CN111968023B - 一种基于emd矩阵的双图像可逆数据隐藏方法 - Google Patents

一种基于emd矩阵的双图像可逆数据隐藏方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了数据隐藏技术领域的一种基于EMD矩阵的双图像可逆数据隐藏方法，包括：步骤S10、创建EMD矩阵E、密钥、原始灰度图像m，并利用密钥生成二进制数据串S；步骤S20、将秘密数据M分为第一数据M1和第二数据M2；步骤S30、将原始灰度图像m的像素点p遍历映射到EMD矩阵E，得到点E(p,p)；步骤S40、基于二进制数据串S、第一数据M1以及点E(p,p)，确定第二数据M2在EMD矩阵E中的隐藏区域；步骤S50、基于隐藏区域以及第二数据M2，确定第二数据M2的隐藏位置，利用原始灰度图像m拆分存储隐藏位置，生成秘密图像m1以及秘密图像m2，完成数据隐藏。本发明的优点在于：极大的提升了数据藏量以及藏入秘密数据后的图像品质。

Description

一种基于EMD矩阵的双图像可逆数据隐藏方法
技术领域
本发明涉及数据隐藏技术领域，特别指一种基于EMD矩阵的双图像可逆数据隐藏方法。
背景技术
随着计算机及网络技术的普及，人们很方便的在网络上进行信息传递及数据共享。然而，数据暴露在公开的网络上，很容易被攻击者窃取、修改或者破坏。为了提高传输数据的保密性，一般利用加密算法，如DES，AES或RSA等对传输的数据进行加密。但是这些传统的加密算法不仅复杂性高，加解密需要耗费时间资源，且加密后的数据是无意义的数据，这反倒更容易引起攻击者的猜疑，从而引起攻击者对数据的窃取或者破坏。
数据隐藏是另一种有效的数据保护方法，通过藏入算法将需要传输的秘密数据藏入到介质(如图像、音频、视频、文件等)中，并且保证图像在藏完秘密数据前后，以人的肉眼来看差别不大，即保持图像的高品质。因此，带有秘密数据的图像在网络上传输时，就不容易引起攻击者怀疑。而在图像的接收方，可利用萃取算法将秘密数据提取出来。萃取秘密数据后，根据是否可以将原始图像还原出来，数据隐藏分为可逆数据隐藏和不可逆数据隐藏。可逆数据隐藏由于其可以完全恢复出原始图像，因此更适用于一些特定的不允许原始图像有任何的失真的场合，如医疗、军事及授权等领域上的应用。而不可逆数据隐藏虽然没有办法完全恢复出原始图像，但是一般能获得较高的藏量，即可以藏入较多的秘密数据。
双图像可逆数据隐藏算法是一种可逆数据隐藏的特殊应用。它将秘密数据藏入原始图像后，会生成两个带有秘密数据的图像。当前仅当这两个带有秘密数据的图像都被获取到时，通过这两个图像的配合才能萃取出藏入的秘密数据同时实现原始图像的还原。而单一的带有秘密数据的图像则不会泄漏任何的秘密数据，且无法还原出原始图像。
在数据隐藏技术领域中，一个算法的优劣可以通过藏量(ER)和藏入秘密数据后的图像品质(PSNR)来衡量；ER的计量单位是bpp，即单个像素能藏入的比特数；PSNR的计量单位是dB，即图像的峰值信噪比；ER和PSNR的值越大表示算法越优；PSNR用以下公式来计算：
Figure GDA0003594104440000021
其中H和W表示图像的宽度和高度，m和m1表示原始图像和藏有秘密数据的图像，下标(i,j)表示第i行第j列的位置。
然而，传统的双图像可逆数据隐藏算法存在数据藏量不高或者藏入秘密数据后的图像品质不高的缺点。因此，如何提供一种基于EMD矩阵的双图像可逆数据隐藏方法，实现提升数据藏量以及藏入秘密数据后的图像品质，成为一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题，在于提供一种基于EMD矩阵的双图像可逆数据隐藏方法，实现提升数据藏量以及藏入秘密数据后的图像品质。
