CN110933438B - 一种jpeg图像可逆信息隐藏方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种JPEG图像可逆信息隐藏方法，包括步骤；将原始JPEG图像熵解码，获得量化的DCT系数及量化表；计算每个DCT块的嵌入失真值；对DCT块进行信息嵌入，嵌入顺序为嵌入失真值由小到大嵌入；对修改的DCT系数进行熵编码，获得载密JPEG图像。本发明选择DCT块并根据其失真值排序进行可逆信息隐藏，有效降低载密JPEG图像的视觉失真。

Description

一种JPEG图像可逆信息隐藏方法

技术领域

本发明涉及多媒体信息安全技术领域，特别涉及一种JPEG图像可逆信息隐藏方法。

背景技术

数据隐藏技术通过把秘密信息隐藏到一个公开的媒介载体当中以得到秘密载体，通过秘密载体的传输从而实现秘密信息的安全传输。可逆信息隐藏属于一种新兴的信息安全技术，其不仅可以提取出秘密信息，而且还可以恢复及重建原始载体，其研究主要应用在不允许原始载体出现任何失真的场合，如军事通信、法庭取证、医学图像和版权保护等领域。

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，对其进行的相关研究也受到了较多的关注。JPEG是一种有损图像压缩格式，在日常生活中应用广泛。JPEG图像可逆信息隐藏技术利用了人的视觉冗余和图像的信息冗余特性，使得发送者可以在难以被察觉的情况下将秘密信息隐藏到JPEG图像中，接收者不仅可以准确地提取嵌入信息，还可以无损地恢复原始JPEG图像。由于JPEG算法通过消除图像的一些高频信息来进行压缩，因此JPEG图像的冗余信息远少于未压缩的图像，这导致了在嵌入秘密信息之后，JPEG图像的视觉质量会大幅降低，同时，嵌入信息之后的图像文件体积增加将导致图像占用更大的存储空间，因此对其隐藏算法的创新与优化具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种JPEG图像可逆信息隐藏方法，此方法可有效减少载密JPEG图像视觉失真和文件大小增加的情况。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种JPEG图像可逆信息隐藏方法，包括步骤；

将原始JPEG图像熵解码，获得量化的DCT系数及量化表；

计算每个DCT块的嵌入失真值，按照嵌入失真值对DCT块进行升序排序；

根据DCT块的排序逐块进行信息嵌入，对修改的DCT系数进行熵编码，获得载密JPEG图像。

优选的，所述计算每个DCT块的嵌入失真值的具体方法如下：

定义DCT块中AC系数的频率位置索引i,i∈[1,63]，P_z(i)表示零值AC系数在频率位置i出现的概率，P_c(i)表示负载AC系数在频率位置i出现的概率，F(μ|b)为拉普拉斯累积分布函数，b_i表示在相应频率位置上的AC系数服从拉普拉斯分布的缩放因子，上述公式分别定义如下：

P_z(i)＝F_i(0.5∣b_i)-F_i(-0.5∣b_i)

P_c(i)＝2[F_i(1.5∣b_i)-F_i(0.5∣b_i)]

其中，0.5、1.5、2均为常数，利用步骤上述公式和参数构建DCT块失真估计模型，则一个DCT块的失真估计值D定义如下：

其中，Q_i表示对应频率位置的量化系数。

优选的，在信息嵌入前，计算各频率位置的嵌入效率，嵌入顺序还结合嵌入效率值由高到低嵌入。

更进一步的，所述嵌入效率的计算方法如下：

定义E_i表示每个频率位置的嵌入效率，嵌入效率公式定义如下：

结合上述计算的嵌入效率值从高到低对DCT块进行逐块信息嵌入。

更进一步的，使用上述嵌入效率公式计算63个频率位置的嵌入效率，并按照效率值进行降序排序，依次选择前K个频率使用给定的嵌入信息进行嵌入测试，选择满足嵌入信息容量的前K个频率位置，以得到最佳频率位置集合。

更进一步的，所述嵌入测试具体为：

通过依次使用前K个频率位置集合，将给定的嵌入信息模拟嵌入JPEG图像，计算不同K值下的嵌入总失真，选择具有最小嵌入总失真的K值作为嵌入测试的结果。

优选的，所述对图像进行熵解码的步骤具体为：

读取JPEG文件头，获取JPEG文件编码表和图像尺寸信息；

读取JPEG文件的数据段，使用哈夫曼表恢复原始图像数据流，最后根据数据排列规则构建8×8的DCT块。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明选择DCT块并根据其失真值排序进行可逆信息隐藏，有效降低载密JPEG图像的视觉失真。

