CN113225566B - 基于块分组的jpeg图像自适应可逆信息隐藏方法 - Google Patents

基于块分组的jpeg图像自适应可逆信息隐藏方法 Download PDF

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CN113225566B CN202110522421.0A CN202110522421A CN113225566B CN 113225566 B CN113225566 B CN 113225566B CN 202110522421 A CN202110522421 A CN 202110522421A CN 113225566 B CN113225566 B CN 113225566B
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Abstract

本发明公开了一种基于块分组的JPEG图像自适应可逆信息隐藏方法，首先将JPEG图像进行解码，得到量化的DCT子块；根据各DCT子块内零AC系数个数对DCT子块进行分组，生成多个子块分组；计算所有组频率的单位失真，根据其所对应的单位失真进行排名，得到全局排名值；基于全局排名值和嵌入信息长度，在各分组内自适应选择起始组频率和截止组频率；根据起始组频率和截止组频率，确定实际嵌入时所使用的组频率系数；根据实际嵌入组频率系数进行信息嵌入。本发明方法能够充分利用相同分组内子块之间AC系数分布的关联性，更准确地选择到嵌入性能较优的嵌入系数，实现在有效控制文件尺寸增长的同时，获得较好的视觉质量。

Description

基于块分组的JPEG图像自适应可逆信息隐藏方法
技术领域
本发明涉及图像信息安全领域，特别涉及一种基于块分组的JPEG图像自适应可逆信息隐藏方法。
背景技术
随着互联网以及数字产品的日益普及，人们不仅可以利用各种数字产品通过拍照、录音或者摄像等方式来获得多媒体文件，也可以通过网络渠道来上传或者下载这些文件。与此同时，随着计算机软件技术的持续发展，人们也可以使用各种功能强大的处理软件方便地对原始多媒体文件进行篡改。因此，如何在传输过程中保护多媒体文件的原始性和完整性，成为了研究者们重点关注的问题。信息隐藏是解决此问题的重要方法之一，它利用多媒体文件的信息冗余，在不引起观察者注意的前提下将一些认证信息嵌入到原始多媒体文件中。但信息隐藏技术在对多媒体文件进行原始性、完整性认证的同时，会引入永久的不可逆失真，破坏原始载体。这对于一些敏感应用来说会带来巨大的负面影响，例如医学领域、军事领域等。为了克服这一缺陷，人们提出了可逆信息隐藏技术，这项技术不仅可以从含密载体中提取出认证信息，同时还能无损地恢复原始载体。
近十年来，研究者们提出了一系列针对未压缩图像的可逆信息隐藏方法，然而未压缩图像在日常生活中的使用较少。JPEG(Joint Photograph Experts Group)作为日常生活中最广泛应用的压缩图像格式，在其上的可逆信息隐藏技术也得到了重视与发展。但由于JPEG图像在压缩过程中，去除了未压缩图像上的部分信息冗余，因此通常并不能将未压缩图像的可逆信息隐藏方法应用于JPEG图像上。并且除了视觉质量之外，还应考虑含密JPEG图像的文件尺寸增长量。因此，JPEG图像上的可逆信息隐藏更具挑战性。
发明内容
本发明的第一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于块分组的JPEG图像自适应可逆信息隐藏方法，该方法在有效控制文件尺寸增长的同时，获得较好的视觉质量。
本发明的第二目的在于提供一种基于块分组的JPEG图像自适应可逆信息隐藏装置。
本发明的第三目的在于提供一种存储介质。
本发明的第四目的在于提供一种计算设备。
本发明的第一目的通过下述技术方案实现：一种基于块分组的JPEG图像自适应可逆信息隐藏方法，步骤包括：
S1、将JPEG图像进行解码，得到量化的DCT子块；
S2、根据各DCT子块内零AC系数个数对DCT子块进行分组，生成多个子块分组，将分组内的各AC系数频率称作组频率；
S3、计算所有组频率的单位失真，并将所有组频率根据其所对应的单位失真进行排名，得到其所对应的全局排名值；
S4、基于全局排名值和嵌入信息长度，在各分组内自适应选择起始组频率和截止组频率；
S5、根据起始组频率和截止组频率，确定实际嵌入时所使用的组频率系数；
S6、根据实际嵌入组频率系数进行信息嵌入。
优选的，步骤S1中，将JPEG图像解码得到8×8的量化DCT子块；
步骤S2中，根据各DCT子块内零AC系数个数对DCT子块进行分组，具体为：将相同零AC系数个数的DCT子块分为一组，对应生成多个子块分组Bi，i∈[1,M]，其中M为分组个数，Bi表示第i个分组，分组Bi中零AC系数个数的数量随着i的增大而减小；
步骤S2中，将分组Bi内的63个AC系数频率称作组频率，记为
Figure BDA0003064474480000021
其中u,v∈[0,7]且u,v不同时为0。
更进一步的，步骤S3中，通过以下公式计算组频率的单位失真：
