CN113099068B - 基于双图像的大容量像素值排序可逆信息隐藏方法 - Google Patents

基于双图像的大容量像素值排序可逆信息隐藏方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于双图像的大容量像素值排序可逆信息隐藏方法。本发明所述的一种基于双图像的大容量像素值排序可逆信息隐藏方法对图像进行分块并对每块像素从小到大排序后，计算最大和最小像素的预测误差，根据预测误差和秘密信息的第一位数值确定本次嵌入秘密信息的位数m，然后根据m的值和秘密信息对应的十进制获得对应的序列号α，根据α的值在两张载密图像上对最大和最小像素进行相应的修改去嵌入秘密信息，最后在第一张载密图像嵌入附加信息用来保证提取和原始图像的恢复。本发明所述的一种基于双图像的大容量像素值排序可逆信息隐藏方法具有嵌入容量大、载密图像视觉质量高、算法简单、应用范围广的优点。

Description

基于双图像的大容量像素值排序可逆信息隐藏方法
技术领域
本发明涉及信息隐藏领域，特别是涉及一种基于双图像的大容量像素值排序可逆信息隐藏方法。
背景技术
随着互联网的快速发展和移动智能设备的普及，数字媒体已经成为政治、军事、商业及个人通信的重要载体，这给信息安全带了新的挑战。传统的密码学方法虽然可以将明文转换成密文，但密文在公开信道上传递时很容易引起第三方监听者的注意，因此可能会造成秘密信息被破坏或者被截断。
信息隐藏将秘密信息嵌入到自然载体中而不改变其感知特性，通过载密载体在公开信道上的传递来完成秘密信息的传输。另外，信息隐藏还可以用于数字水印，可以很好地解决诸如版权保护和篡改鉴定之类的需求。图像、视频、语音、文本等多种数字媒体都可以作为信息隐藏的载体，但目前大多数的信息隐藏研究都围绕图像展开，本方法也围绕图像展开。可逆信息隐藏算法能将嵌入到数字多媒体的附加信息丝毫不差地提取出来，还可将数字多媒体无损的恢复。正是由于可逆信息隐藏算法能够适应不同需求下的应用场景，其算法得到了广泛的研究与应用。目前可逆信息隐藏方法可分为单图像和双图像两大类。
在单图像可逆信息隐藏领域中，像素值排序技术是近年来最为流行的技术。李等人[1]在2012年首次提出了基于像素值排序(Pixel value ordering，PVO)的可逆信息隐藏方法，这种方法先将图像分成大小相同的非重叠块并对块内像素按照从小到大的顺序排序，然后用第二大像素值预测最大像素值，用第二小像素值预测最小像素值，最后通过预测误差扩展的方式将秘密信息嵌入到最大和最小像素中；2013年，彭等人[2]通过考虑像素位置关系计算得到了新的预测误差，这提升了原始像素值排序的方法的嵌入容量；同年，欧等人[3]提出了一种名为PVO-K的像素值排序方法，这种方法一性次修改同个块内的k个最大和最小像素；之后，王等人[4]应用了动态划分策略进一步提升了嵌入容量；Qu等人[5]提出了基于像素的PVO方法，每个像素通过它周围最大和最小的像素进行预测，充分利用了图像的平滑区域；2020年，吴等人[6]提出了一种改进的基于像素的PVO方法，这种方法通过充分利用被预测像素周围的像素得到了更准确的预测值，以此提高了载密图像的视觉质量。但是这些基于像素值排序的方法为了保证可逆性，有许多像素的值被修改，但这些像素并没有携带秘密信息，即有许多像素做了无效修改，因此PVO方法的嵌入容量整体偏低。此外，像素值排序方法需要一个本地地图记录溢出信息，本地地图过大将会造成载密图像质量下降，还需要以手工穷尽的方式确定最优化参数来取得最好嵌入效果。
基于双图像的可逆信息隐藏是近些年来信息隐藏的热点。双图像技术产生两张相似的载密图像来隐藏秘密信息。接收方必须同时拥有两张载密图像才能正确提取秘密信息，使得秘密信息具有更高安全性。Chang等人[7]首先提出了基于方向修改(exploitingmodification direction，EMD)的双图像可逆信息隐藏技术，这种方法通过模函数产生一个256x 256大小的模函数矩阵，两个秘密像素的值通过5x5大小的子矩阵对角线的值决定；秦等人[8]使用EMD方法在第一张载密图像上嵌入秘密信息，并根据第一张载密图像自适应的修改第二张秘密图像；Lu等人[9]提出了基于中心折叠策略的双图像可逆信息隐藏技术，k位二进制秘密信息被转换为十进制后再通过中心折叠策略嵌入到两张载密图像中；Jafar等人[10]利用一对一不对称机制在两张载密图像上嵌入秘密信息，然后用一幅图像作为预测器在另一张图像上通过调整预测误差的方式嵌入秘密信息；随后，姚等人[11]通过给定嵌入容量，自适应的计算最优化参数改进了中心折叠策略；Chi等人[12]将动态编码策略和中心折叠策略结合，他们利用相邻秘密信息符号之间的关系降低最大值的出现频率，从而减少了像素的修改程度。