CN111915473B - 一种基于ambtc压缩技术和汉明距离的可逆信息隐藏方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于AMBTC压缩技术和汉明距离的可逆信息隐藏方法。首先，利用AMBTC对标准灰度图像进行压缩，每个块就到了高量化值、低量化值和位图。其次，将每个块的位图转换为十进制数，计算十进制数出现的频率，得到十进制数的最大频率。最大频率的十进制数对应的位图称为峰值位图。如果AMBTC压缩块中位图不等于峰值位图，则该块为不可嵌入秘密信息块，相反则为可嵌入秘密信息块。本发明的方法具有较高的图像质量，同时信息隐藏能力可通过阈值进行调整。

Description

一种基于AMBTC压缩技术和汉明距离的可逆信息隐藏方法

技术领域

本发明属于可逆信息隐藏领域，提出了一种基于AMBTC压缩技术和汉明距离的可逆信息隐藏方法，该方法将秘密信息通过嵌入规则嵌入到AMBTC压缩块的位图中，这提高了文件传输的安全性，在保证有较高的图像质量的同时，通过门限值的调制可以得到不同的信息隐藏能力。

背景技术

随着网络技术和多媒体技术的迅速普及，每个人都可以方便快捷地获取各种多媒体资源，如音频、图像、文本文件和视频。与此同时，图像是最常见的媒体类型之一，因为人们可以很容易地编辑或复制图像，并在任何地方共享它们或将图像传输给任何人。换句话说，图像很容易被攻击者篡改和破坏。因此，有必要在传输过程中提高信息安全。信息隐藏是提高传输安全性的方法之一。

信息隐藏方法一般分为隐写和水印两种技术，隐写的主要目的是在不引起任何怀疑的情况下，进行秘密信息传输，主要特征是大容量和不被检查。水印是指将秘密信息如：数字、符号、文字、图像等嵌入到数字载体中，其目的是进行所有权声明，例如：交易跟踪、版权保护、篡改报警、隐藏身份等。水印具有不可感知性和鲁棒性。

数据隐藏技术分为可逆数据隐藏方案(RDH)和不可逆数据隐藏方案(NRDH)两类。其中，NRDH方案用户接受到信息后通过秘钥,提取出秘密信息，但是无法恢复原始图像。在RDH方案中，用户接受信息后不仅可以提取秘密信息，而且可以完全恢复原始图像。RDH可用于一些特殊的应用领域，如云服务、医疗图像、取证证据和军事。1999年，Barton提出了第一个RDH技术，并引起了学者们广泛关注的。现有的可逆信息隐藏方案大致可分为基于空间域、频域、压缩域三类。

绝对矩块截断编码(AMBTC)是在BTC的基础上发展起来的一种著名的压缩方法。与BTC相比，AMBTC具有更好的均方误差性能。2009年，Tsai等人提出了一种基于直方图平移和预测机制的RDH方法。在他们的方案中，采用了基于中心像素和相邻像素之间相似性的线性预测机制。基于预测误差的残差直方图被用来隐藏秘密消息。2011年，Hong等人对Tsai的方法进行了改进，提出了基于压缩域BTC的可逆信息隐藏。该方法引入了预测机制和直方图平移。利用两个量子化值具有很高的相关性，将秘密信息嵌入到高、低均值中。2012年Zhao等人提出了一种基于AMBTC的大容量可逆数据隐藏方法，方法以AMBTC压缩图像为原始图像，并进行两次量化，通过多层直方图平移来隐藏秘密信息。通过低均值和高均值的差值，构造直方图，来确定不同的嵌入策略。2014年，Lo等人提出了一种基于直方图平移的BTC压缩图像的RDH方法。该方法采用了扩张技术和直方图平移技术，秘密信息被隐藏在BTC压缩块中。2017年，Malik等人提出了一种基于AMBTC压缩和像素值调整的RDH方案。在他们的方案中，根据高量化值和低量化值的不同，将AMBTC压缩块分为嵌入块和非嵌入块两种类型。然后，利用块的冗余来隐藏秘密消息。以上方法普遍利用两个量化值之间的关系，来对信息隐藏块进行选择，很少纯粹的只从位图的统计特性角度来思考，进行可藏信息块的选择。