Figure BDA0003064474480000022
其中：
Figure BDA0003064474480000023
为组频率
Figure BDA0003064474480000024
所对应单位失真；
Figure BDA0003064474480000025
为组频率
Figure BDA0003064474480000026
所对应嵌入容量，即分组Bi内所有DCT子块中频率(u,v)处值为±1的AC系数个数；
Figure BDA0003064474480000027
为组频率
Figure BDA0003064474480000028
所对应嵌入失真，即仅对分组Bi所有DCT子块中频率(u,v)处的AC系数执行嵌入操作并保持其他频率处的AC系数不变时，对图像造成的总失真；
步骤S3中，针对所有组频率，按照其所对应的单位失真大小进行升序排序，得到对应的全局排名值
Figure BDA0003064474480000031
步骤S4中，在各分组内自适应选择起始组频率和截止组频率，具体过程包括：
步骤S41、对于每一个分组，按照该分组内每一个组频率所对应的量化步长QS从小到大的顺序对这些组频率进行排序，确定每一个组频率所对应的QS顺序号P；
步骤S42、根据嵌入信息长度L确定阈值T，其中阈值T定义为：当嵌入信息长度为L时，最少需要前T个单位失真最小的组频率来嵌入L位认证信息；
步骤S43、根据阈值T、全局排名值
Figure BDA0003064474480000032
和各组频率的QS顺序号，在分组Bi中确定起始组频率；
步骤S44、根据阈值T、起始组频率、全局排名值
Figure BDA0003064474480000033
和各组频率的QS顺序号，在分组Bi中确定截止组频率。
更进一步的，步骤S43中，各分组Bi内，在QS顺序号P∈[1,T1]的范围内，
Figure BDA0003064474480000034
依据全局排名值和阈值T的大小关系，搜索起始组频率，具体如下：
1)、若至少存在一个k∈[1,T1]，使得QS顺序号为P＝k,k+1的连续两个组频率所对应的全局排名值均大于T，此时取满足此条件的最大的k，舍弃顺序号P为前k+1个组频率所对应的系数，并令
Figure BDA0003064474480000035
Figure BDA0003064474480000036
为分组Bi内起始组频率对应的QS顺序号；
2)若在QS顺序号P∈[1,T1]的范围内找不到连续两个组频率所对应的全局排名值均大于T的情况，且至少存在一个k∈[1,T1]，使得QS顺序号为P＝k的组频率所对应的全局排名值大于T，此时取满足此条件的最小的k，舍弃前k个组频率系数，并令
Figure BDA0003064474480000037
3)若对于任意k∈[1,T1]，QS顺序号为P＝k的组频率所对应的全局排名值均不大于T，此时令
Figure BDA0003064474480000038
更进一步的，步骤S44中，各分组Bi内，在QS顺序号
Figure BDA0003064474480000039
的范围内，依据全局排名值和阈值T的大小关系搜索截止组频率，具体如下：
1)若至少存在一个
Figure BDA00030644744800000310
使得QS顺序号为P＝k,k+1的连续两个组频率所对应的全局排名值均大于T，则取满足此条件的最小的k，并令
Figure BDA0003064474480000041
Figure BDA0003064474480000042
为分组Bi内截止组频率对应的QS顺序号；
2)若对于任意
Figure BDA0003064474480000043
QS顺序号为P＝k,k+1的组频率所对应的全局排名值至少有一个小于T，令
Figure BDA0003064474480000044
更进一步的，步骤S5中，确定实际嵌入时所使用的组频率系数的具体过程如下：
S51、使用两个函数t1(i)和函数t2(i)分别对起始组频率和截止组频率进行拟合，其中：
Figure BDA0003064474480000045
其中，α和β为函数参数；
t2(i)＝γ；
其中，γ为参与拟合元素中的众数；
S52、针对于各分组Bi，i∈[1,M]，分别通过步骤S51中得到的函数t1(i)和函数t2(i)计算出对应的函数值；将函数t1(i)得到的函数值进行取整，作为得到分组Bi实际嵌入时所使用的起始组频率对应的QS顺序号
Figure BDA0003064474480000046
将函数t2(i)得到的函数值直接作为分组Bi实际嵌入时所使用的截止组频率对应的QS顺序号
Figure BDA0003064474480000047
S53、根据全局排名值
Figure BDA0003064474480000048
的分布规律以及JPEG图像的质量因子QF，对分组Bi实际嵌入组频率进行校正。
更进一步的，步骤S6中根据实际嵌入组频率系数进行信息嵌入，嵌入过程如下式：
Figure BDA0003064474480000049