双图像技术通过一次性嵌入k位二进制秘密信息提升了嵌入容量，但k的值大多是固定的，并且对像素的最大修改随着k的增大而增大，这导致载密图像视觉质量也会下降。并且固定的k值使一些双图像方法不能很好的利用像素间关系和图像冗余。
综上所述，现有的图像加密方法主要存在以下问题：
1、传统像素值排序方法嵌入秘密信息容量过小；
2、传统像素值排序方法记录溢出信息的本地地图偏大和最优化参数只能以穷尽方式获得的问题；
3、双图像方法中一次性嵌入秘密信息位数为k，k值是固定的问题，固定的k不能充分利用图像的纹理平滑特性。
发明内容
基于此，本发明的目的在于，提供一种基于双图像的大容量像素值排序可逆信息隐藏方法，将双图像技术和像素值排序技术结合起来，采用全新的嵌入策略，嵌入容量是实际嵌入容量一半的时候，最大嵌入容量是传统像素值排序方法的3.8倍；不需要本地地图记录溢出信息，也不需要任何最优化参数；和现有双图像方法相比，每次嵌入秘密信息的位数m的值是动态可变的，更好的利用图像冗余和像素间关系，减小了对像素的最大修改；产生的载密图像具有较高的视觉质量。本发明所述的一种基于双图像的大容量像素值排序可逆信息隐藏方法具有嵌入容量大、载密图像视觉质量高、算法简单、应用范围广的优点。
一种基于双图像的大容量像素值排序可逆信息隐藏方法，包括如下步骤：
S101：将原始载体图像x复制得到两张初始载密图像x′、x″；
S102：将原始载体图像x和两张初始载密图像x′、x″均划分成k个大小相同的非重叠块{X1，...，Xk}，每个块Xi含有n个像素；对块Xi内的n个像素按照像素值从小到大的顺序排序得到(xσ(1)，...，xσ(n))；
S103：针对每一个像素块Xi，利用以下公式计算最大像素xσ(n)对应的最大预测误差PEmax和最小像素xσ(1)对应的最小预测误差PEmin：
Figure BDA0003013580560000031
其中，xσ(n)为像素块Xi中的最大像素值，xσ(n-1)为像素块Xi中的第二大像素值，xσ(1)为像素块Xi中的最小像素值，xσ(2)为像素块Xi中的第二小像素值；
S104：针对每一个像素块Xi，根据以下公式计算嵌入的秘密信息S的位数m：
Figure BDA0003013580560000032
S105：针对每一个像素块Xi，根据以下公式计算序列号α；
Figure BDA0003013580560000033
其中，S(10)为每一个像素块Xi所要嵌入的m位秘密信息S对应的十进制；
S106：从第一个像素块X1开始，顺次在每个像素块Xi上嵌入对应位数mi的秘密信息，得到两个载密像素块Xi′和Xi″，直至秘密信息S被嵌入完毕，得到两张载密图像x′、x″；最后一个嵌入秘密信息的像素块的索引记为blockend；
针对每一个像素块Xi，嵌入秘密信息的方式为：根据序列号α在两张载密图像x′、x″上对原始最大像素x′σ(n)、x″σ(n)和最小像素x′σ(1)、x″σ(1)进行修改以嵌入秘密信息S，得到四个载密像素，将这四个载密像素写入到对应的原始位置，得到两个载密像素块Xi′和Xi″；
对原始最大像素x′σ(n)、x″σ(n)和最小像素x′σ(1)、x″σ(1)进行修改的具体公式为：
Figure BDA0003013580560000041
Figure BDA0003013580560000042
其中，xσ(n)为原始图像像素块Xi内的最大像素值，x′σ(n)为第一张载密图像像素块Xi′内的最大像素值，x″σ(n)为第二张载密图像像素块Xi″内的最大像素值；xσ(1)为原始图像像素块Xi内的最小像素值，x′σ(1)为第一张载密图像像素块Xi′内的最小像素值，x″σ(1)为第二张载密图像像素块Xi″内的最小像素值，α为步骤S104中计算得到的序列号；