发明内容

本发明提出一种基于AMBTC压缩技术和汉明距离的可逆信息隐藏方法。首先，原始灰度图进行AMBTC压缩，得到AMBTC压缩图像。然后，将AMBTC压缩码中的位图转换为十进制数，并进行统计，得到十进制数的最大频率。最大频率相应的位图称为峰值位图。通过峰值位图将AMBTC压缩图像分为可藏块和不可藏块。针对于可嵌入块，采用一定的嵌入策略，达到信息隐藏的目的。

本发明的技术方案步骤如下：

一种基于AMBTC压缩技术和汉明距离的可逆信息隐藏方法，其特征在于：首先，标准灰度图像通过AMBTC压缩，得到AMBTC压缩图像；其次，将AMBTC压缩码中的位图转换为十进制数值，并进行统计，最大频率的十进制数对应的位图为峰值位图。将数值0-65535转换为字符串与峰值位图转换的字符串之间求汉明距离，利用阈值来收集不同的字符串，最终形成字符串表。峰值位图可将图像块，分为可嵌入信息块和不可嵌入信息块。针对于可嵌入秘密信息块，采用秘密信息转为字符串表中的检索值，通过检索值对应的字符串来替代峰值位图，实现秘密信息的嵌入；最后，通过嵌入秘密信息的AMBTC压缩码重构，得到隐写图像。具体步骤如下：

S1：将原始标准灰度图像O，分割成m×m大小的不重叠图像块；

S2：对每个图像块经过AMBTC压缩后，得到一个三元组(h,l,B)，其中h为高量化值、l为低量化值，B为位图；

S3：按序取出每个图像块的位图中的0和1位元值，形成m×m位的二进制数值，将二进制数值转换为十进制数值，统计所有位图的十进制数值中每个十进制数值的频数a_i，其中a_i最大的十进制数对应的位图为峰值位图；

S4：将0～65535中的每个十进制数字转换成16bit的二进制字符串A，将峰值位图按序取出0和1位元值，也形成16bit的二进制字符串B，计算每个字符串A各自与字符串B之间的汉明距离，将汉明距离小于等于阈值TH的字符串A按序收集，形成字符串表；

S5：统计出字符串表中字符串A的总个数N，并计算每次可藏入秘密信息的长度P：

其中运算符表示向下取整；

S6：按照S61～S64步骤将秘密信息嵌入到AMBTC压缩码中，得到隐写图像；

S61：将所有的峰值位图所在压缩块里的两个量化值进行对调，得到(l,h)；

S62：从待隐藏的二进制秘密信息流中顺次提取一段长为P的秘密信息串，将提取的秘密信息串转化为十进制数值T，在字符串表中找到索引值为T的字符串；再以该字符串替代除第一个峰值位图之外的首个尚未被嵌入秘密信息的峰值位图，完成对该峰值位图的秘密信息嵌入；