其中，sj(u,v)表示DCT子块Sj中频率(u,v)处的AC系数，s′j(u,v)表示嵌入信息后的对应AC系数，b∈{0,1}表示所嵌入的认证信息，sign(·)表示符号函数；
步骤S6在信息嵌入过程中，优先选择在非零AC系数更少的子块分组中嵌入，并且在具体的每个DCT子块中，按照频率扫描顺序顺次嵌入；其中，对于每一个分组，按照该分组内每一个组频率所对应的量化步长QS从小到大的顺序对这些组频率进行排序，确定每一个组频率所对应的QS顺序号P，分组内频率扫描顺序依据QS顺序号P确定出。
本发明的第二目的通过下述技术方案实现：一种基于块分组的JPEG图像自适应可逆信息隐藏装置，包括：
解码模块，用于将JPEG图像进行解码，得到量化的DCT子块；
分组生成模块，用于根据各DCT子块内零AC系数个数对DCT子块进行分组，生成多个子块分组，将分组内的多个AC系数频率称作组频率；
全局排名模块，用于计算所有组频率的单位失真，并将所有组频率根据其所对应的单位失真进行排名，得到其所对应的全局排名值；
起始和截止组频率选择模块，基于全局排名值和嵌入信息长度，在各分组内自适应选择起始组频率和截止组频率；
组频率系数确定模块，用于根据起始组频率和截止组频率，确定实际嵌入时所使用的组频率系数；
嵌入模块，用于根据实际嵌入组频率系数进行信息嵌入。
本发明的第三目的通过下述技术方案实现：一种存储介质，存储有程序，所述程序被处理器执行时，实现本发明第一目的所述的基于块分组的JPEG图像自适应可逆信息隐藏方法。
本发明的第四目的通过下述技术方案实现：一种计算设备，包括处理器以及用于存储处理器可执行程序的存储器，其特征在于，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现本发明第二目的所述的基于块分组的JPEG图像自适应可逆信息隐藏方法。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明基于块分组的JPEG图像自适应可逆信息隐藏方法，将JPEG图像进行解码，得到量化的DCT子块；根据各DCT子块内零AC系数个数对DCT子块进行分组，生成多个子块分组，并将分组内的各AC系数频率称作组频率；计算所有组频率的单位失真，并将所有组频率根据其所对应的单位失真进行排名，得到其所对应的全局排名值；基于全局排名值和嵌入信息长度，在各分组内自适应选择起始组频率和截止组频率；根据起始组频率和截止组频率，确定实际嵌入时所使用的组频率系数；根据实际嵌入组频率系数进行信息嵌入。本发明方法根据量化DCT系数子块内零AC系数个数将子块分组，能够充分利用相同分组内子块之间AC系数分布的关联性，从而更准确地选择到嵌入性能较优的嵌入系数，以减少含密JPEG图像的视觉失真，因此能够在有效控制文件尺寸增长的同时，获得较好的视觉质量。
(2)本发明基于块分组的JPEG图像自适应可逆信息隐藏方法，利用所有组频率的单位失真，并将所有组频率根据其所对应的单位失真进行排名，得到其所对应的全局排名值。本发明对于组频率单位失真的计算考虑了不同子块分组之间AC系数分布的差异性，可以更准确地评估嵌入信息所带来的失真；另外，组频率的全局排名值为将所有组频率按照其所对应的单位失真升序排序后得到的顺序号，因此全局排名值越小，其所对应的单位失真即越小，则这样的组频率在嵌入时越应当被优先选用。
(3)本发明基于块分组的JPEG图像自适应可逆信息隐藏方法，在每个分组内自适应选择起始组频率和截止组频率，在不同的子块分组中，AC系数的分布规律有所不同，因此选择不同的组频率系数用作嵌入，可以减少无效位移所引入的图像失真，从而达到优化嵌入性能的目的。
(4)本发明基于块分组的JPEG图像自适应可逆信息隐藏方法中，在选择起始组频率时，根据阈值T、全局排名值
Figure BDA0003064474480000061
和各组频率的QS顺序号进行选择确定；在选择截止组频率时，根据阈值T、起始组频率、全局排名值
Figure BDA0003064474480000062
和各组频率的QS顺序号进行选择确定；本发明上述操作能够尽量多排除性能较差的组频率，且尽量少排除性能较优的组频率，保证了嵌入的性能更优。
(5)本发明基于块分组的JPEG图像自适应可逆信息隐藏方法中，考虑到实际嵌入过程中，若使用所述的起始和截止组频率进行嵌入，则需要将他们作为边信息嵌入到图像中，由于起始和截止组频率的取值范围均为[1,63]，故最多需要63×6×2＝756bits的边信息。而本发明使用函数拟合的方法，用两个函数分别来近似拟合各个分组的起始组频率和截止组频率分布，减少了为提取嵌入信息所需要额外记录的边信息，实现了优化JPEG图像可逆信息隐藏的嵌入性能的目的，并且接收方和发送方提前约定好函数表达式后，交换函数参数即可，从而大大缩短收发双方需要传递的边信息。
附图说明
图1是本发明方法流程图。
图2是本发明方法中对于质量因子QF为70的JPEG图像子块按照量化步长从小到大扫描顺序图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