本发明是这样实现的：一种基于EMD矩阵的双图像可逆数据隐藏方法，包括如下步骤：
步骤S10、创建一EMD矩阵E、一密钥、一原始灰度图像m，并利用所述密钥生成一二进制数据串S；
步骤S20、将秘密数据M分为第一数据M1和第二数据M2，其中第一数据M1为二进制数据串，第二数据M2为五进制数据串；
步骤S30、将原始灰度图像m的像素点p遍历映射到EMD矩阵E，得到点E(p,p)；
步骤S40、基于所述二进制数据串S、第一数据M1以及点E(p,p)，确定所述第二数据M2在EMD矩阵E中的隐藏区域；
步骤S50、基于所述隐藏区域以及第二数据M2，确定所述第二数据M2的隐藏位置，利用所述原始灰度图像m拆分存储隐藏位置，生成秘密图像m1以及秘密图像m2，完成数据隐藏。
进一步地，所述步骤S10中，所述EMD矩阵E的横坐标和纵坐标的取值范围均为[0,255]；所述EMD矩阵E的元素值为同一行自左向右依次加1，同一列自下而上依次加2的初始元素值的模5取值。
进一步地，所述步骤S30具体为：
遍历原始灰度图像取出像素点p，基于所述像素点p构建像素对(p,p)，并将所述像素对(p,p)映射到EMD矩阵E，得到点E(p,p)；其中p为整数，且取值范围为[0,255]，E(p,p)的取值范围为[0,4]。
进一步地，所述步骤S40具体包括：
步骤S41、判断所述点E(p,p)是否为边缘点，若否，则进入步骤S42；若是，则不作处理，并结束流程；
步骤S42、从所述二进制数据串S中按顺序获取其中一个二进制数s，判断所述二进制数s的取值是否为1，若是，则进入步骤S43；若否，则进入步骤S44；
步骤S43、从所述第一数据M1中按顺序获取一个二进制数b，判断所述二进制数b的取值是否为0，若是，则将点E(p,p)右边的四个元素以及点E(p,p)设为隐藏区域，并进入步骤S50；若否，则将点E(p,p)左边的五个元素设为隐藏区域，并进入步骤S50；
步骤S44、从所述第一数据M1中按顺序获取一个二进制数b，判断所述二进制数b的取值是否为0，若是，则将点E(p,p)下边的四个元素以及点E(p,p)设为隐藏区域，并进入步骤S50；若否，则将点E(p,p)上边的五个元素设为隐藏区域，并进入步骤S50。
进一步地，所述步骤S41中，所述判断所述点E(p,p)是否为边缘点具体为：
判断所述点E(p,p)的p的取值范围是否为[0,4]或者[252,255]，若是，则为边缘点；若否，则不是边缘点。
进一步地，所述步骤S50具体为：
从所述第二数据M2中按顺序获取一个五进制数d，找到所述隐藏区域中与五进制数d数值相同的元素值，确定该元素值的坐标为E(p1,p2)，并将所述p1赋值给原始灰度图像m中的像素点p生成秘密图像m1，将所述p2赋值给原始灰度图像m中的像素点p生成秘密图像m2，完成数据隐藏。
进一步地，还包括数据恢复算法，包括如下步骤：
步骤S60、从所述秘密图像m1以及秘密图像m2的相同位置分别遍历取出p1和p2，基于所述p1和p2构建点E(p1,p2)；
步骤S70、判断所述p1和p2的值是否相等，且属于边缘点，若否，则所述点E(p1,p2)为隐藏的第二数据M2，即所述五进制数d，并进入步骤S80；若是，则所述点E(p1,p2)未隐藏秘密数据M，结束流程；
步骤S80、判断所述p1是否小于p2，若是，则所述第一数据M1的取值为1；若否，则所述第一数据M1的取值为0，完成数据恢复。
进一步地，还包括图像恢复算法，包括如下步骤：
步骤S90、判断所述p1和p2的值是否相等，若是，则将所述p1赋值给像素点p；若否，则进入步骤S91；
步骤S91、从所述二进制数据串S中按顺序获取其中一个二进制数s，判断所述二进制数s的取值是否为0，若是，则将所述p2赋值给像素点p；若否，则将所述p1赋值给像素点p；完成所述原始灰度图像的恢复。
