CN113612898B - 一种抗jpeg图像下采样的鲁棒隐蔽通信装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于JPEG格式图像的抗下采样处理的鲁棒隐蔽通信装置，对于给定的JPEG图像首先进行图像缩放，获取载体图像减半下采样后的图像R；在下采样后的图像R中进行DCT系数提取，即选择所需的DCT系数组成DCT系数序列；使用隐写术方法进行数据嵌入，秘密信息被嵌入进所选的DCT系数序列中，得到接收方含密图像S^r；根据得到的接收方含密图像通过系数调整对载体图像X进行修改得到发送方含密图像S^s。本发明方法，能够适用于传输信道包含图像减半下采样处理的场景，在这种有损信道中本发明提供的装置可以保证秘密信息的完全提取，并保证了接收方含密图像的安全性。

Description

一种抗JPEG图像下采样的鲁棒隐蔽通信装置

技术领域

本发明涉及多媒体信息安全、信息隐藏以及图像处理领域，具体涉及一种抗JPEG图像下采样的鲁棒隐蔽通信装置。

背景技术

隐写是一种将机密信息通过各种方法伪装成常规信息从而实现隐蔽通信的技术。数字图像隐写是一类依赖数字图像作为载体，通过对数字图像的轻微修改实现信息嵌入的隐写方法。隐写术不仅要保证载体图像的视觉特性，还要具有抗隐写分析的能力。隐写编码通过提高嵌入效率实现统计不可检测。当前隐写的主要方法是基于隐写编码的自适应隐写术，STC(Syndrome Trellis Coding)编码是近年来最有代表性的隐写编码方案。通过为每个载体元素构造一组修改失真代价，STC就能根据每个载体元素的失真代价嵌入秘密信息，同时保持最小化载体的总失真代价。STC嵌入效率基本上逼近理论极限，因此随后的研究主要集中为设计失真代价函数，合理的为载体元素分配失真代价。目前有许多适用于不同图像格式的代价函数，针对JPEG图像格式有J-UNIWARD、UED、UERD等。“STC+失真函数”的隐写框架提供了令人满意的隐写效果，无论是安全性还是嵌入效率。但是目前的隐写术都是基于无损传输的前提，即含密图像的传输不经过任何处理才能保证秘密信息的正确提取。已经有研究开始探索具有一定抗攻击能力的鲁棒隐写术。Jinyuan Tao等提出了一种能够抗JPEG重压缩的鲁棒隐写方案，该方法相较于其它方案可以在不使用纠错码的情况下，在经受JPEG重压缩后的含密图像中完全正确的恢复秘密信息。但该方法只能提供抗重压缩攻击的能力。

由于在实际应用当中，用于隐写术传输的信道往往是有损信道，因此对隐写术生成的含密图像会造成一定程度的破坏。虽然已经有相关研究进行了鲁棒隐写相关的研究，但目前大多数工作主要针对JPEG图像的重压缩处理进行抵抗。下采样操作同样是一种流行的图像处理手段。在网络传输中，出于带宽与存储成本考虑，数字图像往往会被下采样处理。同时，由于JPEG图像是广泛流行的图像格式。因此为了满足实际应用中的需求，提出一种能够用于JPEG图像抗下采样处理的鲁棒隐写技术是有必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种抗JPEG图像下采样的隐蔽通信装置，能够适用于对JPEG图像直接在DCT域进行减半下采样的场景。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种抗JPEG图像下采样的隐蔽通信装置，具体操作步骤包括：

第一步：对于给定的JPEG图像首先进行图像缩放，获取载体图像减半下采样后的图像R；

第二步：在下采样后的图像R中进行DCT系数提取，即选择所需的DCT系数组成DCT系数序列；

第三步：使用隐写术方法进行数据嵌入，秘密信息被嵌入进所选的DCT系数序列中，得到接收方含密图像S^r；

第四步：根据第三步得到的接收方含密图像通过系数调整对载体图像X进行修改得到发送方含密图像S^s。

优选地，在所述步骤第一步中，对给定图像X，如果不为JPEG格式图像，首先通过JPEG压缩获取其JPEG格式图像；使用直接在DCT域进行下采样的方法获取图像X经过下采样缩放后的版本；减半下采样公式如下