本实施例公开了一种基于块分组的JPEG图像自适应可逆信息隐藏方法，如图1所示，该方法包括如下步骤：
S1、将JPEG图像进行解码，得到量化的DCT子块。
在本实施例中，JPEG图像中量化后的DCT系数被分为多个8×8的DCT子块，在zigzag扫描顺序下，DCT子块内第1个系数为DC系数，其他所有系数为AC系数。
S2、根据各DCT子块内零AC系数个数对DCT子块进行分组，生成多个子块分组，将分组内的各AC系数频率称作组频率。
本实施例中，在分组时，将相同零AC系数个数的DCT子块分为一组，对应生成多个子块分组Bi，i∈[1,M]，其中M为分组个数，Bi表示第i个分组，分组Bi中零AC系数个数的数量随着i的增大而减小，即对于分组Bi，i越小表明该分组的子块内零AC系数个数越多；子块内零AC系数个数越多，代表该子块越光滑，即在该子块上嵌入信息通常能够引入更小的图像失真。本实施例中，M∈[1,63]，即分组Bi的个数有可能是1～63个，若M＝63，即包括：具有0个零AC系数个数的DCT子块生成的分组B1，具有1个零AC系数个数的DCT子块生成的分组B2，具有2个零AC系数个数的DCT子块生成的分组B3，…，具有62个零AC系数个数的DCT子块生成的分组B63。
本实施例方法中，只有AC系数被用于嵌入，其中值为±1的AC系数被扩展以嵌入认证信息，绝对值大于1的AC系数向直方图左右两侧平移以留出嵌入空间，值为零的AC系数在嵌入过程中保持不变，故对DCT子块进行分组时只考虑零AC系数个数。另外，考虑到在AC系数全为零的子块上无法嵌入信息，因此在生成子块分组时不考虑这样的DCT子块，故子块分组个数M的取值范围是[1,63]。
将分组Bi内的63个AC系数频率称作组频率，记为
Figure BDA0003064474480000071
其中u,v∈[0,7]且u,v不同时为0，对应表示DCT子块中的各频率位置。
S3、计算所有组频率的单位失真，并将所有组频率根据其所对应的单位失真进行排名，得到其所对应的全局排名值。
本步骤中，通过以下公式计算组频率的单位失真：
Figure BDA0003064474480000072
其中：
Figure BDA0003064474480000073
为组频率
Figure BDA0003064474480000074
所对应单位失真；
Figure BDA0003064474480000081
为组频率
Figure BDA0003064474480000082
所对应嵌入容量，即分组Bi内所有DCT子块中频率(u,v)处值为±1的AC系数个数；
Figure BDA0003064474480000083
为组频率
Figure BDA0003064474480000084
所对应嵌入失真，即仅对分组Bi所有DCT子块中频率(u,v)处的AC系数执行嵌入操作并保持其他频率处的AC系数不变时，对图像造成的总失真；
本步骤中，针对所有组频率，按照其所对应的单位失真大小进行升序排序，得到对应的全局排名值
Figure BDA0003064474480000085
本实施例中，组频率的单位失真考虑了不同子块分组之间AC系数分布的差异性，可以更准确地评估嵌入信息所带来的失真。
本实施例中，组频率的全局排名值定义为：将所有组频率按照其所对应的单位失真升序排序后得到的顺序号，全局排名值越小，其所对应的单位失真即越小，则这样的组频率在嵌入时越应当被优先选用。另外，考虑到单位失真为无穷大，即嵌入容量等于零的组频率系数上无法嵌入信息，因此在计算全局排名值时不考虑这部分组频率。
S4、基于全局排名值和嵌入信息长度，在各分组内自适应选择起始组频率和截止组频率。具体包括：
步骤S41、对于每一个分组，按照该分组内每一个组频率所对应的量化步长QS从小到大的顺序对这些组频率进行排序，确定每一个组频率所对应的QS顺序号P。
对于JPEG图像，在较大的量化步长所对应的频率系数上进行信息嵌入将引入较大的图像失真，本步骤中根据量化步长(quantization step,QS)从小到大对所有频率排序，并用P∈[1,63]表示在分组中每一个组频率所对应的QS顺序号。如图2所示为QF＝70的QS扫描顺序，例如QS顺序号P＝1对应频率(1,3)，即在任意分组Bi中，QS顺序号P＝1所对应的组频率为
Figure BDA0003064474480000086
本实施例中，针对于任意分组，依据各组频率所对应的QS顺序号P从小到大对各组频率进行扫描。
步骤S42、根据嵌入信息长度L确定阈值T，其中阈值T定义为：当嵌入信息长度为L时，最少需要前T个单位失真最小的组频率来嵌入L位认证信息。
步骤S43、根据阈值T、全局排名值
Figure BDA0003064474480000087
和各组频率的QS顺序号，在分组Bi中确定起始组频率。
本步骤中，各分组Bi内，在QS顺序号P∈[1,T1]的范围内，
Figure BDA0003064474480000088
Figure BDA0003064474480000091
依据全局排名值和阈值T的大小关系，搜索起始组频率，具体如下：