2、本发明充分利用了DCT块中不同频率位置处AC系数的分布满足拉普拉斯分布特性，并据此分布特性建立嵌入失真估计模型，得到对零值AC系数和负载AC系数出现概率的计算公式，进而优先选择嵌入效率高的频率位置进行信息嵌入以减少载密图像的视觉失真。

3、本发明根据系数的分布特性建立了嵌入效率评估模型，优先选择嵌入效率高的频率位置进行信息嵌入，减少了为提取嵌入信息而需要记录的额外辅助信息，实现了优化JPEG图像可逆信息隐藏的嵌入性能的目的。

附图说明

图1为本发明实施例1的一种优化嵌入性能的JPEG图像可逆信息隐藏方法的总流程图。

图2为本发明实施例1一幅原始JPEG图像在频率位置索引为1处的AC系数分布直方图及分布估计曲线。

图3为本发明实施例1一幅原始JPEG图像在不同频率位置上的嵌入效率分布图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图详细描述本发明提供的实施例，但本发明的实施方式不限于此。

本发明实施例通过提供一种JPEG图像可逆信息隐藏方法，解决了现有技术中因图像视觉失真导致的视觉质量降低，以及因载密后图像文件体积增加导致的占用存储空间更大的问题。

首先需要说明的是，在本发明各个实施例中，所提及的术语为：

熵编码：又叫熵保存编码、信息保持编码、无失真压缩编码，要求编码输出码字的平均码长，只能大于等于信源熵，若不满足这个条件，在信源编码的过程中就要丢失信息，所以信源熵是无失真信源编码，输出码字平均码长的下限。

DCT：离散余弦变换(discrete cosine transform)，其作用是将空域图像数据转换到频域，为图像压缩打下基础，一般先将图像分割成不重叠的8×8小块，再对每个小块进行DCT变换，在每个DCT块中，最左上角是直流(Direct Current,DC)系数，其他63个位置上的都是交流(Alternating Current,AC)系数。DC系数保存的是每个8×8小块的平均亮度信息，AC系数保存的是图像的边界、纹理信。

频率位置：在每个8×8的DCT块中包含64个DCT系数，最左上角为DC系数，其余63个为AC系数，其中AC系数从左上至右下其频率呈由低至高排列，频率位置指的是不同DCT系数所在的位置。

嵌入频率：在JPEG图像可逆信息隐藏方法中，通过算法挑选出来的用于信息嵌入的频率位置集合称为嵌入频率。

实施例1

如图1-3所示，一种优化嵌入性能的JPEG图像可逆信息隐藏方法，包括如下步骤：

S1：输入一幅512x512的原始JPEG灰度图像，对其进行熵解码得到量化的DCT系数和量化表；

所述对灰度图像熵解码的步骤具体为：

S1-1：读取JPEG文件头，获取JPEG文件编码表(包括量化表和哈夫曼表)和图像尺寸信息；

S1-2：读取JPEG文件的数据段，使用哈夫曼表恢复原始图像数据流，最后根据数据排列规则构建8×8的DCT块。

S2：使用绝对值为1的AC系数作为秘密信息嵌入载体，在直方图平移嵌入方案中，值为0的AC系数在信息嵌入时保持不变，其它的系数均要进行修改，因此为了在提取阶段能够正确提取出嵌入的信息并恢复原始图像，失真估计模型必须在嵌入和提取阶段都能给出稳定一致的评估结果。根据JPEG图像中DCT系数服从拉普拉斯分布的特性，根据零值AC系数不变的特性，对AC系数的63个频率分别计算出其零值AC系数在相应频率位置系数中的比例，即零值AC系数的出现概率P_z(i)＝N_z(i)/4096，N_z(i)表示频率位置i上的零值AC系数个数，对大小为512x512的灰度JPEG图像来说，其总的DCT块数为4096。

S3：根据计算得到的零值AC系数出现概率和拉普拉斯累积分布函数，可以计算出DCT块各频率位置上拉普拉斯分布的缩放因子b_i：

P_z(i)＝F_i(0.5∣b_i)-F_i(-0.5∣b_i)

P_c(i)＝2[F_i(1.5∣b_i)-F_i(0.5∣b_i)]