S107：针对第一张载密图像x′的像素块
Figure BDA0003013580560000043
嵌入用于盲提取和恢复原始图像的附加信息，包括嵌入容量、每个像素块的长n1和宽n2以及最后包含秘密信息的像素块的索引blockend。
本发明所述的一种基于双图像的大容量像素值排序可逆信息隐藏方法，将双图像技术和像素值排序技术结合起来，采用全新的嵌入策略，嵌入容量是实际嵌入容量一半的时候，最大嵌入容量是传统像素值排序方法的3.8倍；不需要本地地图记录溢出信息，也不需要任何最优化参数；和现有双图像方法相比，每次嵌入秘密信息的位数m的值是动态可变的，更好的利用图像冗余和像素间关系，减小了对像素的最大修改；产生的载密图像具有较高的视觉质量。
进一步地，还包括与嵌入秘密信息过程相对应的提取秘密信息过程，具体步骤为：
S201：从第一张载密图像x′提取附加信息，得到嵌入容量、每个像素块的长n1和宽n2以及最后包含秘密信息的像素块的索引blockend；
S202：根据每个像素块的长n1和宽n2将两张载密图像x′、x″划分成k个非重叠块{X1′，...，Xk′}和{X1″，...，Xk″}，每个块包含n个像素；将块Xi′、Xi″内的像素按照像素值升序排序获得(x′σ(1)，...，x′σ(n))和(x″σ(1)，...，x″σ(n))。
S203：针对像素块Xi′、Xi″，根据以下公式计算最大和最小载密像素对应的序列号α；
Figure BDA0003013580560000051
其中，x′为第一张载密图像的最大像素时，x″为第二张载密图像中的最大像素；x′为第一张载密图像的最小像素时，x″为第二张载密图像中的最小像素；
S204：针对像素块Xi′、Xi″，根据以下公式计算原始的最大预测误差PEmax和最小预测误差PEmin；
Figure BDA0003013580560000052
其中，x′σ(n)为第一张载密图像像素块Xi′的最大像素，x′σ(n-1)为第一张载密图像像素块Xi′的第二大像素，x″σ(n)为第二张载密图像像素块Xi″的最大像素，x″σ(n-1)为第二张载密图像像素块Xi″的第二大像素，x′σ(1)为第一张载密图像像素块Xi′的最小像素，x′σ(2)为第一张载密图像像素块Xi′的第二小像素，x″σ(1)为第二张载密图像像素块Xi″的最小像素，x″σ(2)为第二张载密图像像素块Xi″的第二小像素；
S205：从第一个像素块X1′、X1″开始，按照编号顺序，从两张载密图像x′、x″中提取秘密信息，并按照编号顺序将所提取的秘密信息拼接起来，得到载入的二进制比特流秘密信息；
针对每个像素块Xi′、Xi″，提取秘密信息的具体方式为；
Figure BDA0003013580560000053
其中，(·)2表示将十进制数转换成二进制；
S206：根据以下公式恢复原始像素；
Figure BDA0003013580560000054
将原始像素xσ(n)和xσ(1)写入相应的原始位置，得到原始载体图像x。
进一步地，步骤S107中，所述用于盲提取和恢复原始图像的附加信息，对应信息量为：
嵌入容量-18比特；
块的长n1和宽n2-4比特；
最后包含秘密信息块的索引blockend-18比特。
进一步地，步骤S107中，嵌入用于盲提取和恢复原始图像的附加信息的具体方式为：
将第一张载密图像x′的最后40个像素的最低有效位(LSB)代替为信息量为40比特的附加信息；
把第一张载密图像x′的最后40个像素的最低有效位(LSB)采用步骤S103-S106中的方式嵌入到块
Figure BDA0003013580560000062
中。
进一步地，步骤S206中，恢复原始像素之前，先使用步骤S205中从块
Figure BDA0003013580560000063
Figure BDA0003013580560000064
中提取秘密信息的附加信息代替第一张载密图像x′最后40个像素的最低有效位。
进一步地，嵌入过程中，不做修改像素的范围是：
Figure BDA0003013580560000061
限定underflow下溢值和overflow上溢值，可防止修改后的像素值超出图像的表示范围。
进一步地，提取过程中，当两个载密像素相等并且属于[0，1]或[254，255]，则原始像素值＝当前像素值。