1)、若至少存在一个k∈[1,T1]，使得QS顺序号为P＝k,k+1的连续两个组频率所对应的全局排名值均大于T，此时取满足此条件的最大的k，舍弃顺序号P为前k+1个组频率所对应的系数，并令
Figure BDA0003064474480000092
Figure BDA0003064474480000093
为分组Bi内起始组频率对应的QS顺序号，即将分组Bi内QS顺序号为
Figure BDA0003064474480000094
的组频率作为起始组频率；
上述操作能够尽量多排除性能较差的组频率。
2)若在QS顺序号P∈[1,T1]的范围内找不到连续两个组频率所对应的全局排名值均大于T的情况，且至少存在一个k∈[1,T1]，使得QS顺序号为P＝k的组频率所对应的全局排名值大于T，此时取满足此条件的最小的k，舍弃前k个组频率系数，并令
Figure BDA0003064474480000095
上述操作能够尽量少排除性能较优的组频率。
3)若对于任意k∈[1,T1]，QS顺序号为P＝k的组频率所对应的全局排名值均不大于T，此时前T1个组频率的嵌入性能均较优，因此不排除这些组频率，令
Figure BDA0003064474480000096
步骤S44、根据阈值T、起始组频率、全局排名值
Figure BDA0003064474480000097
和各组频率的QS顺序号，在分组Bi中确定截止组频率。
本步骤中，各分组Bi内，在QS顺序号
Figure BDA0003064474480000098
的范围内，依据全局排名值和阈值T的大小关系搜索截止组频率，具体如下：
1)若至少存在一个
Figure BDA0003064474480000099
使得QS顺序号为P＝k,k+1的连续两个组频率所对应的全局排名值均大于T，则取满足此条件的最小的k，并令
Figure BDA00030644744800000910
Figure BDA00030644744800000911
为分组Bi内截止组频率对应的QS顺序号，即将分组Bi内QS顺序号为
Figure BDA00030644744800000912
的组频率作为截止组频率；
上述操作尽量多排除性能较差的组频率。
2)若对于任意
Figure BDA00030644744800000913
QS顺序号为P＝k,k+1的组频率所对应的全局排名值至少有一个小于T，此时这些组频率系数的嵌入性能相对较好，因此不排除这些组频率，令
Figure BDA00030644744800000914
S5、根据起始组频率和截止组频率，确定实际嵌入时所使用的组频率系数；具体如下：
S51、使用两个函数t1(i)和t2(i)分别对起始组频率和截止组频率进行拟合。
通常而言，随着非零AC系数个数的增加，对应子块分组的起始组频率呈现逐渐升高的趋势，因此选择S型曲线t1(i)对
Figure BDA00030644744800000915
进行拟合，其中：
Figure BDA0003064474480000101
其中，α和β为函数参数，可以由MATLAB自带的函数nlinfit(·)求解；在拟合过程中，将步骤S4获取到的各分组Bi起始组频率对应的QS顺序号
Figure BDA0003064474480000102
作为函数应变量，将i作为函数自变量，通过拟合过程得到参数α和β。
通常而言，不同的分组所对应的截止组频率的值大多相同，因此采用平行于横坐标轴的直线t2(i)对
Figure BDA0003064474480000103
进行拟合，其中：
t2(i)＝γ；
其中，γ为参与拟合元素中的众数。在本实施例中，基于步骤S4获取到参与拟合的各分组Bi中截止组频率对应的QS顺序号
Figure BDA0003064474480000104
确定参与拟合的所有分组中出现最多的截止组频率QS顺序号，即获取到截止组频率QS顺序号的众数，将其作为γ。另外，若存在多个众数，则γ取这些众数中的最大值。
在本实施例中，考虑到实际嵌入过程中，大部分零AC系数个数较少的子块分组都不参与嵌入，因此只选取前T2个分组的起始组频率和截止组频率参与拟合，
Figure BDA0003064474480000105
S52、针对于各分组Bi，i∈[1,M]，分别通过步骤S51中得到的函数t1(i)和t2(i)计算出对应的函数值；将函数t1(i)得到的函数值进行取整，作为分组Bi实际嵌入时所使用起始组频率的QS顺序号
Figure BDA0003064474480000106
将函数t2(i)得到的函数值直接作为分组Bi实际嵌入时所使用的截止组频率的QS顺序号
Figure BDA0003064474480000107
考虑到函数t1(i)所得到的值为浮点数，而实际嵌入时使用的起始组频率为整数，故需要对函数t1(i)计算出的值进行取整操作。目前主要的取整方法有三种：向上取整，向下取整和舍入取整。对所有分组的起始组频率采用相同的取整方法，并用参数INT∈{1,2,3}来分别代表上述三种取整方法。在实际嵌入时，选用嵌入信息后引入较少图像失真的取整方法。
S53、根据全局排名值
Figure BDA0003064474480000108
