CN110769128A - 一种嵌入率自适应的灰度图像信息隐写算法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种嵌入率自适应的灰度图像信息隐写算法，包括以下步骤：预处理载体图像及秘密信息，得到图像长度、宽度和秘密信息长度；根据图像长度、宽度和秘密信息长度，计算嵌入率及秘密信息嵌入分量上下限；根据嵌入率及秘密信息嵌入分量上下限，确定每组像素对秘密信息长度；根据每组像素对秘密信息长度，在两个像素中嵌入秘密信息；恢复携有秘密信息的图像，完成对灰度图像信息的隐写。本算法设计四种修改方式，选择失真度最低的一种作为最终修改方式，使得本算法失真度低；传递秘密信息时，发送方和接收方共同拥有对秘密信息通信密钥，并且余数函数中的像素权重因不同秘密信息而变化，该余数函数不容易被第三方破解，保证秘密信息的安全性。

Description

一种嵌入率自适应的灰度图像信息隐写算法

技术领域

本发明涉及图像信息隐藏领域，更具体地，涉及一种嵌入率自适应的灰度图像信息隐写算法。

背景技术

灰度图像在生活中传播广泛、应用广阔，例如卫星图像、航空照片、医学图像等。这些灰度图像在我们日常生活中的高度应用，为信息隐藏技术提供了良好的传输价值。同时，灰度图像本身具有较大冗余空间以供秘密信息的嵌入，难以引起攻击者的察觉，具有非常大的存储价值，也进一步为利用灰度图像传输秘密消息提供了保障。由此可见，针对灰度图像的信息隐藏技术具有非常重要的研究意义和应用价值。

随着信息技术的发展和网络的普及，生活中信息交流方式日益增多。在享受信息数字化为生活带来的便利时，与信息相关的安全隐患也愈发多样。传统的信息安全保护方法就是对信息进行加密，但随着计算机运行速度的提升以及密码分析技术的发展，单纯依靠信息加密已经难以解决信息安全问题。不仅如此，经过传统算法加密后的信息容易被攻击方发现，攻击方即使无法提取出信息，但也能篡改、破坏或截取信息，从而使得接收方获得错误的或不完整的信息，甚至无法接收到信息。

发明内容

本发明为了克服现有的秘密信息在传输中，存在安全性低和失真度高的技术缺陷，提供一种嵌入率自适应的灰度图像信息隐写算法。

为实现以上发明目的，采用的技术方案是：

一种嵌入率自适应的灰度图像信息隐写算法，包括以下步骤：

S1：预处理载体图像及秘密信息，得到图像的长度、宽度和秘密信息的长度；

S2：根据图像的长度、宽度和秘密信息的长度，计算嵌入率及秘密信息嵌入分量上下限；

S3：根据嵌入率及秘密信息嵌入分量上下限，确定每组像素对秘密信息长度；

S4：根据每组像素对秘密信息长度，在两个像素中嵌入秘密信息；

S5：恢复携有秘密信息的图像，完成对灰度图像信息的隐写。

所述步骤S1具体为：首先获取用作嵌入秘密信息的灰度图像X，得到图像的长度和宽度分别为N_x和N_y，按照每两个相邻像素为一组将该灰度图像分为

组；将待嵌入的秘密信息m转为二进制序列，得到二进制秘密信息的长度N_m。

所述步骤S2具体为：根据步骤S1所得的秘密信息长度及图像长度、宽度计算得到嵌入率

根据此嵌入率确定每组像素对应嵌入秘密信息的比特数；每组像素对秘密信息嵌入比特数上限为long＝ceil(2α)，其中ceil(·)为向上取整函数；每组像素对秘密信息嵌入比特数下限为short＝floor(2α)，其中floor(·)为向下取整函数。

所述步骤S3具体为：由步骤S1得到已被分为N_p组像素对的载体图像，初始化已嵌入秘密信息累计长度为0，即worm(0)＝0；对于其中第i组像素对，根据公式(1)的值判断该组像素对应嵌入秘密信息长度为上限long或下限short，具体为：

opt(i)＝worm(i-1)+long-i×2α-0.5 (1)

若opt(i)的值小于或等于0，则第i组像素对秘密信息长度width(i)＝long，同时，已嵌入秘密信息累计长度更新为worm(i)＝worm(i-1)+long；否则，则第i组像素对秘密信息长度width(i)＝short,同时，已嵌入秘密信息累计长度更新为worm(i)＝worm(i-1)+short。

