CN113298688B - 基于二维直方图平移的jpeg图像可逆数据隐藏方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于二维直方图平移的JPEG图像可逆数据隐藏方法，包括步骤：1)获取原始的JPEG图像的量化DCT系数数据，并进行分块；分块是指对量化DCT系数按照8×8的尺寸进行分块，得到N个量化DCT系数块，每个量化DCT系数块包含1个DC系数和63个AC系数；2)对8×8尺寸的量化DCT系数块进行AC系数序列的提取，获取待嵌入的非零AC系数序列；3)对待嵌入的非零AC系数序列实行块间组对策略以生成系数对；4)根据生成的系数对进行二维直方图平移的数据隐藏过程。本发明可提高二维直方图分布的尖锐性，提升嵌入效率，有效缓解数据嵌入过程带来的载有嵌入数据的JPEG图像视觉质量的降低以及文件尺寸的增长，进而节约网络传输所需要的额外成本。

Description

基于二维直方图平移的JPEG图像可逆数据隐藏方法

技术领域

本发明涉及多媒体信息安全的技术领域，尤其是指一种基于二维直方图平移的JPEG图像可逆数据隐藏方法。

背景技术

可逆数据隐藏技术(RDH)是指可逆地将秘密信息嵌入到原始的载体文件中，而可逆性使得带嵌入数据的载体文件可以无损地恢复到原始的状态，并且能正确地提取出所嵌入的信息。这种可逆特性在实际应用中是非常重要的，主要应用于不允许载体文件有损失的场景中。

目前随着数字图像技术的进步，JPEG图像由于其图像冗余度较低，具有极高的压缩效率而被广泛应用，并慢慢地成为RDH技术的研究对象。其中二维直方图平移的数据隐藏方法由于其较高的嵌入效率，使得嵌入信息后的JPEG图像视觉质量降低幅度以及文件尺寸增加的幅度大大减少。

但目前，对二维直方图平移嵌入方法的研究普遍都针对二维转移图进行优化，对于系数对生成方法的研究是比较缺乏的。现今为止，在进行二维直方图平移的可逆数据隐藏方法中，系数对的生成方式主要有以下两个：1)在系数块内按照zigzag顺序进行组对。2)在系数块内根据系数值进行分组以在组内生成系数对。但在单个量化DCT系数分布相同的情况下，不同的系数对生成方式会使得二维直方图的分布有明显的差异性，从而导致嵌入性能的差异。因此，系数对生成方法的研究和创新对二维直方图平移的嵌入方法的嵌入效率优化具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种基于二维直方图平移的JPEG图像可逆数据隐藏方法，有效地增加在单个量化DCT系数分布相同的情况下，具有更高嵌入效率的二维系数对的数量，使得二维直方图分布更为尖锐，并且进一步提升二维转移图的嵌入效率，从而更加有效地减少嵌入信息后的JPEG图像视觉失真以及文件尺寸增长。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：基于二维直方图平移的JPEG图像可逆数据隐藏方法，包括以下步骤：

1)获取原始的JPEG图像的量化DCT系数数据，并进行分块；其中，所述分块是指对量化DCT系数按照8×8的尺寸进行分块，得到N个量化DCT系数块，每个量化DCT系数块包含1个DC系数和63个AC系数；

2)对8×8尺寸的量化DCT系数块进行AC系数序列的提取，获取待嵌入的非零AC系数序列；

3)对待嵌入的非零AC系数序列实行块间组对策略以生成系数对；

4)根据生成的系数对进行二维直方图平移的数据隐藏过程。

进一步，在步骤1)中，所述量化DCT系数数据是通过对原始的JPEG图像进行哈夫曼熵解码后得到的数据。

进一步，所述步骤2)包括以下步骤：

2.1)将每个8×8尺寸的量化DCT系数块中的63个AC系数按照zigzag顺序排列；

2.2)根据8×8尺寸的量化DCT系数块的扫描顺序，在每个8×8尺寸的量化DCT系数块中，将在同一个AC系数频率位置处的AC系数分别提取出来，组成63个AC系数序列；

2.3)对每个AC系数序列，分别提取出非零的AC系数，组成新的63个待嵌入的非零AC系数序列。

进一步，在步骤3)中，生成系数对的步骤如下：

3.1)在每个待嵌入的非零AC系数序列内，将相邻的两个非零AC系数组合在一起，分别组成63个二维非零AC系数对(C_i1,j,C_i2,j)序列，其中C_i1,j、C_i2,j均为非零，C_i1,j表示第i1个块的第j个AC系数频率位置的系数值，C_i2,j表示按照块的扫描顺序，在扫描第i1个块后，下一个在第j个AC系数频率位置处系数不为零的块的索引号为i2；若某个频率位置两两组对后，剩下最后一个非零系数，没有同一个频率位置的非零系数与之组成系数对，则不对它进行组对修改操作；

