x进行预测，令：
Figure GDA0002686534460000084
可得到预测误差
Figure GDA0002686534460000085
2)秘密信息嵌入：对当前像素点x，设
Figure GDA0002686534460000086
为嵌入秘密信息后的像素值，隐藏信息的最佳嵌入值为
Figure GDA0002686534460000087
本例中
Figure GDA0002686534460000088
b为1位嵌入的秘密信息，本例中嵌入的密秘信息为：“12”，分
Figure GDA0002686534460000089
和
Figure GDA00026865344600000810
两种情况对当前像素点x进行秘密信息嵌入：
(1)当
Figure GDA00026865344600000811
时，对
Figure GDA00026865344600000812
和
Figure GDA00026865344600000813
两种情况采取不同的方式进行秘密信息嵌入：
①当
Figure GDA00026865344600000814
时，令：
Figure GDA00026865344600000815
实现信息隐藏；
因为预测误差
Figure GDA00026865344600000816
而最佳嵌入值
Figure GDA00026865344600000817
依据公式(7)，嵌入密秘信息“12”，嵌入信息之后的当前像素点的值为：59-1＝58；
②当
Figure GDA00026865344600000818
时，
若
Figure GDA00026865344600000819
·|为绝对值符号，令：
Figure GDA0002686534460000091
实现对隐藏信息嵌入；
当
Figure GDA0002686534460000092
时，对于该当前像素点x而言，在嵌入秘密信息的过程中需要根据
Figure GDA0002686534460000093
的值对
Figure GDA0002686534460000094
进行调整，若
Figure GDA0002686534460000095
的值为奇数，令
Figure GDA0002686534460000096
若
Figure GDA0002686534460000097
的值为偶数，则令
Figure GDA0002686534460000098
调整之后
Figure GDA0002686534460000099
的值满足
Figure GDA00026865344600000910
然后对当前像素点x，用公式(8)，根据调整之后的
Figure GDA00026865344600000911
进行密秘信息嵌入；
(2)当
Figure GDA00026865344600000912
时，
若
Figure GDA00026865344600000913
令：
Figure GDA00026865344600000914
用公式(9)进行信息嵌入；
若
Figure GDA00026865344600000915
则令
Figure GDA00026865344600000916
然后按照公式(9)嵌入密秘信息；
经过秘密信息的嵌入，得到嵌入信息之后的像素值，如图3-2所示；
按照上述的方法，对一幅原始图像，如图4所示，进行秘密信息的嵌入，嵌入的秘密信息如图5所示，得到嵌入秘密信息之后的含密图像，如图6所示；
3)秘密信息的提取与图像恢复：和秘密信息嵌入时一样，对秘密信息进行提取时，也要分成
Figure GDA0002686534460000101
和
Figure GDA0002686534460000102
两种情况：
(1)当
Figure GDA0002686534460000103
时，若
Figure GDA0002686534460000104
则
Figure GDA0002686534460000105
的大小保持不变；若
Figure GDA0002686534460000106
且
Figure GDA0002686534460000107
则
Figure GDA0002686534460000108
的大小也保持不变；若
Figure GDA0002686534460000109
且
Figure GDA00026865344600001010
则根据
Figure GDA00026865344600001011
的值对
Figure GDA00026865344600001012
的大小进行改变，
Figure GDA00026865344600001013
的值为奇数，令
Figure GDA00026865344600001014
的值为偶数，令
Figure GDA00026865344600001016
然后根据公式(10)和公式(11)来进行秘密信息的提取和图像的恢复，
Figure GDA00026865344600001017
Figure GDA00026865344600001018
(2)当
Figure GDA00026865344600001019
时，若
Figure GDA00026865344600001020
则
Figure GDA00026865344600001021
的大小保持不变；若
Figure GDA00026865344600001022
则令
Figure GDA00026865344600001023
然后根据公式(12)和公式(13)进行秘密信息的提取和图像的恢复，
Figure GDA00026865344600001024
Figure GDA00026865344600001025
如图3-2，通过计算第二行第二列的当前像素点58周围相邻的13个像素点的方差，依据公式(2)得到用相邻的4个像素点进行提取信息和恢复像素值，周围相邻的4个像素值分别为：60，59，61，61，最大值和最小值分别为61和59，因为
Figure GDA0002686534460000111
且最小值59与当前像素值58的差值为：59-58＝1，而最佳嵌入值
Figure GDA0002686534460000112
依据公式(10)可以提取出秘密信息“12”，依据公式(11)可以恢复原始像素值：58+1＝59；
依照上述的方法提取出秘密信息如图7所示，依照上述方法得到恢复原始像素值之后的图像如图8所示。

Claims (1)

1.一种基于像素值动态预测的可逆信息隐藏方法，其特征是，包括如下步骤：
1)动态预测像素值：将原始图像中的像素以棋盘形式划分成两个不重合的白色区域部分和黑色区域部分，记白色区域像素点的集合为A，黑色区域像素点的集合为B，在A中隐藏秘密信息，设x为当前像素点且x∈A，周围相邻的13个像素点为ci，其中，i＝1,2,…,13，设c1,c2,…,c13的方差为Δ，则：
Figure FDA0002686534450000011
其中，cave表示c1,c2,…,c13的平均值，当Δ>T时，T为阈值，表示当前像素点x处于纹理区域，则不对该点进行预测，当Δ≤T时，表示当前像素点x处于平滑区域，用c1,c2,…,c13中的像素对x进行动态预测，依据Δ的取值情况，判定当前像素点x所在区域的平滑程度，根据平滑程度确定当前像素点x进行预测时使用的像素点个数，