S63：不断重复S62过程，直到最后一个峰值位图被嵌入秘密信息，获得藏有秘密信息的AMBTC压缩码；

S64：利用藏有秘密信息的AMBTC压缩码进行重构，得到AMBTC隐写图像O′，将隐写图像O′发送至接收端；

S7：接收端收到隐写图像O′后，提取隐写图像O′中的秘密信息，恢复原始灰度图。

在上述技术方案基础上，本发明的各步骤还可以进一步采用如下优选方式。

作为优选，所述的S1中，标准灰度图像O的大小为512×512，设置m＝4。

作为优选，所述的S2中，每个图像块经过AMBTC压缩后，得到一个三元组(h,l,B)，其中高量化值h、低量化值l和位图B的计算具体公式如下：

其中：x_i表示图像块中的第i个像素值，n表示图像块中像素值大于等于平均像素值的像素个数，B_i表示位图Ｂ中对应于第i个像素的位元值，运算符/>表示向下取整。

作为优选，所述S3中，位图中的4×4个位元值，需按照从左到右，从上到下的顺序，按序取出连接成16位的二进制数值。

作为优选，所述S4中，字符串表中的每一个字符串均具有索引，索引值依次为1,2,……,N。

作为优选，所述S6中，以16bit的字符串替代尚未被嵌入秘密信息的峰值位图时，将字符串中的16位数字按照从左到右，从上到下的顺序依次替换峰值位图的16个位元值。

作为优选，所述S7的具体过程如下：

S71：接收端将隐写图像O′按光栅扫描顺序，分割成大小为m×m不重叠的图像块，每个图像块进行AMBTC压缩后得到压缩码(h’,l’,B’)；

S72：从AMBTC压缩码中，搜索到第一个量化值对调为(l,h)的块，从而确定峰值位图；

S73：根据确定的峰值位图和阈值TH，通过汉明距离计算方法，按照S4重新得到字符串表；

S74：从第二个峰值位图开始，提取每个峰值位图，确定峰值位图的二进制字符串在字符串表中的索引值T，将索引值T转换为二进制，即为该峰值位图中藏入的秘密信息；对每个峰值位图里的秘密信息后，顺次连接得到隐藏的二进制秘密信息流；

S75：用第一个峰值位图覆盖其他所有峰值位图，得到原始的AMBTC压缩码，利用压缩码，恢复得到原始的灰度图像O。

相对于现有技术而言，本发明的有益效果如下：

本发明将AMBTC压缩技术和汉明距离相结合，在压缩域里实现了可逆信息隐藏。发明依据峰值位图将AMBTC压缩图像分类可藏块和不可藏块。首先，峰值位图和0到65535数值都转换为字符串，然后求其汉明距离，当汉明距离小于门限值时，则字符串被收集，最终生成一个候选字符串表。对于可藏块，秘密消息转换为指定索引值，通过索引值找到候选列表中相应的字符串，用字符串来代替原始位图，完成信息嵌入过程。相比于其他类似方法，本发明具有较高的图像视觉质量，同时信息隐藏能力可调范围较广。

附图说明

图1为AMBTC压缩过程图。

图2为汉明距离示意图。

图3为发明原理流程图。

图4为候选字符串池图。

图5为信息嵌入示意图。

图6为六幅图的PSNR和TH的关系。

图7为六幅图的HC与TH的关系。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的实施过程进一步详细描述。一种基于AMBTC压缩技术和汉明距离的可逆信息隐藏方法，其中信息嵌入过程具体原理如图3示，具体原理如下：

首先，峰值位图转换为长16的0、1字符串，接着，收集不同类型的长16的0、1字符串，并求与峰值位图对应字符串间的汉明距离。设置一个预先定义的门限值，当求得汉明距离小于门限值时，则字符串被收集，收集到不同类型的字符串就生成一个候选字符串表，其中秘密消息的长度可由字符串的总数来计算得到。最后，将秘密消息转换为指定索引值，通过索引值，寻找到候选列表中相应的字符串，用字符串来代替原始位图，完成信息嵌入过程。实验表明，该发明具有较高的图像质量，同时信息隐藏能力可通过阈值进行调整。