3.2)将63个二维非零AC系数对(C_i1,j,C_i2,j)序列按照对应的频率位置的zigzag顺序排列并连接起来，组成一个待嵌入的二维非零系数对序列。

进一步，在步骤4)中，二维直方图平移的数据隐藏过程包括以下步骤：

4.1)选定前k个AC系数频率位置，k的取值在1到63之间；

4.2)遍历k的所有取值，每次在选定的k值下进行预嵌入：按照步骤1)到步骤3)获取前k个AC系数频率位置的待嵌入的二维非零系数对序列；根据系数对序列中系数对的顺序，逐个二维非零系数对结合其在二维转移图中相对应的转移模式以及嵌入信息来进行数据嵌入，修改相应的AC系数；记录下在满足嵌入数据容量下所需要的最少块数p以及指标PSNR；若不满足嵌入容量，则记录指标PSNR为零；

4.3)根据指标PSNR最大时进行数据嵌入所需要的最少块数p以及k的取值，进行最终的数据嵌入，修改相应的AC系数，得到修改后的量化DCT系数；

4.4)对修改后的量化DCT系数进行哈夫曼熵编码，得到载有嵌入数据的JPEG图像。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、本发明首次实现了在量化DCT系数块间的同一个频率位置处进行二维系数对的生成方法，可以有效地使得二维直方图更为尖锐，更有利于二维转移图的设计。

2、本发明通过二维转移图的改进方案，结合二维直方图分布，提升数量多的系数对的嵌入效率，以实现提升整体嵌入效率的目的。

3、本发明通过新的系数对生成方式以及二维转移图的相结合，达到了缓解载有嵌入数据的JPEG图像的视觉质量降低和文件尺寸增长的目的，有利于降低由于数据隐藏带来的网络传输的成本开销。

4、本发明方法实现简单，适用性强，在JPEG图像可逆数据隐藏领域中具有较高的应用价值。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

图2为一幅原始JPEG图像在块内组对和块间组对下的二维系数对直方图。

图3为本发明中待嵌入的二维非零系数对序列生成的示意图。

图4为本发明中二维直方图的转移图。

图5为本发明中已嵌入的二维非零系数对序列生成的示意图。

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。

如图1至图4所示，本实施例所提供的基于二维直方图平移的JPEG图像可逆数据隐藏方法，具有情况如下：

1)获取原始的JPEG图像的量化DCT系数数据，并进行分块。其中，所述量化DCT系数数据是通过对原始的JPEG图像进行哈夫曼熵解码后得到的数据；所述分块是指对量化DCT系数按照8×8的尺寸进行分块，得到N个量化DCT系数块，每个量化DCT系数块包含1个DC系数和63个AC系数。

在本实施例输入的是一幅在CVG-URG图像数据库中名字为Baboon的JPEG图像，其中量化因子QF为70，尺寸为512×512，因此按照8×8的尺寸进行分块，可以得到分块数为4096。

2)对8×8尺寸的量化DCT系数块进行AC系数序列的提取，获取待嵌入的非零AC系数序列，包括以下步骤：

2.1)将每个8×8尺寸的量化DCT系数块中的63个AC系数按照zigzag顺序排列。

2.2)根据8×8尺寸的量化DCT系数块的扫描顺序，在每个8×8尺寸的量化DCT系数块中，将在同一个AC系数频率位置处的AC系数分别提取出来，组成63个AC系数序列。

2.3)对每个AC系数序列，分别提取出不为零的AC系数，组成新的63个待嵌入的非零AC系数序列。

采用上述步骤后，可以得到如图3中(a)所示的63个待嵌入的非零AC系数序列的部分展示，例如，可以得到第一个AC系数频率位置处的待嵌入非零AC系数序列为{-15,-3,-17,1,…}。

3)对待嵌入的非零AC系数序列实行块间组对策略以生成系数对，其中系数对生成步骤如下：

3.1)在每个待嵌入的非零AC系数序列内，将相邻的两个非零AC系数组合在一起，分别组成63个二维非零AC系数对(C_i1,j,C_i2,j)序列，其中C_i1,j、C_i2,j均为非零，C_i1,j表示第i1个块的第j个AC系数频率位置的系数值，C_i2,j表示按照块的扫描顺序，在扫描第i1个块后，下一个在第j个AC系数频率位置处系数不为零的块的索引号为i2。若某个频率位置两两组对后，剩下最后一个非零系数，没有同一个频率位置的非零系数与之组成系数对，则不对它进行组对修改操作。

3.2)将63个二维非零AC系数对(C_i1,j,C_i2,j)序列按照对应的频率位置的zigzag顺序排列并连接起来，组成一个待嵌入的二维非零系数对序列。

采用上述步骤后，可以得到如图3中(b)所示的待嵌入的二维非零系数对序列的部分展示。例如，在第一个AC系数频率位置处，在块B1中值为-15和块B3中值为-3的非零AC系数组成非零系数对(C_B11,1,C_B32,1)为(-15,-3)。