设对当前像素点x进行预测的像素点个数为n，当
Figure FDA0002686534450000012
时，用c1,c2,c3,c4对x进行预测即可，因此n的最小值为4，而当前像素点的周围像素个数最大为13，故n的取值范围是{4,5,6,…,13}，令：
Figure FDA0002686534450000013
其中
Figure FDA0002686534450000014
表示的是向上取整符号，则可得到对当前像素点x进行预测的像素点集合Cn＝{c1,c2,...,cn}，
设Cn中的最大值为
Figure FDA0002686534450000015
最小值为
Figure FDA0002686534450000016
当前像素点x的预测值为
Figure FDA0002686534450000017
预测误差为
Figure FDA0002686534450000018
分
Figure FDA0002686534450000019
和
Figure FDA00026865344500000110
两种情况对当前像素点x进行预测：
(1)当
Figure FDA00026865344500000111
令：
Figure FDA00026865344500000112
对当前像素点x进行预测，令：
Figure FDA0002686534450000021
可得到预测误差
Figure FDA0002686534450000022
Figure FDA0002686534450000023
表示向下取整符号；
(2)当
Figure FDA0002686534450000024
令：
Figure FDA0002686534450000025
对当前像素点x进行预测，令：
Figure FDA0002686534450000026
可得到预测误差
Figure FDA0002686534450000027
2)秘密信息嵌入：对当前像素点x，设
Figure FDA0002686534450000028
为嵌入秘密信息后的像素值，隐藏信息的最佳嵌入值为
Figure FDA0002686534450000029
b为1位嵌入的秘密信息，分
Figure FDA00026865344500000210
和
Figure FDA00026865344500000211
两种情况对当前像素点x进行秘密信息嵌入：
(1)当
Figure FDA00026865344500000212
时，对
Figure FDA00026865344500000213
和
Figure FDA00026865344500000214
两种情况采取不同的方式进行秘密信息嵌入：
①当
Figure FDA00026865344500000215
时，令：
Figure FDA00026865344500000216
实现信息隐藏；
②当
Figure FDA00026865344500000217
时，
若
Figure FDA00026865344500000218
|·|为绝对值符号，令：
Figure FDA0002686534450000031
实现对隐藏信息嵌入；
当
Figure FDA0002686534450000032
时，那么对于该当前像素点x而言，在嵌入秘密信息的过程中需要根据
Figure FDA0002686534450000033
的值对
Figure FDA0002686534450000034
的大小进行调整，若
Figure FDA0002686534450000035
的值为奇数，令
Figure FDA0002686534450000036
若
Figure FDA0002686534450000037
的值为偶数，则令
Figure FDA0002686534450000038
显然调整后
Figure FDA0002686534450000039
满足
Figure FDA00026865344500000310
然后对当前像素点x，用公式(8)，根据调整之后的
Figure FDA00026865344500000311
进行秘密信息嵌入；
(2)当
Figure FDA00026865344500000312
时，
若
Figure FDA00026865344500000313
令：
Figure FDA00026865344500000314
用公式(9)进行信息嵌入；
若
Figure FDA00026865344500000315
则令
Figure FDA00026865344500000316
然后按照公式(9)嵌入秘密信息；
3)秘密信息的提取与图像恢复：和秘密信息嵌入时一样，对秘密信息进行提取时，也要分成
Figure FDA00026865344500000317
和
Figure FDA00026865344500000318
两种情况：
(1)当
Figure FDA0002686534450000041
时，若
Figure FDA0002686534450000042
则
Figure FDA0002686534450000043
的大小保持不变；若
Figure FDA0002686534450000044
且
Figure FDA0002686534450000045
则
Figure FDA0002686534450000046
的大小也保持不变；若
Figure FDA0002686534450000047
且
Figure FDA0002686534450000048
则根据
Figure FDA0002686534450000049
的值对
Figure FDA00026865344500000410
的大小进行改变，
Figure FDA00026865344500000411
的值为奇数，令
Figure FDA00026865344500000412
Figure FDA00026865344500000413
的值为偶数，令
Figure FDA00026865344500000414
然后根据公式(10)和公式(11)来进行秘密信息的提取和图像的恢复，
Figure FDA00026865344500000415
Figure FDA00026865344500000416
(2)当
Figure FDA00026865344500000417
时，若
Figure FDA00026865344500000418
则
Figure FDA00026865344500000419
的大小保持不变；若
Figure FDA00026865344500000420
则令
Figure FDA00026865344500000421
然后根据公式(12)和公式(13)进行秘密信息的提取和图像的恢复，
Figure FDA00026865344500000422
Figure FDA00026865344500000423
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