其中X_ij表示四个相邻的量化后的DCT系数块，0≤i，j≤1，其中X_d表示减半下采样后的DCT系数块，P_i表示权重矩阵，

表示权重矩阵的转置矩阵，i表示DCT系数块所在的行，j表示DCT系数块所在的列，Q_table表示JPEG图像对应的量化表。

优选地，在所述步骤第二步中，在采样后的图像R中选择所需的DCT系数进行信息嵌入；选择每一个DCT系数块(3，3)位置处的系数组成DCT系数序列；根据LDU算法的计算过程，得出下采样后的DCT系数中的每一个系数都是原图4个相邻DCT系数的线性组合；使在采样后的图像R上每一个选定的DCT系数都对应原图像X中4个相邻DCT块中的特定系数值。

优选地，在所述步骤第三步中，在第二步提取的DCT系数序列上，使用现有的任何隐写算法进行秘密信息的嵌入；使用STC嵌入方法，选定一种失真函数对图像R的嵌入失真进行计算，STC以最小化总失真的嵌入信息得到含密DCT序列；将嵌入信息后的序列还原至采样后的图像R中，得到了目标的接收方含密图像S^r。

优选地，在所述步骤第四步中，通过参考接收方含密图像S^r与载体图像X，结合采样算法的计算过程来调整载体图像，以生成一幅发送方含密图像S^s；该发送方含密图像经过下采样处理后，得到接收方含密图像；采用线性计算方法，根据第二步嵌入信息后的系数块，以及公式(1)求解方程得到4个新的原图系数块；这4个新的系数块就是对原图进行调整的目标值；

利用所选的嵌入方法，对采样后图像的系数进行最大幅度为1或-1的修改，对原图的调整幅度最大为1或-1；假设使用X_ij(m，n)表示位于DCT系数块中(m，n)位置处的系数；通过对选定的原图系数进行逐个调整验证，最终得到满足的调整方案。

优选地，在所述步骤第四步中，当在JPEG图像质量因子设置为95时，使用以下系数：

X₀₀(2，2)，X₀₁(2，2)，X₀₁(8，2)，X₁₀(8，2)，X₁₁(2，2)

在保证调整成功的同时，较少地调整原图的DCT系数；

在质量因子为设置75时，使用X₀₁(8，2)，X₁₀(8，2)，X₁₁(2，2)，X₁₁(8，2)进行调整。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明方法能够抵抗JPEG图像下采样的鲁棒隐写，对于给定的载体图像X，利用传输信道获取其减半下采样后的版本R，对于下采样后的图像R，利用隐写失真函数计算嵌入失真代价并从DCT系数中提取出特定DCT系数，利用失真代价以及提取的DCT系数结合STC嵌入算法将秘密信息嵌入进所提取的DCT系数序列中，将嵌入信息后的DCT系数序列还原至采样后图像R中，得到目标接收方含密图像；适用于对JPEG图像直接在DCT域进行减半下采样的场景；

2.本发明方法基于目标接收方含密图像，对载体图像X进行系数调整得到发送方含密图像，本发明考虑了隐写方法的安全性，鲁棒性，以及嵌入容量特性，满足实际应用中抵抗下采样处理的需求。

附图说明

图1是本发明的系统框架。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例一：

在本实施例中，一种抗JPEG图像下采样的隐蔽通信装置，具体操作步骤包括：

第一步：对于给定的JPEG图像首先进行图像缩放，获取载体图像减半下采样后的图像R；

第二步：在下采样后的图像R中进行DCT系数提取，即选择所需的DCT系数组成DCT系数序列；

第三步：使用隐写术方法进行数据嵌入，秘密信息被嵌入进所选的DCT系数序列中，得到接收方含密图像S^r；

第四步：根据第三步得到的接收方含密图像通过系数调整对载体图像X进行修改得到发送方含密图像S^s。

本实施例方法基于目标接收方含密图像，对载体图像X进行系数调整得到发送方含密图像，本发明考虑了隐写方法的安全性，鲁棒性，以及嵌入容量特性，满足实际应用中抵抗下采样处理的需求。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，在所述步骤第一步中，对给定图像X，如果不为JPEG格式图像，首先通过JPEG压缩获取其JPEG格式图像；使用直接在DCT域进行下采样的方法获取图像X经过下采样缩放后的版本；减半下采样公式如下：