4)根据生成的系数对进行二维直方图平移的数据隐藏过程，包括以下步骤：

4.1)选定前k个AC系数频率位置，k的取值在1到63之间。

4.2)遍历k的所有取值。每次在选定的k值下进行预嵌入：按照步骤1)到步骤3)获取前k个AC系数频率位置的待嵌入的二维非零系数对序列。根据系数对序列中系数对的顺序，逐个二维非零系数对结合其在二维转移图中相对应的转移模式以及嵌入信息来进行数据嵌入，修改相应的AC系数。记录下在满足嵌入数据容量下所需要的最少块数p以及指标PSNR。若不满足嵌入容量，则记录指标PSNR为零。

4.3)根据指标PSNR最大时进行数据嵌入所需要的最少块数p以及k的取值，进行最终的数据嵌入，修改相应的AC系数，得到修改后的量化DCT系数。

4.4)对修改后的量化DCT系数进行哈夫曼熵编码得到载有嵌入数据的JPEG图像。

随机生成长度为10000的二进制待嵌入信息，采用上述步骤实施方案，得到如图5所示的已嵌入信息的二维非零系数对序列的部分展示以及在最优PSNR指标为41.6779的情况下，嵌入所需频率位置数k为20，最少块数p为1794。

综上所述，本发明为JPEG图像可逆数据隐藏中的二维直方图嵌入方法提供了一个嵌入效率更高的嵌入方案，采用新的量化DCT系数对的生成方式，与二维转移图相结合，能够有效地提高嵌入效率，且有效地缓解载有嵌入数据的JPEG图像的视觉质量下降以及降低文件尺寸的增长，进而节约网络传输所需要的额外成本，具有实际应用价值，值得推广。

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 (4)

1.基于二维直方图平移的JPEG图像可逆数据隐藏方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)获取原始的JPEG图像的量化DCT系数数据，并进行分块；其中，所述分块是指对量化DCT系数按照8×8的尺寸进行分块，得到N个量化DCT系数块，每个量化DCT系数块包含1个DC系数和63个AC系数；

2)对8×8尺寸的量化DCT系数块进行AC系数序列的提取，获取待嵌入的非零AC系数序列；

3)对待嵌入的非零AC系数序列实行块间组对策略以生成系数对，步骤如下：

3.1)在每个待嵌入的非零AC系数序列内，将相邻的两个非零AC系数组合在一起，分别组成63个二维非零AC系数对(C_i1,j,C_i2,j)序列，其中C_i1,j、C_i2,j均为非零，C_i1,j表示第i1个块的第j个AC系数频率位置的系数值，C_i2,j表示按照块的扫描顺序，在扫描第i1个块后，下一个在第j个AC系数频率位置处系数不为零的块的索引号为i2；若某个频率位置两两组对后，剩下最后一个非零系数，没有同一个频率位置的非零系数与之组成系数对，则不对它进行组对修改操作；

3.2)将63个二维非零AC系数对(C_i1,j,C_i2,j)序列按照对应的频率位置的zigzag顺序排列并连接起来，组成一个待嵌入的二维非零系数对序列；

4)根据生成的系数对进行二维直方图平移的数据隐藏过程。

2.根据权利要求1所述的基于二维直方图平移的JPEG图像可逆数据隐藏方法，其特征在于：在步骤1)中，所述量化DCT系数数据是通过对原始的JPEG图像进行哈夫曼熵解码后得到的数据。

3.根据权利要求1所述的基于二维直方图平移的JPEG图像可逆数据隐藏方法，其特征在于，所述步骤2)包括以下步骤：

2.1)将每个8×8尺寸的量化DCT系数块中的63个AC系数按照zigzag顺序排列；

2.2)根据8×8尺寸的量化DCT系数块的扫描顺序，在每个8×8尺寸的量化DCT系数块中，将在同一个AC系数频率位置处的AC系数分别提取出来，组成63个AC系数序列；

2.3)对每个AC系数序列，分别提取出非零的AC系数，组成新的63个待嵌入的非零AC系数序列。

4.根据权利要求1所述的基于二维直方图平移的JPEG图像可逆数据隐藏方法，其特征在于，在步骤4)中，二维直方图平移的数据隐藏过程包括以下步骤：

4.1)选定前k个AC系数频率位置，k的取值在1到63之间；

4.2)遍历k的所有取值，每次在选定的k值下进行预嵌入：按照步骤1)到步骤3)获取前k个AC系数频率位置的待嵌入的二维非零系数对序列；根据系数对序列中系数对的顺序，逐个二维非零系数对结合其在二维转移图中相对应的转移模式以及嵌入信息来进行数据嵌入，修改相应的AC系数；记录下在满足嵌入数据容量下所需要的最少块数p以及指标PSNR；若不满足嵌入容量，则记录指标PSNR为零；

4.3)根据指标PSNR最大时进行数据嵌入所需要的最少块数p以及k的取值，进行最终的数据嵌入，修改相应的AC系数，得到修改后的量化DCT系数；

4.4)对修改后的量化DCT系数进行哈夫曼熵编码，得到载有嵌入数据的JPEG图像。

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