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于双图像的大容量像素值排序可逆信息隐藏方法的秘密信息嵌入过程流程图；
图2为本发明提供的一种基于双图像的大容量像素值排序可逆信息隐藏方法的秘密信息提取和原始图像恢复过程流程图；
图3为本发明提供的一种基于双图像的大容量像素值排序可逆信息隐藏方法的嵌入策略与传统嵌入策略的效果对比图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施例方式作进一步地详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本申请实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请实施例中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请实施例保护的范围。
在本申请实施例使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请实施例。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
在一个具体的实施例中，x、x′、x′′分别表示原始载体图像、第一张载密图像和第二张载密图像，含有下标σ(n)时表示像素，大写X表示块。嵌入前，秘密信息S要先转换成二进制比特流(只包含0和1)，最初的载密图像x′、x′′由原始载体图像x复制得到，即在秘密信息嵌入前x、x′、x′′三张图像是完全相同的。
一、新的移动策略
在像素值排序的可逆信息方法中，先将图像分成大小相同的非重叠块，每个块包含n个像素，并对块内的像素按照从小到大的顺序进行排序得到(xσ(1)，...，xσ(n))。然后用第二大像素xσ(n-1)预测最大像素xσ(n)，得到相应的最大预测误差PEmax＝xσ(n)-xσ(n-1)。在两张载密图像的最大像素x′σ(n)和x″σ(n)嵌入秘密信息的嵌入操作如表1所示：
表1在两张载密图像最大像素x′σ(n)和x″σ(n)上的嵌入操作
Figure BDA0003013580560000071
Figure BDA0003013580560000081
从表1可以看出，本发明所提供的方法在最大像素x′σ(n)和x″σ(n)上嵌入秘密信息分为PEmax＝0，1和PEmax＞1两类，每次嵌入秘密信息的位数m会根据PEmax的值和秘密信息第一位动态变化，可能是3位、2位或者1位。当嵌入的秘密信息是110或111时，最大像素加2，所以本申请对像素的最大修改是2。同时可以看出当PEmax＞1时，本申请可以嵌入0、10、11三种秘密信息，但是之前的PVO方法当PEmax＞1时，为了保证可逆性，最大像素需要执行xσ(n)＝xσ(n)+1的操作，却没有嵌入任何信息，这使最大像素xσ(n)做了无效修改，如图3所示。
为了更专业化的表达本申请的嵌入操作，假设表1序列号的下标为α(例如α＝1对应S1)，则对最大像素x′σ(n)和x″σ(n)的修改可以用公式(1)表示：
Figure BDA0003013580560000082
可以按照相似的方式对两张图像上的最小像素x′σ(1)和x″σ(1)上嵌入秘密信息。用第二小像素xσ(2)预测最小像素xσ(1)，得到最小预测误差PEmin＝xσ(1)-xσ(2)，相对应的操作和计算方法如表2和公式(2)所示：
表2在两张载密图像最小像素x′σ(1)和x″σ(1)上的嵌入操作
Figure BDA0003013580560000083
Figure BDA0003013580560000091
Figure BDA0003013580560000092
从表2可以看出，本申请在最小像素x′σ(1)和x″σ(1)上嵌入秘密信息的方式和在最大像素的嵌入操作类似，分为PEmin＝0，-1和PEmin＜-1两类，每次嵌入秘密信息的位数m是动态变化的，对像素的最大操作为减2。之前的PVO方法当PEmin＜-1时，最小像素需要执行xσ(1)＝xσ(1)-1的操作保证可逆性，但没有嵌入任何信息，是无效的修改。本申请在在这种情况下仍可以嵌入0、10、11三种信息。