的分布规律以及JPEG图像的质量因子QF，对分组Bi实际嵌入组频率进行校正。
考虑到质量因子QF不同的JPEG图像中，全局排名值的分布规律也有一定区别，因此本实施例在实际嵌入时对嵌入组频率进行校正。如在QF＝70的JPEG图像里，通常来说不同分组内QS顺序号为P＝1的组频率所对应的全局排名值均较小，因此实际嵌入过程中，对于分组Bi在QS顺序号为
Figure BDA0003064474480000109
的组频率系数上进行嵌入，即选择QS顺序号P为
Figure BDA00030644744800001010
和
Figure BDA00030644744800001011
之间的组频率系数以及QS顺序号P＝1的组频率系数进行嵌入。类似的，对于QF＝80的JPEG图像，实际嵌入过程中对于分组Bi在QS顺序号为
Figure BDA0003064474480000111
的组频率系数上进行嵌入。而对于QF＝90的JPEG图像，不考虑上述问题，实际嵌入过程中对于分组Bi在QS顺序号为
Figure BDA0003064474480000112
的组频率系数上进行嵌入。
S6、根据实际嵌入组频率系数进行信息嵌入。嵌入过程如下式：
Figure BDA0003064474480000113
其中，sj(u,v)表示DCT子块Sj中频率(u,v)处的AC系数，s′j(u,v)表示嵌入信息后的对应AC系数，b∈{0,1}表示所嵌入的认证信息，sign(·)表示符号函数；
本步骤在信息嵌入过程中，优先选择在非零AC系数更少的子块分组中嵌入，并且在具体的每个DCT子块中，按照频率扫描顺序顺次嵌入；其中，对于每一个分组，按照该分组内每一个组频率所对应的量化步长QS从小到大的顺序对这些组频率进行排序，确定每一个组频率所对应的QS顺序号P，分组内频率扫描顺序依据QS顺序号P确定出。
本领域技术人员可以理解，实现本实施例方法中的全部或部分步骤可以通过程序来指令相关的硬件来完成，相应的程序可以存储于计算机可读存储介质中。应当注意，尽管在附图中以特定顺序描述了本实施例1的方法操作，但是这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。相反，描绘的步骤可以改变执行顺序，有些步骤也可以同时执行。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。
实施例2
本实施例公开了一种基于块分组的JPEG图像自适应可逆信息隐藏装置，包括如下功能模块：
解码模块，用于将JPEG图像进行解码，得到量化的DCT子块；
分组生成模块，用于根据各DCT子块内零AC系数个数对DCT子块进行分组，生成多个子块分组，将分组内的多个AC系数频率称作组频率，记为
Figure BDA0003064474480000114
其中u,v∈[0,7]且u,v不同时为0。
全局排名模块，用于计算所有组频率的单位失真，并将所有组频率根据其所对应的单位失真进行排名，得到其所对应的全局排名值；
起始和截止组频率选择模块，基于全局排名值和嵌入信息长度，在各分组内自适应选择起始组频率和截止组频率；
组频率系数确定模块，用于根据起始组频率和截止组频率，确定实际嵌入时所使用的组频率系数；
嵌入模块，用于根据实际嵌入组频率系数进行信息嵌入。
本实施例上述各个模块的具体实现可以参见上述实施例1，在此不再一一赘述。需要说明的是，本实施例提供的装置仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。
实施例3
本实施例公开了一种存储介质，存储有程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时，实现实施例1所述的基于块分组的JPEG图像自适应可逆信息隐藏方法，如下：
将JPEG图像进行解码，得到量化的DCT子块；
根据各DCT子块内零AC系数个数对DCT子块进行分组，生成多个子块分组，Bi表示第i个分组，i∈[1,M]，M为分组个数。将分组Bi内的各AC系数频率称作组频率，记为
Figure BDA0003064474480000121
其中u,v∈[0,7]且u,v不同时为0，因此针对于分组Bi，总共包括63个组频率。
计算所有组频率的单位失真，并将所有组频率根据其所对应的单位失真进行排名，得到其所对应的全局排名值；
基于全局排名值和嵌入信息长度，在各分组内自适应选择起始组频率和截止组频率；
根据起始组频率和截止组频率，确定实际嵌入时所使用的组频率系数；
根据实际嵌入组频率系数进行信息嵌入。
上述各过程的具体实现方式如实施例1中所示，在此不再一一赘述。
在本实施例中，存储介质可以是磁盘、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、U盘、移动硬盘等介质。
实施例4
本实施例公开了一种计算设备，包括处理器以及用于存储处理器可执行程序的存储器，其特征在于，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现实施例1所述的基于块分组的JPEG图像自适应可逆信息隐藏方法，如下：