本发明的优点在于：
通过将p的取值范围为[0,4]或者[252,255]的点E(p,p)设为边缘点，即EMD矩阵E的左边五列、右边四列、上边五行、下边四行的点设为边缘点，其余部分均可用于隐藏数据，极大的提升了数据藏量；通过将数据隐藏在点E(p,p)的上下左右五个或四个点的隐藏区域内，即对图像的改动较小，极大的提升了藏入秘密数据后的图像品质，且算法简单易行。
附图说明
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
图1是本发明一种基于EMD矩阵的双图像可逆数据隐藏方法的流程图。
图2是本发明EMD矩阵E的示意图。
图3是本发明的算法实例图。
图4是本发明数据隐藏与恢复的示意图。
具体实施方式
请参照图1至图4所示，本发明一种基于EMD矩阵的双图像可逆数据隐藏方法的较佳实施例，包括如下步骤：
步骤S10、创建一EMD矩阵(Exploiting Modification Direction)E、一密钥、一原始灰度图像m，并利用所述密钥生成一二进制数据串S；
步骤S20、将秘密数据M分为第一数据M1和第二数据M2，其中第一数据M1为二进制数据串，第二数据M2为五进制数据串；
步骤S30、将原始灰度图像m的像素点p遍历映射到EMD矩阵E，得到点E(p,p)，即进行模5运算；
步骤S40、基于所述二进制数据串S、第一数据M1以及点E(p,p)，确定所述第二数据M2在EMD矩阵E中的隐藏区域；
步骤S50、基于所述隐藏区域以及第二数据M2，确定所述第二数据M2的隐藏位置，利用所述原始灰度图像m拆分存储隐藏位置，生成秘密图像m1以及秘密图像m2，完成数据隐藏。
所述步骤S10中，所述EMD矩阵E的横坐标和纵坐标的取值范围均为[0,255]；所述EMD矩阵E的元素值为同一行自左向右依次加1，同一列自下而上依次加2的初始元素值的模5取值；例如最下面一行的初始元素值从左至右依次为0、1、2、3、4、5、6……，进行模5运算后的元素值为0、1、2、3、4、0、1……，最左边一列的初始元素值从下至上依次为0、2、4、6、8、10、12……，进行模5运算后的元素值为0、2、4、1、3、0、2……。
所述步骤S30具体为：
遍历原始灰度图像取出像素点p，基于所述像素点p构建像素对(p,p)，并将所述像素对(p,p)映射到EMD矩阵E，得到点E(p,p)，即对所述像素对(p,p)进行模5运算；其中p为整数，且取值范围为[0,255]，E(p,p)的取值范围为[0,4]。
所述步骤S40具体包括：
步骤S41、判断所述点E(p,p)是否为边缘点，若否，则进入步骤S42；若是，则不作处理，并结束流程；
步骤S42、从所述二进制数据串S中按顺序获取其中一个二进制数s，判断所述二进制数s的取值是否为1，若是，则进入步骤S43；若否，则进入步骤S44；
步骤S43、从所述第一数据M1中按顺序获取一个二进制数b，判断所述二进制数b的取值是否为0，若是，则将点E(p,p)右边的四个元素以及点E(p,p)设为隐藏区域，并进入步骤S50；若否，则将点E(p,p)左边的五个元素设为隐藏区域，并进入步骤S50；
步骤S44、从所述第一数据M1中按顺序获取一个二进制数b，判断所述二进制数b的取值是否为0，若是，则将点E(p,p)下边的四个元素以及点E(p,p)设为隐藏区域，并进入步骤S50；若否，则将点E(p,p)上边的五个元素设为隐藏区域，并进入步骤S50。
所述步骤S41中，所述判断所述点E(p,p)是否为边缘点具体为：