二、嵌入过程
请参阅图1，图1为本发明提供的一种基于双图像的大容量像素值排序可逆信息隐藏方法的秘密信息嵌入过程流程图，下面将按顺序详细描述整个嵌入过程。
S101：将原始载体图像x复制得到两张初始载密图像x′、x″；
S102：将原始载体图像x和两张初始载密图像x′、x″均划分成k个大小相同的非重叠块{X1，...，Xk}，每个块Xi含有n个像素；对块Xi内的n个像素按照像素值从小到大的顺序排序得到(xσ(1)，...，xσ(n))；
S103：针对每一个像素块Xi，利用以下公式计算最大像素xσ(n)对应的最大预测误差PEmax和最小像素xσ(1)对应的最小预测误差PEmin：
Figure BDA0003013580560000093
其中，xσ(n)为像素块Xi中的最大像素值，xσ(n-1)为像素块Xi中的第二大像素值，xσ(1)为像素块Xi中的最小像素值，xσ(2)为像素块Xi中的第二小像素值；
S104：针对每一个像素块Xi，根据以下公式计算嵌入的秘密信息S的位数m：
Figure BDA0003013580560000101
S105：针对每一个像素块Xi，根据以下公式计算序列号α；
Figure BDA0003013580560000102
其中，S(10)为每一个像素块Xi所要嵌入的m位秘密信息S对应的十进制；
S106：从第一个像素块X1开始，顺次在每个像素块Xi上嵌入对应位数mi的秘密信息，得到两个载密像素块Xi′和Xi″，直至秘密信息S被嵌入完毕，得到两张载密图像x′、x″；最后一个嵌入秘密信息的像素块的索引记为blockend；
针对每一个像素块Xi，嵌入秘密信息的方式为：根据序列号α在两张载密图像x′、x″上对原始最大像素x′σ(n)、x″σ(n)和最小像素x′σ(1)、x″σ(1)进行修改以嵌入秘密信息S，得到四个载密像素，将这四个载密像素写入到对应的原始位置，得到两个载密像素块Xi′和Xi″；
对原始最大像素x′σ(n)、x″σ(n)和最小像素x′σ(1)、x″σ(1)进行修改的具体公式为：
Figure BDA0003013580560000103
Figure BDA0003013580560000104
其中，xσ(n)为原始图像像素块Xi内的最大像素值，x′σ(n)为第一张载密图像像素块Xi′内的最大像素值，x″σ(n)为第二张载密图像像素块Xi″内的最大像素值；xσ(1)为原始图像像素块Xi内的最小像素值，x′σ(1)为第一张载密图像像素块Xi′内的最小像素值，x″σ(1)为第二张载密图像像素块Xi″内的最小像素值，α为步骤S104中计算得到的序列号；
S107：针对第一张载密图像x′的像素块
Figure BDA0003013580560000111
嵌入用于盲提取和恢复原始图像的附加信息，包括嵌入容量、每个像素块的长n1和宽n2以及最后包含秘密信息的像素块的索引blockend。
第一张载密图像x′的最后40个像素的最低有效位(LSB)被以下附加信息代替：
·嵌入容量(18比特)；
·块的长n1和宽n2(4比特)；
·最后包含秘密信息块的索引blockend(18比特)。
最后，把x′的最后40个像素的最低有效位(LSB)采用步骤S103-S106中的方式嵌入到块
Figure BDA0003013580560000112
中，整个嵌入过程到此结束。
三、提取和恢复过程
请参阅图2，图2为本发明提供的一种基于双图像的大容量像素值排序可逆信息隐藏方法的秘密信息提取和原始载体图像恢复的过程流程图，下面将按顺序详细描述整个嵌入过程。
S201：从第一张载密图像x′提取附加信息，得到嵌入容量、每个像素块的长n1和宽n2以及最后包含秘密信息的像素块的索引blockend；
S202：根据每个像素块的长n1和宽n2将两张载密图像x′、x″划分成k个非重叠块{X1′，...，Xk′}和{X1″，...，Xk″}，每个块包含n个像素；将块Xi′、Xi″内的像素按照像素值升序排序获得(x′σ(1)，...，x′σ(n))和(x″σ(1)，...，x″σ(n))。
S203：针对像素块Xi′、Xi″，根据以下公式计算最大和最小载密像素对应的序列号α；
Figure BDA0003013580560000113