下面详细对其具体实现过程进行展开描述。

S1：将原始标准灰度图像O，分割成m×m大小的不重叠图像块。本实施例中，标准灰度图像O的大小为512×512，设置m＝4。

S2：对每个图像块经过AMBTC压缩后，得到一个三元组(h,l,B)，其中h为高量化值、l为低量化值，B为位图。

其中高量化值h、低量化值l和位图B，计算具体公式如下：

其中：x_i表示图像块中的第i个像素值，n表示图像块中像素值大于等于平均像素值的像素个数，B_i表示位图B中对应于第i个像素的位元值，运算符/>表示向下取整。

本实施例中AMBTC压缩过程图如图1所示，其中展示了一个图像块的压缩码计算过程。

S3：按序取出每个图像块的位图中的0和1位元值，形成m×m位的二进制数值。由于位图中的4×4个位元值，因此此处需按照从左到右，从上到下的顺序(即按照第一行从左到右+第二行从左到右+第三行从左到右+第四行从左到右的顺序)，按序取出连接成16位的二进制数值；将二进制数值转成转换为十进制数值。不同的位图具有不同的十进制数值，因此需要统计所有位图的十进制数值中每个十进制数值的频数，第i个十进制数值的频数记为a_i。频数a_i最大的十进制数对应的位图为峰值位图。

S4：将0～65535中的每个十进制数字分别转换成16bit的二进制字符串A，将峰值位图按照从左到右，从上到下的顺序取出0和1位元值，也形成16bit的二进制字符串B。计算每个字符串A各自与字符串B之间的汉明距离D_i，汉明距离计算原理如图2。将D_i≤TH，即汉明距离D_i小于等于阈值TH的字符串A按序收集，形成字符串表。字符串表中的每一个字符串均具有索引，索引值依次为1,2,……,N。

如图4所示，在本实施例中，峰值频数a_i为447，其十进制数为13107，峰值为图所形成的二进制字符串B为IB₁＝{0011001100110011}，以Y₁和Y₂两个字符串A为例，其汉明距离分别为1和4，而本实施例中设置的阈值TH＝3。因此，Y₁可以收集至字符串表中，它是字符串表中的第三个字符串，因此索引值为3。

S5：统计出字符串表中字符串A的总个数N，并计算每次可藏入秘密信息的长度P：

其中运算符表示向下取整；

S6：按照下列S61～S64步骤将秘密信息嵌入到AMBTC压缩码中，得到隐写图像；

S61：将所有的峰值位图所在压缩块里的两个量化值进行对调，得到(l,h)。

S62：从待隐藏的二进制秘密信息流S中顺次提取一段长为P的秘密信息串，将提取的秘密信息串转化为十进制数值T，以十进制数值T为检索值，在字符串表中找到索引值为T的字符串；再以该索引值为T的字符串替代除第一个峰值位图之外的首个尚未被嵌入秘密信息的峰值位图，完成对该峰值位图的秘密信息嵌入。

此处，用16bit的字符串替代尚未被嵌入秘密信息的峰值位图时，将字符串中的16位数字按照从左到右，从上到下的顺序依次替换峰值位图的16个位元值，如图5所示。

S63：不断重复S62过程，直到最后一个峰值位图被嵌入秘密信息，获得藏有秘密信息的AMBTC压缩码。

需注意的是，秘密信息串被提取后即从二进制秘密信息流S中删除，下一次提取时需提取下一段秘密信息串。因此，二进制秘密信息流S中的不同秘密信息串分别被嵌入从第二个峰值位图开始的各峰值位图中。

S64：利用藏有秘密信息的AMBTC压缩码进行重构，得到AMBTC隐写图像O′，将隐写图像O′发送至接收端；

S7：接收端收到隐写图像O′后，提取隐写图像O′中的秘密信息，恢复原始灰度图，其具体过程如下：

S71：接收端将隐写图像O′按光栅扫描顺序，分割成大小为m×m不重叠的图像块，每个图像块进行AMBTC压缩后得到压缩码(h’,l’,B’)；

S72：从AMBTC压缩码中，搜索到第一个量化值对调为(l,h)的块，从而确定峰值位图；

S73：根据确定的峰值位图和阈值TH，通过汉明距离计算方法，按照S4重新得到字符串表；

S74：从第二个峰值位图开始，提取每个峰值位图，确定峰值位图的二进制字符串在字符串表中的索引值T，将索引值T转换为二进制，即为该峰值位图中藏入的秘密信息；对每个峰值位图里的秘密信息后，顺次连接得到隐藏的二进制秘密信息流；