将JPEG图像进行解码，得到量化的DCT子块；
根据各DCT子块内零AC系数个数对DCT子块进行分组，生成多个子块分组，Bi表示第i个分组，i∈[1,M]，M为分组个数。将分组Bi内的各AC系数频率称作组频率，记为
Figure BDA0003064474480000131
其中u,v∈[0,7]且u,v不同时为0，因此针对于分组Bi，总共包括63个组频率。
计算所有组频率的单位失真，并将所有组频率根据其所对应的单位失真进行排名，得到其所对应的全局排名值；
基于全局排名值和嵌入信息长度，在各分组内自适应选择起始组频率和截止组频率；
根据起始组频率和截止组频率，确定实际嵌入时所使用的组频率系数；
根据实际嵌入组频率系数进行信息嵌入。
上述各过程的具体实现方式如实施例1中所示，在此不再一一赘述。
本实施例中，计算设备可以是台式电脑、笔记本电脑、PDA手持终端、平板电脑等终端设备。
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 (10)

1.一种基于块分组的JPEG图像自适应可逆信息隐藏方法，其特征在于，步骤包括：
S1、将JPEG图像进行解码，得到量化的DCT子块；
S2、根据各DCT子块内零AC系数个数对DCT子块进行分组，生成多个子块分组，将分组内的各AC系数频率称作组频率；
根据各DCT子块内零AC系数个数对DCT子块进行分组，具体为：将相同零AC系数个数的DCT子块分为一组，对应生成多个子块分组Bi，i∈[1，M]，其中M为分组个数，Bi表示第i个分组；
S3、计算所有组频率的单位失真，并将所有组频率根据其所对应的单位失真进行排名，得到其所对应的全局排名值；
S4、基于全局排名值和嵌入信息长度，在各分组内自适应选择起始组频率和截止组频率；
S5、根据起始组频率和截止组频率，确定实际嵌入时所使用的组频率系数；
S6、根据实际嵌入组频率系数进行信息嵌入。
2.根据权利要求1所述的基于块分组的JPEG图像自适应可逆信息隐藏方法，其特征在于，步骤S1中，将JPEG图像解码得到8×8的量化DCT子块；
步骤S2中，分组Bi中零AC系数个数的数量随着i的增大而减小；
步骤S2中，将分组Bi内的63个AC系数频率称作组频率，记为
Figure FDA0003460193170000011
其中u，v∈[0，7]且u，v不同时为0。
3.根据权利要求2所述的基于块分组的JPEG图像自适应可逆信息隐藏方法，其特征在于，步骤S3中，通过以下公式计算组频率的单位失真：
Figure FDA0003460193170000012
其中：
Figure FDA0003460193170000013
为组频率
Figure FDA0003460193170000014
听对应单位失真；
Figure FDA0003460193170000015
为组频率
Figure FDA0003460193170000016
所对应嵌入容量，即分组Bi内所有DCT子块中频率(u，v)处值为±1的AC系数个数；
Figure FDA0003460193170000017
为组频率
Figure FDA0003460193170000018
所对应嵌入失真，即仅对分组Bi所有DCT子块中频率(u，v)处的AC系数执行嵌入操作并保持其他频率处的AC系数不变时，对图像造成的总失真；
步骤S3中，针对所有组频率，按照其所对应的单位失真大小进行升序排序，得到对应的全局排名值
Figure FDA0003460193170000021
步骤S4中，在各分组内自适应选择起始组频率和截止组频率，具体过程包括：
步骤S41、对于每一个分组，按照该分组内每一个组频率所对应的量化步长QS从小到大的顺序对这些组频率进行排序，确定每一个组频率所对应的QS顺序号P；
步骤S42、根据嵌入信息长度L确定阈值T，其中阈值T定义为：当嵌入信息长度为L时，最少需要前T个单位失真最小的组频率来嵌入L位认证信息；
步骤S43、根据阈值T、全局排名值
Figure FDA0003460193170000022
和各组频率的QS顺序号，在分组Bi中确定起始组频率；
步骤S44、根据阈值T、起始组频率、全局排名值
Figure FDA0003460193170000023
和各组频率的QS顺序号，在分组Bi中确定截止组频率。
4.根据权利要求3所述的基于块分组的JPEG图像自适应可逆信息隐藏方法，其特征在于，步骤S43中，各分组Bi内，在QS顺序号P∈[1，T1]的范围内，
Figure FDA0003460193170000024
依据全局排名值和阈值T的大小关系，搜索起始组频率，具体如下：
1)、若至少存在一个k∈[1，T1]，使得QS顺序号为P＝k，k+1的连续两个组频率所对应的全局排名值均大于T，此时取满足此条件的最大的k，舍弃顺序号P为前k+1个组频率所对应的系数，并令
Figure FDA0003460193170000025
Figure FDA0003460193170000026