其中，x′为第一张载密图像的最大像素时，x″为第二张载密图像中的最大像素；x′为第一张载密图像的最小像素时，x″为第二张载密图像中的最小像素；
S204：针对像素块Xi′、Xi″，根据以下公式计算原始的最大预测误差PEmax和最小预测误差PEmin；
Figure BDA0003013580560000121
其中，x′σ(n)为第一张载密图像像素块Xi′的最大像素，x′σ(n-1)为第一张载密图像像素块Xi′的第二大像素，x″σ(n)为第二张载密图像像素块Xi″的最大像素，x″σ(n-1)为第二张载密图像像素块Xi″的第二大像素，x′σ(1)为第一张载密图像像素块Xi′的最小像素，x′σ(2)为第一张载密图像像素块Xi′的第二小像素，x″σ(1)为第二张载密图像像素块Xi″的最小像素，x″σ(2)为第二张载密图像像素块Xi″的第二小像素；
S205：从第一个像素块X1′、X1″开始，按照编号顺序，从两张载密图像x′、x″中提取秘密信息，并按照编号顺序将所提取的秘密信息拼接起来，得到载入的二进制比特流秘密信息；
针对每个像素块Xi′、Xi″，提取秘密信息的具体方式为；
Figure BDA0003013580560000122
其中，(·)2表示将十进制数转换成二进制；
S206：根据以下公式恢复原始像素；
Figure BDA0003013580560000123
将原始像素xσ(n)和xσ(1)写入相应的原始位置，得到原始载体图像x。
优选地，步骤S206中，恢复原始像素之前，先使用步骤S205中从块
Figure BDA0003013580560000124
中提取秘密信息的附加信息代替第一张载密图像x′最后40个像素的最低有效位。
四、溢出处理
对于所有的可逆信息隐藏方法，溢出问题是不可避免的。为了防止修改后的像素值超出图像的表示范围，一些原始像素在嵌入过程中不会做修改，不做修改像素的范围是：
Figure BDA0003013580560000125
所以像素值在[0，1]和[254，255]范围内的像素不会被嵌入信息，也不会做任何修改。其余的像素都会通过上面描述的嵌入方式嵌入秘密信息，在提取和恢复过程中，如果两个载密像素相等并且属于[0，1]或[254，255]，那么当前的像素值就是原始像素的值。
五、结果比较
本方法在Matlab_2018b软件进行了实验，实验采用了USC-SIPI数据库的8张标准灰度图片Lena、Baboon、Ariplane、Barara、Elaine、Lake、Boat、Pepper(http://sipi.usc.edu/database/database.php？volume＝misc.)。通常用嵌入容量和PSNR(峰值信噪比)衡量一个信息隐藏方法的好坏，嵌入容量指嵌入秘密信息的比特数，PSNR(峰值信噪比)用于衡量载密图像和原始图像相似程度，PSNR的值越大，表示两幅图像越相似，反之亦然。对于两幅灰度图像PSNR计算方法如下：
Figure BDA0003013580560000131
其中MSE是指均方误差(mean square error)。对于两张大小为m×n的灰度图像，假设Aij和A′ij分别代表第一张和第二张图像第i行j列的像素值，则MSE计算方法如下：
Figure BDA0003013580560000132
和单图像的像素值排序方法比较结果如表3所示，因为本方法产生了两张载密图像，在和单图像的方法相比时嵌入容量需要减半，所以表中的嵌入容量是真实嵌入容量的一半，其中吴等人[6]提出的的像素值排序方法是2020年最新提出的。从表1可以看出，申请方法的平均嵌入容量比李等人[1]、彭等人[2]、欧等人[3]、吴等人[6]的方法分别多了89250bits、84875bits、85750bits、85000bits，至少是比较方法嵌入容量的3.8倍。维持较高嵌入容量的同时，本申请平均的PSNR值比其它方法至少高了1.17dB，所以本申请不管在嵌入容量还是图像质量都具有明显的优势。
表3本申请方法和李等人[1]，彭等人[2]，欧等人[3]，吴等人[6]的方法最大嵌入容量(bits)和相对应的PSNR(dB)结果比较
Figure BDA0003013580560000133
Figure BDA0003013580560000141