所述步骤S4具体为：依次读取第i组像素对，将该像素对中的第一个和第二个像素分别记作X₁和X₂，w_s为该组像素对第一个像素X₁的权重，由步骤S3中所得的该组像素对秘密信息长度width(i)来确定，即w_s＝ceil(2^width(i)/2)；根据以下公式(2)计算得出第i组原像素对对应的余数函数值X_A：

X_A＝(X₁×w_s+X₂)mod 2^width(i) (2)

另外，依次读取长度为width(i)的待嵌入二进制秘密信息分量，并将其转化得到十进制秘密信息X_target，得到差值X_diff＝X_target-X_A；若X_diff＝0，则无需对该组像素对进行修改便已嵌入秘密信息；若X_diff≠0，则对该组像素对中两个像素进行一定规则的判断和修改，使得X_diff＝0，从而嵌入秘密信息。

所述步骤S4中的一定规则的判断和修改包括修改方法和判断方法，当X_diff≠0时，对像素对修改方法如下：

第1种修改方法对像素对中两个像素的修改值分别记作D_1,1和D_1,2，根据以下公式(4)修改得出：

其中，sign(·)为符号提取函数；第1种修改方法造成的失真为distortion₁＝|D_1,1|²+|D_1,2|²；

第2种修改方法对中两个像素的修改值分别记作D_2,1和D_2,2，根据以下公式(5)修改得出：

第2种修改方法造成的失真为distortion₂＝|D_2,1|²+|D_2,2|²；

第3种修改方法对像素对中两个像素的修改值分别记作D_3,1和D_3,2，根据以下公式(6)修改得出：

其中，X_diff,2＝|sign(X_diff)×X_diff-2^width(i)|，第3种修改方法造成的失真为distortion₃＝|D_3,1|²+|D_3,2|²；

第4种修改方法对中两个像素的修改值分别记作D_4,1和D_4,2，根据以下公式(7)修改得出：

第4种修改方法造成的失真为distortion₄＝|D_4,1|²+|D_4,2|²。

所述判断方法为：比较步骤S4中4个失真distortion的大小，选择失真值最小的修改方式作为最终修改方式；最终像素对中两个像素的修改值D₁和D₂由以下公式(8)所得：

其中，D_k,1和D_k,2分别为最终修改方式像素对中两个像素的修改值，将修改后的像素对中的两个像素分别记作X₁'和X'₂，可根据以下公式(9)计算得出：

所述步骤S5具体为：依次将秘密信息嵌入至N_p组像素对完毕后，按照S1步骤中分组顺序将N_p组像素对重新组合得到携有秘密信息的图像X'。

所述步骤S6具体为：获取携有秘密信息的图像X'后，按照步骤S1中方法将其分为N_p组像素对；对于第i组像素对，将其中两个像素分别记作X'₁和X'₂，按照步骤S2、S3中方法得出该组像素对秘密信息长度width(i)，按照步骤S4中方法得到第一个像素的权重w_s；按照以下公式(3)计算得出余数函数值X'_A：X'_A＝(X'₁×w_s+X'₂)mod2^width(i) (3)

提取完N_p组像素对的余数函数值后，将其转换为二进制并组合得到二进制秘密信息，按照步骤S1中相同方法恢复成秘密信息m。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供一种嵌入率自适应的灰度图像信息隐写算法，本算法设计四种修改方式，选择四种修改方式中失真度最低的一种作为最终修改方式，使得本算法失真度低；传递秘密信息时，发送方和接收方共同拥有对秘密信息编码解码的通信密钥，并且余数函数中的像素权重因不同秘密信息而变化，在不公开代码的情况下，该余数函数不容易被第三方用穷举法破解，保证了秘密信息在图像载体中的安全性。

附图说明

图1为发明的算法流程图；

图2为发明的秘密信息嵌入流程图；

图3为发明的秘密信息提取流程图。

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；

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。

实施例1

如图1所示，一种嵌入率自适应的灰度图像信息隐写算法，包括以下步骤：

S1：预处理载体图像及秘密信息，得到图像的长度、宽度和秘密信息的长度；

S2：根据图像的长度、宽度和秘密信息的长度，计算嵌入率及秘密信息嵌入分量上下限；

S3：根据嵌入率及秘密信息嵌入分量上下限，确定每组像素对秘密信息长度；

S4：根据每组像素对秘密信息长度，在两个像素中嵌入秘密信息；

S5：恢复携有秘密信息的图像，完成对灰度图像信息的隐写。

所述步骤S1具体为：首先获取用作嵌入秘密信息的灰度图像X，得到图像的长度和宽度分别为N_x和N_y，按照每两个相邻像素为一组将该灰度图像分为

组；将待嵌入的秘密信息m转为二进制序列，得到二进制秘密信息的长度N_m。

所述步骤S2具体为：根据步骤S1所得的秘密信息长度及图像长度、宽度计算得到嵌入率

根据此嵌入率确定每组像素对应嵌入秘密信息的比特数；每组像素对秘密信息嵌入比特数上限为long＝ceil(2α)，其中ceil(·)为向上取整函数；每组像素对秘密信息嵌入比特数下限为short＝floor(2α)，其中floor(·)为向下取整函数。