判断所述点E(p,p)的p的取值范围是否为[0,4]或者[252,255]，若是，则为边缘点；若否，则不是边缘点。由于所述点E(p,p)的上边和左边的五个元素以及右边和下边的四个元素可能为隐藏区域，当所述点E(p,p)为边缘点时可能导致隐藏区域缺失，因此需要判断所述点E(p,p)是否为边缘点，若是，则不隐藏数据。
所述步骤S50具体为：
从所述第二数据M2中按顺序获取一个五进制数d，找到所述隐藏区域中与五进制数d数值相同的元素值，确定该元素值的坐标为E(p1,p2)，并将所述p1赋值给原始灰度图像m中的像素点p生成秘密图像m1，将所述p2赋值给原始灰度图像m中的像素点p生成秘密图像m2，完成数据隐藏。
例如图3所示，当原始灰度图像m＝{2,5,7}，二进制数据串S＝{1,0}，第一数据M1＝{(1)2,(0)2}，第二数据M2＝{(3)5,(3)5}，则构建像素对(2,2)、(5,5)，(7,7)映射到EMD矩阵E，得到E(2,2)＝1,E(5,5)＝0，E(7,7)＝1。
由于E(2,2)为边缘点，不进行数据的隐藏。以E(5,5)为例，从二进制数据串S中取出一个二进制数1，从第一数据M1中按顺序取出一个二进制数b＝1，即隐藏区域为E(5,5)左边的五个点，从第二数据M2中按顺序取出一个五进制数d＝3，隐藏区域中值为3的点为E(3,5)，即p1＝3赋值给m1，p2＝5赋值给m2。
还包括数据恢复算法，包括如下步骤：
步骤S60、从所述秘密图像m1以及秘密图像m2的相同位置分别遍历取出p1和p2，基于所述p1和p2构建点E(p1,p2)；
步骤S70、判断所述p1和p2的值是否相等，且属于边缘点，若否，则所述点E(p1,p2)为隐藏的第二数据M2，即所述五进制数d，并进入步骤S80；若是，则所述点E(p1,p2)未隐藏秘密数据M，结束流程；
步骤S80、判断所述p1是否小于p2，若是，则所述第一数据M1的取值为1；若否，则所述第一数据M1的取值为0，完成数据恢复。
还包括图像恢复算法，包括如下步骤：
步骤S90、判断所述p1和p2的值是否相等，若是，则将所述p1(p2)赋值给像素点p；若否，则进入步骤S91；
步骤S91、从所述二进制数据串S中按顺序获取其中一个二进制数s，判断所述二进制数s的取值是否为0，若是，则将所述p2赋值给像素点p；若否，则将所述p1赋值给像素点p；完成所述原始灰度图像的恢复。
综上所述，本发明的优点在于：
通过将p的取值范围为[0,4]或者[252,255]的点E(p,p)设为边缘点，即EMD矩阵E的左边五列、右边四列、上边五行、下边四行的点设为边缘点，其余部分均可用于隐藏数据，极大的提升了数据藏量；通过将数据隐藏在点E(p,p)的上下左右五个或四个点的隐藏区域内，即对图像的改动较小，极大的提升了藏入秘密数据后的图像品质，且算法简单易行。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (5)

1.一种基于EMD矩阵的双图像可逆数据隐藏方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤S10、创建一EMD矩阵E、一密钥、一原始灰度图像m，并利用所述密钥生成一二进制数据串S；
步骤S20、将秘密数据M分为第一数据M1和第二数据M2，其中第一数据M1为二进制数据串，第二数据M2为五进制数据串；
步骤S30、将原始灰度图像m的像素点p遍历映射到EMD矩阵E，得到点E(p,p)；
步骤S40、基于所述二进制数据串S、第一数据M1以及点E(p,p)，确定所述第二数据M2在EMD矩阵E中的隐藏区域；
步骤S50、基于所述隐藏区域以及第二数据M2，确定所述第二数据M2的隐藏位置，利用所述原始灰度图像m拆分存储隐藏位置，生成秘密图像m1以及秘密图像m2，完成数据隐藏；
所述步骤S40具体包括：
步骤S41、判断所述点E(p,p)是否为边缘点，若否，则进入步骤S42；若是，则不作处理，并结束流程；