S75：用第一个峰值位图覆盖其他所有峰值位图，得到原始的AMBTC压缩码，利用压缩码，恢复得到原始的灰度图像O。

为了展示本发明所能达到的效果，下面将上述方法应用于一个具体实施例中，其具体步骤不再赘述，下面主要展示其具体参数和技术效果。

实施例

本实施例中，按照前述的步骤S1～S7进行可逆信息隐藏，其具体结果展示如下：

表1给出了实验结果：“AMBTC PSNR(dB)”和“PSNR(dB)”分别是AMBTC解压后的图像视觉效果和隐写图像的视觉效果。由表1可知,隐写后图像的PSNR降低的非常小，除了图像“飞机”。隐写图像平均PSNR值为31.47dB,与AMBTC压缩图像的PSNR比平均下降了1.35dB，因此具有较高的图像视觉质量。秘密信息量可通过峰值位图数量C和每次可藏入秘密信息的长度P计算得到，公式如下：

S＝P×(C-1)

为了进一步观察和分析本发明提出的方案的性能，表2列出了不同阈值下的图像视觉效果PSNR和隐藏能力HC的结果。实验结果表明，阈值可以调控PSNR和HC的性能。随着TH的增加，HC增加，但是PSNR一直保持较高值。

表1本发明方案的实验效果

表2TH取值1-16时，PSNR和HC

图6表示当阈值增加时，整体PSNR值略有下降。当阈值为8到15时，PSNR趋于不变。当阈值设置为16时，隐藏容量最大，图像视觉效果PSNR达到最小，但仍维持在较高水平。

从图7可以看出，开始时，信息隐藏能力随着阈值的增大而逐渐增大。但是，当阈值取值8到15时，信息隐藏能力是稳定的，保持在同一水平，其原因是受P值影响，P是每个位图中要嵌入的秘密信息的长度。当阈值设置为16时，信息隐藏容量达到最大值。

为了进一步说明发明的优越性能，本发明的方案将与Lo等人的方法在信息嵌入率(ER)和信息隐藏能力(HC)方面进行比较。

由表3可知，Lo等人方案和本发明提出的方案的平均信息隐藏能力分别为2487比特、4277比特。本发明提的方案的信息隐藏能力明显高于Lo et al.(2011)方案。由于两种方法使用了类似的压缩方法BTC或AMBTC，所以它们具有相同大小的隐写图像压缩码(Q)，即(512×512×8/4)＝524288比特。表3可知，二种方法的平均ER分别为0.0047、0.0082。因此，本发明的方案具有更好的数据隐藏能力和更高的信息嵌入率。

表3本发明的方案与Lo等人的方法进行了HC和ER的比较

其中The proposed scheme为本发明的方法，其余上述所提到的现有技术中的方法对应参考文献如下：

[1]Lo,C.C.,Hu,Y.C.,Chen,W.L.et al.(2014)‘Reversible data hidingscheme for BTC-compressed images based on histogram shifting,’InternationalJournal of Security and Its Applications,Vol.8,No.2,pp.301-314.

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于AMBTC压缩技术和汉明距离的可逆信息隐藏方法，其特征在于，具体步骤如下：

S1：将原始标准灰度图像O，分割成m×m大小的不重叠图像块；

S2：对每个图像块经过AMBTC压缩后，得到一个三元组(h,l,B)，其中h为高量化值、l为低量化值，B为位图；

S3：按序取出每个图像块的位图中的0和1位元值，形成m×m位的二进制数值，将二进制数值转换为十进制数值，统计所有位图的十进制数值中每个十进制数值的频数a_i，其中a_i最大的十进制数对应的位图为峰值位图；