本申请和其它双图像方法相比，平均最大嵌入容量基本相同，但是当嵌入相同数量的秘密信息时，本申请的PSNR值要高于其它双图像方法。表2为嵌入容量为50000bits时，本申请和其他双图像方法的比较结果，其中PSNR-1、PSNR-2、PSNR-Avg分别代表第一张载密图像PSNR值、第二张载密图像PSNR值、两张图像平均的PSNR值。从表4可以看出，本申请的平均PSNR值比秦等人[8]、Lu等人[9]、Jafar等人[10]分别高出5.40dB、4.35dB、1.56dB。
表4嵌入容量为50000bits时，本申请的PSNR值和秦等人[8]、Lu等人[9]、Jafar等人[10]的方法的结果比较
Figure BDA0003013580560000142
综上，和单图像的像素值排序方法相比，本申请的平均最大嵌入容量至少是其3.8倍，同时PSNR值还高出吴等人[6]20年最新方法1.17dB。和双图像方法相比，最大嵌入容量持平，但是当嵌入相同数量秘密信息时候，本方法的平均PSNR值比其它双图像方法至少提升了1.56dB。
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以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于双图像的大容量像素值排序可逆信息隐藏方法，其特征在于，包括如下步骤：
S101：将原始载体图像x复制得到两张初始载密图像x′、x″；
S102：将原始载体图像x和两张初始载密图像x′、x″均划分成k个大小相同的非重叠块{X1,…,Xk}，每个块Xi含有n个像素；对块Xi内的n个像素按照像素值从小到大的顺序排序得到(xσ(1),…,xσ(n))，其中，σ＝i；
S103：针对每一个像素块Xi，利用以下公式计算最大像素xσ(n)对应的最大预测误差PEmax和最小像素xσ(1)对应的最小预测误差PEmin：
Figure FDA0003534426900000011
其中，xσ(n)为像素块Xi中的最大像素值，xσ(n-1)为像素块Xi中的第二大像素值，xσ(1)为像素块Xi中的最小像素值，xσ(2)为像素块Xi中的第二小像素值；
S104：针对每一个像素块Xi，根据以下公式计算嵌入的秘密信息S的位数m：
Figure FDA0003534426900000012
S105：针对每一个像素块Xi，根据以下公式计算序列号α；
Figure FDA0003534426900000013
其中，S(10)为每一个像素块Xi所要嵌入的m位秘密信息S对应的十进制；
S106：从第一个像素块X1开始，顺次在每个像素块Xi上嵌入对应位数mi的秘密信息，得到两个载密像素块Xi′和Xi″，直至秘密信息S被嵌入完毕，得到两张载密图像x′、x″；最后一个嵌入秘密信息的像素块的索引记为blockend；
针对每一个像素块Xi，嵌入秘密信息的方式为：根据序列号α在两张载密图像x′、x″上对原始最大像素x′σ(n)、x″σ(n)和最小像素x′σ(1)、x″σ(1)进行修改以嵌入秘密信息S，得到四个载密像素，将这四个载密像素写入到对应的原始位置，得到两个载密像素块Xi′和Xi″；
对原始最大像素x′σ(n)、x″σ(n)和最小像素x′σ(1)、x″σ(1)进行修改的具体公式为：
Figure FDA0003534426900000021
Figure FDA0003534426900000022
其中，xσ(n)为原始图像像素块Xi内的最大像素值，x′σ(n)为第一张载密图像像素块Xi′内的最大像素值，x″σ(n)为第二张载密图像像素块Xi″内的最大像素值；xσ(1)为原始图像像素块Xi内的最小像素值，x′σ(1)为第一张载密图像像素块Xi′内的最小像素值，x″σ(1)为第二张载密图像像素块Xi″内的最小像素值，α为步骤S104中计算得到的序列号；
S107：针对第一张载密图像x′的像素块
Figure FDA0003534426900000023
嵌入用于盲提取和恢复原始图像的附加信息，包括嵌入容量、每个像素块的长n1和宽n2以及最后包含秘密信息的像素块的索引blockend。
2.根据权利要求1所述的一种基于双图像的大容量像素值排序可逆信息隐藏方法，其特征在于：
还包括与嵌入秘密信息过程相对应的提取秘密信息过程，具体步骤为：