其P_c(i)表示负载系数在频率位置i出现的概率，F(μ|b)为拉普拉斯累积分布函数；

进一步地可以计算出各频率位置上载体AC系数的概率；如图2所示，根据缩放因子绘制的AC系数分布估计曲线与实际系数的分布状态比较吻合。

S4：使用失真估计模型对4096个DCT块进行失真估计值计算，并按照失真估计值的大小对DCT块进行升序排序，在下一步的信息嵌入过程中将按照此排序序列逐块进行嵌入，即优先使用失真估计值较小的DCT块进行信息嵌入。

S5：DCT块排序完成之后还需要对信息嵌入使用的频率位置进行选择，使用嵌入效率公式计算每个频率位置的嵌入效率值E_i：

其中，Q_i表示对应频率位置的量化系数；E_i的分布如图3所示，并据E_i对频率位置进行降序排序，即优先选择嵌入效率高的频率位置组合进行信息嵌入。

S6：依次选择前K个频率位置进行嵌入测试，最终选择满足嵌入信息容量的前K个频率位置进行信息嵌入，以嵌入10000比特信息为例，选择的嵌入频率数为K＝32。由此减少了为提取嵌入信息而需要记录的额外辅助信息(即记录使用哪些嵌入频率位置的信息，传统方案中一般使用63比特记录该信息，即用0-1表示相应频率位置是否被使用)，本方案中只需要记录使用的频率位置数量K，K最大取值为63，即最多只需要6比特的额外信息。

S7：根据计算得到的块排序和嵌入频率组合，使用给定的信息实施逐块嵌入，最后对修改后的DCT系数进行熵编码得到载密JPEG图像。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种JPEG图像可逆信息隐藏方法，其特征在于，包括步骤；

将原始JPEG图像熵解码，获得量化的DCT系数及量化表；

计算每个DCT块的嵌入失真值，按照嵌入失真值对DCT块进行升序排序；

计算DCT系数各频率位置的嵌入效率，DCT块依照嵌入失真值由低到高排序后，再根据嵌入效率值由高到低排序，然后逐块进行信息嵌入；

对修改的DCT系数进行熵编码，获得载密JPEG图像。

2.根据权利要求1所述的JPEG图像可逆信息隐藏方法，其特征在于，所述计算每个DCT块的嵌入失真值的具体方法如下：

定义DCT块中AC系数的频率位置索引i，i∈[1，63]，P_z(i)表示零值AC系数在频率位置i出现的概率，P_c(i)表示负载系数在频率位置i出现的概率，F(μ|b)为拉普拉斯累积分布函数，b_i表示在相应频率位置上的AC系数服从拉普拉斯分布的缩放因子，P_z(i)、P_c(i)、b_i上述的计算公式分别定义如下：

P_z(i)＝F_i(0.5|b_i)-F_i(-0.5|b_i)

P_c(i)＝2[F_i(1.5|b_i)-F_i(0.5|b_i)]

其中，0.5、1.5、2均为常数，利用步骤上述公式和参数构建DCT块失真估计模型，则一个DCT块的失真估计值D定义如下，输入对应频率位置的量化系数，求得：

其中，Q_i表示对应频率位置的量化系数。

3.根据权利要求2所述的JPEG图像可逆信息隐藏方法，其特征在于，所述嵌入效率的计算方法如下：

定义E_i表示每个频率位置的嵌入效率，嵌入效率公式定义如下：

结合上述计算的嵌入频率值从高到低对DCT块进行逐块信息嵌入。

4.根据权利要求1所述的JPEG图像可逆信息隐藏方法，其特征在于，所述DCT块根据数据排列规则8×8排列，使用嵌入效率公式计算其中63个频率位置的嵌入效率，并按照效率值进行降序排序，依次选择前K个频率使用给定的嵌入信息进行嵌入测试，选择满足嵌入信息容量的前K个频率位置。

5.根据权利要求4所述的JPEG图像可逆信息隐藏方法，其特征在于，所述嵌入测试具体为：通过依次使用前K个频率位置集合，将给定的嵌入信息模拟嵌入JPEG图像，计算不同K值下的嵌入总失真，选择具有最小嵌入总失真的K值作为嵌入测试的结果。

6.根据权利要求1所述的JPEG图像可逆信息隐藏方法，其特征在于，所述对图像进行熵解码的步骤具体为：

读取JPEG文件头，获取JPEG文件编码表和图像尺寸信息；

读取JPEG文件的数据段，使用哈夫曼表恢复原始图像数据流，最后根据数据排列规则构建8×8的DCT块。

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