S4：将0～65535中的每个十进制数字转换成16bit的二进制字符串A，将峰值位图按序取出0和1位元值，也形成16bit的二进制字符串B，计算每个字符串A各自与字符串B之间的汉明距离，将汉明距离小于等于阈值TH的字符串A按序收集，形成字符串表；

S5：统计出字符串表中字符串A的总个数N，并计算每次可藏入秘密信息的长度P：

其中运算符表示向下取整；

S6：按照S61～S64步骤将秘密信息嵌入到AMBTC压缩码中，得到隐写图像；

S61：将所有的峰值位图所在压缩块里的两个量化值进行对调，得到(l,h)；

S62：从待隐藏的二进制秘密信息流中顺次提取一段长为P的秘密信息串，将提取的秘密信息串转化为十进制数值T，在字符串表中找到索引值为T的字符串；再以该字符串替代除第一个峰值位图之外的首个尚未被嵌入秘密信息的峰值位图，完成对该峰值位图的秘密信息嵌入；

S63：不断重复S62过程，直到最后一个峰值位图被嵌入秘密信息，获得藏有秘密信息的AMBTC压缩码；

S64：利用藏有秘密信息的AMBTC压缩码进行重构，得到AMBTC隐写图像O^′，将隐写图像O^′发送至接收端；

S7：接收端收到隐写图像O^′后，提取隐写图像O^′中的秘密信息，恢复原始灰度图。

2.根据权利要求1所述的基于AMBTC压缩技术和汉明距离的可逆信息隐藏方法，其特征在于，所述的S1中，标准灰度图像O的大小为512×512，设置m＝4。

3.根据权利要求2所述的基于AMBTC压缩技术和汉明距离的可逆信息隐藏方法，其特征在于，所述的S2中，每个图像块经过AMBTC压缩后，得到一个三元组(h,l,B)，其中高量化值h、低量化值l和位图B的计算具体公式如下：

其中：x_i表示图像块中的第i个像素值，n表示图像块中像素值大于等于平均像素值的像素个数，B_i表示位图B中对应于第i个像素的位元值，运算符/>表示向下取整。

4.根据权利要求3所述的基于AMBTC压缩技术和汉明距离的可逆信息隐藏方法，其特征在于，所述S3中，位图中的4×4个位元值，需按照从左到右，从上到下的顺序，按序取出连接成16位的二进制数值。

5.根据权利要求3所述的基于AMBTC压缩技术和汉明距离的可逆信息隐藏方法，其特征在于，所述S4中，字符串表中的每一个字符串均具有索引，索引值依次为1,2,……,N。

6.根据权利要求4所述的基于AMBTC压缩技术和汉明距离的可逆信息隐藏方法，其特征在于，所述S6中，以16bit的字符串替代尚未被嵌入秘密信息的峰值位图时，将字符串中的16位数字按照从左到右，从上到下的顺序依次替换峰值位图的16个位元值。

7.根据权利要求6所述的基于AMBTC压缩技术和汉明距离的可逆信息隐藏方法，其特征在于，所述S7的具体过程如下：

S71：接收端将隐写图像O′按光栅扫描顺序，分割成大小为m×m不重叠的图像块，每个图像块进行AMBTC压缩后得到压缩码(h’，l’，B’)；

S72：从AMBTC压缩码中，搜索到第一个量化值对调为(l,h)的块，从而确定峰值位图；

S73：根据确定的峰值位图和阈值TH，通过汉明距离计算方法，按照S4重新得到字符串表；

S74：从第二个峰值位图开始，提取每个峰值位图，确定峰值位图的二进制字符串在字符串表中的索引值T，将索引值T转换为二进制，即为该峰值位图中藏入的秘密信息；对每个峰值位图里的秘密信息后，顺次连接得到隐藏的二进制秘密信息流；

S75：用第一个峰值位图覆盖其他所有峰值位图，得到原始的AMBTC压缩码，利用压缩码，恢复得到原始的灰度图像O。