其中X_ij表示四个相邻的量化后的DCT系数块，0≤i，j≤1，其中X_d表示减半下采样后的DCT系数块，P_i表示权重矩阵，

表示权重矩阵的转置矩阵，i表示DCT系数块所在的行，j表示DCT系数块所在的列，Q_table表示JPEG图像对应的量化表。

在本实施例中，在所述步骤第二步中，在采样后的图像R中选择所需的DCT系数进行信息嵌入；选择每一个DCT系数块(3，3)位置处的系数组成DCT系数序列；根据LDU算法的计算过程，得出下采样后的DCT系数中的每一个系数都是原图4个相邻DCT系数的线性组合；使在采样后的图像R上每一个选定的DCT系数都对应原图像X中4个相邻DCT块中的特定系数值。

在本实施例中，在所述步骤第三步中，在第二步提取的DCT系数序列上，使用现有的任何隐写算法进行秘密信息的嵌入；使用STC嵌入方法，选定一种失真函数对图像R的嵌入失真进行计算，STC以最小化总失真的嵌入信息得到含密DCT序列；将嵌入信息后的序列还原至采样后的图像R中，得到了目标的接收方含密图像S^r。

在本实施例中，在所述步骤第四步中，通过参考接收方含密图像S^r与载体图像X，结合采样算法的计算过程来调整载体图像，以生成一幅发送方含密图像S^s；该发送方含密图像经过下采样处理后，得到接收方含密图像；采用线性计算方法，根据第二步嵌入信息后的系数块，以及公式(1)求解方程得到4个新的原图系数块；这4个新的系数块就是对原图进行调整的目标值；

利用所选的嵌入方法，对采样后图像的系数进行最大幅度为1或-1的修改，对原图的调整幅度最大为1或-1；假设使用X_ij(m，n)表示位于DCT系数块中(m，n)位置处的系数；通过对选定的原图系数进行逐个调整验证，最终得到满足的调整方案。

在本实施例中，在所述步骤第四步中，当在JPEG图像质量因子设置为95时，使用以下系数：

X₀₀(2，2)，X₀₁(2，2)，X₀₁(8，2)，X₁₀(8，2)，X₁₁(2，2)

在保证调整成功的同时，较少地调整原图的DCT系数；

在质量因子为设置75时，使用X₀₁(8，2)，X₁₀(8，2)，X₁₁(2，2)，X₁₁(8，2)进行调整。

本实施例方法能够抵抗JPEG图像下采样的鲁棒隐写，对于给定的载体图像X，利用传输信道获取其减半下采样后的版本R，对于下采样后的图像R，利用隐写失真函数计算嵌入失真代价并从DCT系数中提取出特定DCT系数，利用失真代价以及提取的DCT系数结合STC嵌入算法将秘密信息嵌入进所提取的DCT系数序列中，将嵌入信息后的DCT系数序列还原至采样后图像R中，得到目标接收方含密图像；适用于对JPEG图像直接在DCT域进行减半下采样的场景；本实施例方法基于目标接收方含密图像，对载体图像X进行系数调整得到发送方含密图像，本实施例方法考虑了隐写方法的安全性，鲁棒性，以及嵌入容量特性，满足实际应用中抵抗下采样处理的需求。

实施例三：

本实施例与上述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，一种能够抵抗JPEG图像下采样的鲁棒隐写方案，能够适用于对JPEG图像直接在DCT域进行减半下采样的场景；如图1所示，其主要包括：

第一步：对于给定的JPEG图像进行图像缩放，即获取载体图像下采样后的图像R；

第二步：在下采样后的图像R中进行DCT系数提取，即选择所需的DCT系数组成DCT系数序列；

第三步：在本方案的该步骤中可以使用任何现有的隐写术方案进行数据嵌入；秘密信息被嵌入进所选的DCT系数序列中，得到接收方含密图像S^r；

第四步：根据第三步得到的接收方含密图像通过系数调整对载体图像X进行修改得到发送方含密图像S^s。

其中，所示第一步包括对给定的载体图像X做预处理。首先，如果图像X不是JPEG格式图像可以通过以下步骤转换为JPEG格式图像：

1.色彩空间转换：

首先对该图像进行色彩空间转换，将RGB颜色空间转换为YCbCr格式，亮度分量Y和两个代表色彩的色度分量Cb和Cr。

2.色度分量下采样：

由于眼睛对精细的色彩细节的敏感度要比对精细的亮度细节的敏感度低，所以丢掉一部分色度分量数据。4:4:4表示不进行下采样,4:2:2表示水平方向缩小两倍，4:2:0表示水平和垂直方向上缩小两倍。