步骤S42、从所述二进制数据串S中按顺序获取其中一个二进制数s，判断所述二进制数s的取值是否为1，若是，则进入步骤S43；若否，则进入步骤S44；
步骤S43、从所述第一数据M1中按顺序获取一个二进制数b，判断所述二进制数b的取值是否为0，若是，则将点E(p,p)右边的四个元素以及点E(p,p)设为隐藏区域，并进入步骤S50；若否，则将点E(p,p)左边的五个元素设为隐藏区域，并进入步骤S50；
步骤S44、从所述第一数据M1中按顺序获取一个二进制数b，判断所述二进制数b的取值是否为0，若是，则将点E(p,p)下边的四个元素以及点E(p,p)设为隐藏区域，并进入步骤S50；若否，则将点E(p,p)上边的五个元素设为隐藏区域，并进入步骤S50；
所述步骤S41中，所述判断所述点E(p,p)是否为边缘点具体为：
判断所述点E(p,p)的p的取值范围是否为[0,4]或者[252,255]，若是，则为边缘点；若否，则不是边缘点；
所述步骤S50具体为：
从所述第二数据M2中按顺序获取一个五进制数d，找到所述隐藏区域中与五进制数d数值相同的元素值，确定该元素值的坐标为E(p1,p2)，并将所述p1赋值给原始灰度图像m中的像素点p生成秘密图像m1，将所述p2赋值给原始灰度图像m中的像素点p生成秘密图像m2，完成数据隐藏。
2.如权利要求1所述的一种基于EMD矩阵的双图像可逆数据隐藏方法，其特征在于：所述步骤S10中，所述EMD矩阵E的横坐标和纵坐标的取值范围均为[0,255]；所述EMD矩阵E的元素值为同一行自左向右依次加1，同一列自下而上依次加2的初始元素值的模5取值。
3.如权利要求1所述的一种基于EMD矩阵的双图像可逆数据隐藏方法，其特征在于：所述步骤S30具体为：
遍历原始灰度图像取出像素点p，基于所述像素点p构建像素对(p,p)，并将所述像素对(p,p)映射到EMD矩阵E，得到点E(p,p)；其中p为整数，且取值范围为[0,255]，E(p,p)的取值范围为[0,4]。
4.如权利要求1所述的一种基于EMD矩阵的双图像可逆数据隐藏方法，其特征在于：还包括数据恢复算法，包括如下步骤：
步骤S60、从所述秘密图像m1以及秘密图像m2的相同位置分别遍历取出p1和p2，基于所述p1和p2构建点E(p1,p2)；
步骤S70、判断所述p1和p2的值是否相等，且属于边缘点，若否，则所述点E(p1,p2)为隐藏的第二数据M2，即所述五进制数d，并进入步骤S80；若是，则所述点E(p1,p2)未隐藏秘密数据M，结束流程；
步骤S80、判断所述p1是否小于p2，若是，则所述第一数据M1的取值为1；若否，则所述第一数据M1的取值为0，完成数据恢复。
5.如权利要求4所述的一种基于EMD矩阵的双图像可逆数据隐藏方法，其特征在于：还包括图像恢复算法，包括如下步骤：
步骤S90、判断所述p1和p2的值是否相等，若是，则将所述p1赋值给像素点p；若否，则进入步骤S91；
步骤S91、从所述二进制数据串S中按顺序获取其中一个二进制数s，判断所述二进制数s的取值是否为0，若是，则将所述p2赋值给像素点p；若否，则将所述p1赋值给像素点p；完成所述原始灰度图像的恢复。
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基于SVD和EMD-S编码的隐藏算法;董振华等;《微型机与应用》;20160930;第35卷(第18期);全文 *
基于图像插值和参考矩阵的可逆信息隐藏算法;孙容海;《广西师范大学学报(自然科学版)》;20190415;第37卷(第2期);全文 *

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