为分组Bi内起始组频率对应的QS顺序号；
2)若在QS顺序号P∈[1，T1]的范围内找不到连续两个组频率所对应的全局排名值均大于T的情况，且至少存在一个k∈[1，T1]，使得QS顺序号为P＝k的组频率所对应的全局排名值大于T，此时取满足此条件的最小的k，舍弃前k个组频率系数，并令
Figure FDA0003460193170000027
3)若对于任意k∈[1，T1]，QS顺序号为P＝k的组频率所对应的全局排名值均不大于T，此时令
Figure FDA0003460193170000028
5.根据权利要求3所述的基于块分组的JPEG图像自适应可逆信息隐藏方法，其特征在于，步骤S44中，各分组Bi内，在QS顺序号
Figure FDA0003460193170000029
的范围内，依据全局排名值和阈值T的大小关系搜索截止组频率，具体如下：
1)若至少存在一个
Figure FDA00034601931700000210
使得QS顺序号为P＝k，k+1的连续两个组频率所对应的全局排名值均大于T，则取满足此条件的最小的k，并令
Figure FDA0003460193170000031
Figure FDA0003460193170000032
为分组Bi内截止组频率对应的QS顺序号；
2)若对于任意
Figure FDA0003460193170000033
QS顺序号为P＝k，k+1的组频率所对应的全局排名值至少有一个小于T，令
Figure FDA0003460193170000034
6.根据权利要求3中所述的基于块分组的JPEG图像自适应可逆信息隐藏方法，其特征在于，步骤S5中，确定实际嵌入时所使用的组频率系数的具体过程如下：
S51、使用两个函数t1(i)和函数t2(i)分别对起始组频率和截止组频率进行拟合，其中：
Figure FDA0003460193170000035
其中，α和β为函数参数；
t2(i)＝γ；
其中，γ为参与拟合元素中的众数；
S52、针对于各分组Bi，i∈[1，M]，分别通过步骤S51中得到的函数t1(i)和函数t2(i)计算出对应的函数值；将函数t1(i)得到的函数值进行取整，作为得到分组Bi实际嵌入时所使用的起始组频率对应的QS顺序号
Figure FDA0003460193170000036
将函数t2(i)得到的函数值直接作为分组Bi实际嵌入时所使用的截止组频率对应的QS顺序号
Figure FDA0003460193170000037
S53、根据全局排名值
Figure FDA0003460193170000039
的分布规律以及JPEG图像的质量因子QF，对分组Bi实际嵌入组频率进行校正。
7.根据权利要求2中所述的基于块分组的JPEG图像自适应可逆信息隐藏方法，其特征在于，步骤S6中根据实际嵌入组频率系数进行信息嵌入，嵌入过程如下式子：
Figure FDA0003460193170000038
其中，sj(u，v)表示DCT子块Sj中频率(u，v)处的AC系数，s′j(u，v)表示嵌入信息后的对应AC系数，b∈{0，1}表示所嵌入的认证信息，sign(·)表示符号函数；
步骤S6在信息嵌入过程中，优先选择在非零AC系数更少的子块分组中嵌入，并且在具体的每个DCT子块中，按照频率扫描顺序顺次嵌入；其中，对于每一个分组，按照该分组内所有组频率所对应的量化步长QS从小到大的顺序对这些组频率进行排序，确定每一个组频率所对应的QS顺序号P，分组内频率扫描顺序依据QS顺序号P确定出。
8.一种基于块分组的JPEG图像自适应可逆信息隐藏装置，其特征在于，包括：
解码模块，用于将JPEG图像进行解码，得到量化的DCT子块；
分组生成模块，用于根据各DCT子块内零AC系数个数对DCT子块进行分组，具体为：将相同零AC系数个数的DCT子块分为一组，对应生成多个子块分组Bi，i∈[1，M]，其中M为分组个数，Bi表示第i个分组，生成多个子块分组，将分组内的多个AC系数频率称作组频率；
全局排名模块，用于计算所有组频率的单位失真，并将所有组频率根据其所对应的单位失真进行排名，得到其所对应的全局排名值；
起始和截止组频率选择模块，基于全局排名值和嵌入信息长度，在各分组内自适应选择起始组频率和截止组频率；
组频率系数确定模块，用于根据起始组频率和截止组频率，确定实际嵌入时所使用的组频率系数；
嵌入模块，用于根据实际嵌入组频率系数进行信息嵌入。
9.一种存储介质，存储有程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时，实现权利要求1～7中任一项所述的基于块分组的JPEG图像自适应可逆信息隐藏方法。
10.一种计算设备，包括处理器以及用于存储处理器可执行程序的存储器，其特征在于，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现权利要求1～7中任一项所述的基于块分组的JPEG图像自适应可逆信息隐藏方法。
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