3.离散余弦变换(DCT)：

图像被分为8×8像素的块，对于每个块，Y,Cb,Cr中的每一个元素(首先每个值都减去128以降低后续DCT处理阶段的动态范围要求，因为余弦波的幅度是±1，而不是0～1都进行离散余弦变换，得到8×8的DCT系数块。

4.量化：

由于人眼对低频的颜色或亮度的细微变化比对高频的亮度颜色或亮度的变化更敏感，所以高频成分以更低的精度被保存，即更大的量化步长。编码器的质量因子设置会影响每个频率分量的分辨率降低程度。如果使用过低的质量因子，则将高频分量完全丢弃。

5.熵编码：

所有8×8块的结果数据都采用无损压缩方式进一步压缩。扫描有之字形按块编码(baseline sequential encoding)和‘之’字形按系数位置全局编码(progressivecoding)两种。编码有Huffman编码和Run-length encoding两种，通常使用霍夫曼编码，JPEG标准提供了通用的霍夫曼码表。编码器还可以选择生成针对已编码图像中的实际频率分布进行优化的霍夫曼码表。

在得到JPEG格式的载体图像X后，针对欲抵抗的减半下采样对图像X进行相应的缩放处理获得缩放后的图像R。本方法使用的下采样算法不需要转换为空域处理，而是直接在DCT执行的快速算法，也被称为LDU算法。具体公式如下：

其中X_ij表示四个相邻的量化后的DCT系数块，0≤i，j≤1，其中X_d表示减半下采样后的DCT系数块，P_i表示权重矩阵，

表示权重矩阵的转置矩阵，i表示DCT系数块所在的行，j表示DCT系数块所在的列，Q_table表示JPEG图像对应的量化表。权重矩阵P₁和P₂如下所示：

其中，第二步更具体为：在采样后的图像R中选择所需的DCT系数进行信息嵌入。本方法选择每一个DCT系数块中(3，3)位置处的中频系数组成DCT系数序列。根据LDU算法的计算过程，可以得出下采样后的DCT系数中的每一个系数都是原图4个相邻DCT系数的线性组合，其权重值为两个权重矩阵中的第三行。因此在采样后的图像R上每一个选定的DCT系数都对应原图像X中4个相邻DCT块中的特定系数值。

其中，第三步更具体为：在第二步提取的DCT系数序列上可以使用现有的任何隐写算法进行秘密信息的嵌入。以常用的STC嵌入方法为例，选定一种失真函数对图像R的嵌入失真进行计算，然后将所选的DCT系数对应的失真代价值提取出来输入STC嵌入算法。STC以最小化总失真的嵌入信息得到含密的DCT系数序列。将嵌入信息后的序列还原至采样后的图像R中就得到了目标的接收方含密图像S^r。

其中，第四步更具体为：通过参考接收方含密图像S^r与载体图像X，结合采样算法的计算过程来调整载体图像，以生成一幅发送方含密图像S^s。该发送方含密图像经过下采样处理后恰好为接收方含密图像。具体方法如下，根据第二步所选择的DCT系数位置结合下采样算法计算过程，确定该系数受原图中系数值影响的范围。任何线性计算过程都可以适用与本发明的方法。由于所选的嵌入方法会对采样后图像的系数进行最大幅度为1或-1的修改。可以根据嵌入信息后的系数块，以及公式(1)求解方程得到4个新的原图系数块。这4个新的系数块就是对原图进行调整的目标值。假设使用X_ij(m，n)表示位于DCT系数块中(m，n)位置处的系数。通过对选定的原图系数进行逐个调整验证，最终得到满足的调整方案。调整过程中，同样遵循最大调整幅度为1或-1。本发明的优选设置为在JPEG图像质量因子为95时使用以下系数可以实现较好的效果。