S201：从第一张载密图像x′提取附加信息，得到嵌入容量、每个像素块的长n1和宽n2以及最后包含秘密信息的像素块的索引blockend；
S202：根据每个像素块的长n1和宽n2将两张载密图像x′、x″划分成k个非重叠块{X′1,…,X′k}和{X″1,…,X″k}，每个块包含n个像素；将块Xi′、Xi″内的像素按照像素值升序排序获得(x′σ(1),…,x′σ(n))和(x″σ(1),…,x″σ(n))；
S203：针对像素块Xi′、Xi″，根据以下公式计算最大载密像素对应的序列号αn和最小载密像素对应的序列号α1；
Figure FDA0003534426900000024
Figure FDA0003534426900000031
其中，αn为最大载密像素对应的序列号，x′σ(n)为第一张载密图像像素块Xi′的最大像素，x″σ(n)为第二张载密图像像素块Xi″的最大像素；α1为最小载密像素对应的序列号，x′σ(1)为第一张载密图像像素块X′i的最小像素，x″σ(1)为第二张载密图像像素块X″i的最小像素；
S204：针对像素块Xi′、Xi″，根据以下公式计算原始的最大预测误差PEmax和最小预测误差PEmin；
Figure FDA0003534426900000032
其中，x′σ(n)为第一张载密图像像素块X′i的最大像素，x′σ(n-1)为第一张载密图像像素块X′i的第二大像素，x″σ(n)为第二张载密图像像素块X″i的最大像素，x″σ(n-1)为第二张载密图像像素块Xi″的第二大像素，x′σ(1)为第一张载密图像像素块X′i的最小像素，x′σ(2)为第一张载密图像像素块X′i的第二小像素，x″σ(1)为第二张载密图像像素块Xi″的最小像素，x″σ(2)为第二张载密图像像素块Xi″的第二小像素；
S205：从第一个像素块X1′、X1″开始，到第k个块X′k、X″k，根据S202的分块，按照从1到k的块的编号顺序，从两张载密图像x′、x″中提取秘密信息，并按照编号顺序将所提取的秘密信息拼接起来，得到载入的二进制比特流秘密信息；
针对每个像素块Xi′、Xi″，提取秘密信息的具体方式为；
Figure FDA0003534426900000033
其中，(·)2表示将十进制数转换成二进制；
S206：根据以下公式恢复原始像素；
Figure FDA0003534426900000034
将原始像素xσ(n)和xσ(1)写入相应的原始位置，得到原始载体图像x。
3.根据权利要求2所述的一种基于双图像的大容量像素值排序可逆信息隐藏方法，其特征在于：
步骤S107中，所述用于盲提取和恢复原始图像的附加信息，对应信息量为：
嵌入容量-18比特；
块的长n1和宽n2-4比特；
最后包含秘密信息块的索引blockend-18比特。
4.根据权利要求3所述的一种基于双图像的大容量像素值排序可逆信息隐藏方法，其特征在于：
步骤S107中，嵌入用于盲提取和恢复原始图像的附加信息的具体方式为：
将第一张载密图像x′的最后40个像素的最低有效位(LSB)代替为信息量为40比特的附加信息；
把第一张载密图像x′的最后40个像素的最低有效位(LSB)采用步骤S103-S106中的方式嵌入到块
Figure FDA0003534426900000041
中。
5.根据权利要求4所述的一种基于双图像的大容量像素值排序可逆信息隐藏方法，其特征在于：
步骤S206中，恢复原始像素之前，先使用步骤S205中从块
Figure FDA0003534426900000042
中提取秘密信息的附加信息代替第一张载密图像x′最后40个像素的最低有效位。
6.根据权利要求1所述的一种基于双图像的大容量像素值排序可逆信息隐藏方法，其特征在于：
嵌入过程中，不做修改像素的范围是：
Figure FDA0003534426900000043
其中，y为像素的像素值；即，对于像素值小于2或大于253的像素，不做修改。
7.根据权利要求6所述的一种基于双图像的大容量像素值排序可逆信息隐藏方法，其特征在于：
提取过程中，当两个载密像素相等并且属于[0,1]或[254,255]，则原始像素值＝当前像素值。
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