所述步骤S3具体为：由步骤S1得到已被分为N_p组像素对的载体图像，初始化已嵌入秘密信息累计长度为0，即worm(0)＝0；对于其中第i组像素对，根据公式(1)的值判断该组像素对应嵌入秘密信息长度为上限long或下限short，具体为：

opt(i)＝worm(i-1)+long-i×2α-0.5 (1)

若opt(i)的值小于或等于0，则第i组像素对秘密信息长度width(i)＝long，同时，已嵌入秘密信息累计长度更新为worm(i)＝worm(i-1)+long；否则，则第i组像素对秘密信息长度width(i)＝short,同时，已嵌入秘密信息累计长度更新为worm(i)＝worm(i-1)+short。

所述步骤S4具体为：依次读取第i组像素对，将该像素对中的第一个和第二个像素分别记作X₁和X₂，w_s为该组像素对第一个像素X₁的权重，由步骤S3中所得的该组像素对秘密信息长度width(i)来确定，即w_s＝ceil(2^width(i)/2)；根据以下公式(2)计算得出第i组原像素对对应的余数函数值X_A：

X_A＝(X₁×w_s+X₂)mod2^width(i) (2)

另外，依次读取长度为width(i)的待嵌入二进制秘密信息分量，并将其转化得到十进制秘密信息X_target，得到差值X_diff＝X_target-X_A；若X_diff＝0，则无需对该组像素对进行修改便已嵌入秘密信息；若X_diff≠0，则对该组像素对中两个像素进行一定规则的判断和修改，使得X_diff＝0，从而嵌入秘密信息。

所述步骤S4中的一定规则的判断和修改包括修改方法和判断方法，当X_diff≠0时，对像素对修改方法如下：

第1种修改方法对像素对中两个像素的修改值分别记作D_1,1和D_1,2，根据以下公式(4)修改得出：

其中，sign(·)为符号提取函数；第1种修改方法造成的失真为distortion₁＝|D_1,1|²+|D_1,2|²；

第2种修改方法对中两个像素的修改值分别记作D_2,1和D_2,2，根据以下公式(5)修改得出：

第2种修改方法造成的失真为distortion₂＝|D_2,1|²+|D_2,2|²；

第3种修改方法对像素对中两个像素的修改值分别记作D_3,1和D_3,2，根据以下公式(6)修改得出：

其中，X_diff,2＝|sign(X_diff)×X_diff-2^width(i)|，第3种修改方法造成的失真为distortion₃＝|D_3,1|²+|D_3,2|²；

第4种修改方法对中两个像素的修改值分别记作D_4,1和D_4,2，根据以下公式(7)修改得出：

第4种修改方法造成的失真为distortion₄＝|D_4,1|²+|D_4,2|²。

所述判断方法为：比较步骤S4中4个失真distortion的大小，选择失真值最小的修改方式作为最终修改方式；最终像素对中两个像素的修改值D₁和D₂由以下公式(8)所得：

其中，D_k,1和D_k,2分别为最终修改方式像素对中两个像素的修改值，将修改后的像素对中的两个像素分别记作X₁'和X'₂，可根据以下公式(9)计算得出：

所述步骤S5具体为：依次将秘密信息嵌入至N_p组像素对完毕后，按照S1步骤中分组顺序将N_p组像素对重新组合得到携有秘密信息的图像X'。

所述步骤S6具体为：获取携有秘密信息的图像X'后，按照步骤S1中方法将其分为N_p组像素对；对于第i组像素对，将其中两个像素分别记作X₁'和X'₂，按照步骤S2、S3中方法得出该组像素对秘密信息长度width(i)，按照步骤S4中方法得到第一个像素的权重w_s；按照以下公式(3)计算得出余数函数值X'_A：

X'_A＝(X'₁×w_s+X'₂)mod2^width(i) (3)

提取完N_p组像素对的余数函数值后，将其转换为二进制并组合得到二进制秘密信息，按照步骤S1中相同方法恢复成秘密信息m。

实施例2

如图2所示，一种嵌入率自适应的灰度图像信息隐写算法的嵌入过程，包含以下步骤：

(1)获取载体灰度图像X的长度和宽度，分别为N_x和N_y，计算得到像素对组数N_p；同时获取二进制秘密信息长度N_m，计算得到像素组组数N_p以及嵌入率α；

(2)根据嵌入率α确定每组像素对秘密信息嵌入比特数上限long和下限short，并对已嵌入秘密信息累计长度worm(0)进行初始化；

(3)按照相邻两个像素为一组，将载体图像X分为N_p组；

(4)对于第i组像素对，计算该组秘密信息长度判别值opt(i)；

(5)若opt(i)的值非正，则该组秘密信息长度width(i)＝long，同时更新秘密信息累计长度worm(i)；若opt(i)的值为正，width(i)＝long，同时更新worm(i)；

(6)计算像素对中第一个像素X₁的权重w_s，然后得到该组对应余数函数值X_A，同时依次提取长度为width(i)的秘密信息分量转化为十进制秘密信息X_target，余数函数值X_A与X_target的差值X_diff；

(7)若X_diff＝0，无需对该组像素对进行任何修改，即已嵌入秘密信息像素对X'₁＝X₁和X'₂＝X₂，；若X_diff≠0，对两个像素进行一定规则修改，使得X_diff＝0，得到已嵌入秘密信息像素对X₁'和X'₂；

(8)若该组像素对不是最后一组像素对，获取下一组像素对，重复(4)-(8)，直到最后一组像素对嵌入完毕；

(9)嵌入完毕后，将N_p组已嵌入秘密信息像素对重新组合，得到携密图像X'。

实施例3

如图3所示，一种嵌入率自适应的灰度图像信息隐写算法的提取过程，包含以下步骤：

(1)获取携密图像X'的长度和宽度，分别为N_x和N_y，计算得到像素组组数N_p；同时获取二进制秘密信息长度N_m，计算得到像素组组数N_p以及嵌入率α；

(2)根据嵌入率α确定每组像素对秘密信息嵌入比特数上限long和下限short，并对已嵌入秘密信息提取长度worm(0)进行初始化；

(3)按照相邻两个像素为一组，将载体图像X分为N_p组；

(4)对于第i组像素对，计算该组秘密信息长度判别值opt(i)；

(5)若opt(i)的值非正，则该组秘密信息长度width(i)＝long，同时更新秘密信息累计长度worm(i)；若opt(i)的值为正，width(i)＝long，同时更新worm(i)；

(6)计算像素组中第一个像素X₁的权重w_s，然后得到该组对应余数函数值X'_A；

(7)若该组像素对不是最后一组像素对，获取下一组像素对，重复(4)-(6)，直到最后一组像素对提取完毕；

(8)提取完毕后，将N_p组余数函数值转为二进制，得到秘密信息分量并重新组合，得到秘密信息m。

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 (9)

1.一种嵌入率自适应的灰度图像信息隐写算法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：预处理载体图像及秘密信息，得到图像的长度、宽度和秘密信息的长度；

S2：根据图像的长度、宽度和秘密信息的长度，计算嵌入率及秘密信息嵌入分量上下限；

S3：根据嵌入率及秘密信息嵌入分量上下限，确定每组像素对秘密信息长度；

S4：根据每组像素对秘密信息长度，在两个像素中嵌入秘密信息；

S5：恢复携有秘密信息的图像，完成对灰度图像信息的隐写。

2.根据权利要求1所述的一种嵌入率自适应的灰度图像信息隐写算法，其特征在于，所述步骤S1具体为：首先获取用作嵌入秘密信息的灰度图像X，得到图像的长度和宽度分别为N_x和N_y，按照每两个相邻像素为一组将该灰度图像分为

组；将待嵌入的秘密信息m转为二进制序列，得到二进制秘密信息的长度N_m。

3.根据权利要求2所述的一种嵌入率自适应的灰度图像信息隐写算法，其特征在于，所述步骤S2具体为：根据步骤S1所得的秘密信息长度及图像长度、宽度计算得到嵌入率

根据此嵌入率确定每组像素对应嵌入秘密信息的比特数；每组像素对秘密信息嵌入比特数上限为long＝ceil(2α)，其中ceil(·)为向上取整函数；每组像素对秘密信息嵌入比特数下限为short＝floor(2α)，其中floor(·)为向下取整函数。

4.根据权利要求3所述的一种嵌入率自适应的灰度图像信息隐写算法，其特征在于，所述步骤S3具体为：由步骤S1得到已被分为N_p组像素对的载体图像，初始化已嵌入秘密信息累计长度为0，即worm(0)＝0；对于其中第i组像素对，根据公式(1)的值判断该组像素对应嵌入秘密信息长度为上限long或下限short，具体为：

opt(i)＝worm(i-1)+long-i×2α-0.5 (1)

若opt(i)的值小于或等于0，则第i组像素对秘密信息长度width(i)＝long，同时，已嵌入秘密信息累计长度更新为worm(i)＝worm(i-1)+long；否则，则第i组像素对秘密信息长度width(i)＝short,同时，已嵌入秘密信息累计长度更新为worm(i)＝worm(i-1)+short。

5.根据权利要求4所述的一种嵌入率自适应的灰度图像信息隐写算法，其特征在于，所述步骤S4具体为：依次读取第i组像素对，将该像素对中的第一个和第二个像素分别记作X₁和X₂，w_s为该组像素对第一个像素X₁的权重，由步骤S3中所得的该组像素对秘密信息长度width(i)来确定，即w_s＝ceil(2^width(i)/2)；根据以下公式(2)计算得出第i组原像素对对应的余数函数值X_A：

X_A＝(X₁×w_s+X₂)mod2^width(i) (2)

另外，依次读取长度为width(i)的待嵌入二进制秘密信息分量，并将其转化得到十进制秘密信息X_target，得到差值X_diff＝X_target-X_A；若X_diff＝0，则无需对该组像素对进行修改便已嵌入秘密信息；若X_diff≠0，则对该组像素对中两个像素进行一定规则的修改和判断，使得X_diff＝0，从而嵌入秘密信息。

6.根据权利要求5所述的一种嵌入率自适应的灰度图像信息隐写算法，其特征在于，所述步骤S4中的一定规则的修改和判断包括修改方法和判断方法，当X_diff≠0时，对像素对修改方法如下：

第1种修改方法对像素对中两个像素的修改值分别记作D_1,1和D_1,2，根据以下公式(4)修改得出：

其中，sign(·)为符号提取函数；第1种修改方法造成的失真为distortion₁＝|D_1,1|²+|D_1,2|²；

第2种修改方法对中两个像素的修改值分别记作D_2,1和D_2,2，根据以下公式(5)修改得出：

第2种修改方法造成的失真为distortion₂＝|D_2,1|²+|D_2,2|²；

第3种修改方法对像素对中两个像素的修改值分别记作D_3,1和D_3,2，根据以下公式(6)修改得出：

其中，X_diff,2＝|sign(X_diff)×X_diff-2^width(i)|，第3种修改方法造成的失真为distortion₃＝|D_3,1|²+|D_3,2|²；

第4种修改方法对中两个像素的修改值分别记作D_4,1和D_4,2，根据以下公式(7)修改得出：

第4种修改方法造成的失真为distortion₄＝|D_4,1|²+|D_4,2|²。

7.根据权利要求6所述的一种嵌入率自适应的灰度图像信息隐写算法，其特征在于，所述判断方法为：比较步骤S4中4个失真distortion的大小，选择失真值最小的修改方式作为最终修改方式；最终像素对中两个像素的修改值D₁和D₂由以下公式(8)所得：

其中，D_k,1和D_k,2分别为最终修改方式像素对中两个像素的修改值，将修改后的像素对中的两个像素分别记作X′₁和X′₂，可根据以下公式(9)计算得出：

8.根据权利要求7所述的一种嵌入率自适应的灰度图像信息隐写算法，其特征在于，所述步骤S5具体为：依次将秘密信息嵌入至N_p组像素对完毕后，按照S1步骤中分组顺序将N_p组像素对重新组合得到携有秘密信息的图像X'。

9.根据权利要求8所述的一种嵌入率自适应的灰度图像信息隐写算法，其特征在于，所述步骤S6具体为：获取携有秘密信息的图像X'后，按照步骤S1中方法将其分为N_p组像素对；对于第i组像素对，将其中两个像素分别记作X′₁和X′₂，按照步骤S2、S3中方法得出该组像素对秘密信息长度width(i)，按照步骤S4中方法得到第一个像素的权重w_s；按照以下公式(3)计算得出余数函数值X′_A：

X′_A＝(X′₁×w_s+X′₂)mod2^width(i) (3)

提取完N_p组像素对的余数函数值后，将其转换为二进制并组合得到二进制秘密信息，按照步骤S1中相同方法恢复成秘密信息m。

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