X₀₀(2，2)，X₀₁(2，2)，X₀₁(8，2)，X₁₀(8，2)，X₁₁(2，2) (2)

在保证调整成功的同时较少的调整原图的DCT系数。在质量因子为75时可以使用X₀₁(8，2)，X₁₀(8，2)，X₁₁(2，2)，X₁₁(8，2)进行调整。

通过调整后得到发送方的发送方含密图像可以抵抗JPEG减半下采样传输，在传输后得到的接收方含密图像上进行系数提取后，使用与嵌入算法匹配的STC提取算法即可得到秘密信息。

至此，整个发明的实施方案完成。

综上所述，上述实施例一种用于JPEG格式图像的抗下采样处理的隐蔽通信装置，对于给定的JPEG图像首先进行图像缩放，获取载体图像减半下采样后的图像R；在下采样后的图像R中进行DCT系数提取，即选择所需的DCT系数组成DCT系数序列；使用隐写术方法进行数据嵌入，秘密信息被嵌入进所选的DCT系数序列中，得到接收方含密图像S^r；根据得到的接收方含密图像通过系数调整对载体图像X进行修改得到发送方含密图像S^s。上述实施例方法能够适用于传输信道包含图像减半下采样处理的场景，在这种有损信道中本发明提供的方法可以保证秘密信息的完全提取，并保证了接收方含密图像的安全性。

以上所述仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本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。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种抗JPEG图像下采样的鲁棒隐蔽通信装置，其特征在于，具体操作步骤包括：

第一步：对于给定的载体图像X首先进行图像缩放，获取载体图像X减半下采样后的图像R；

第二步：在下采样后的图像R中进行DCT系数提取，即选择所需的DCT系数组成DCT系数序列；

第三步：使用隐写术方法进行数据嵌入，秘密信息被嵌入进所选的DCT系数序列中，得到接收方含密图像S^r；

第四步：根据第三步得到的接收方含密图像S^r，通过系数调整对载体图像X进行修改，得到发送方含密图像S^s；

在所述步骤第一步中，对给定载体图像X，如果不为JPEG格式图像，首先通过JPEG压缩获取其JPEG格式图像；使用直接在DCT域进行下采样的方法获取载体图像X经过下采样缩放后的版本；减半下采样公式如下

其中X_ij表示四个相邻的量化后的DCT系数块，0≤i，j≤1，其中X_d表示减半下采样后的DCT系数块，P_i表示权重矩阵，

表示权重矩阵的转置矩阵，i表示DCT系数块所在的行，j表示DCT系数块所在的列，Q_table表示载体图像X对应的量化表；

在所述步骤第二步中，在下采样后的图像R中选择所需的DCT系数进行信息嵌入；选择每一个DCT系数块(3，3)位置处的系数组成DCT系数序列；根据LDU算法的计算过程，得出下采样后的DCT系数中的每一个系数都是载体图像X的4个相邻DCT系数的线性组合；使在下采样后的图像R上每一个选定的DCT系数都对应载体图像X中4个相邻DCT块中的特定系数值；

在所述步骤第三步中，在第二步提取的DCT系数序列上，使用现有的任何隐写算法进行秘密信息的嵌入；使用STC嵌入方法，选定一种失真函数对下采样后的图像R的嵌入失真进行计算，STC以最小化总失真的嵌入信息得到含密DCT序列；将嵌入信息后的序列还原至下采样后的图像R中，得到了目标的接收方含密图像S^r；

在所述步骤第四步中，通过参考接收方含密图像S^r与载体图像X，结合采样算法的计算过程来调整载体图像X，以生成一幅发送方含密图像S^s；该发送方含密图像S^s经过下采样处理后，得到接收方含密图像S^r；采用线性计算方法，根据第二步嵌入信息后的系数块，以及公式(1)求解方程得到4个新的载体图像X的系数块；这4个新的系数块就是对载体图像X进行调整的目标值；

利用所选的嵌入方法，对下采样后图像R的系数进行最大幅度为1或-1的修改，对载体图像X的调整幅度最大为1或-1；假设使用X_ij(m，n)表示位于DCT系数块中(m，n)位置处的系数；通过对选定的载体图像X的系数进行逐个调整验证，最终得到调整方案。

2.根据权利要求1所述的抗JPEG图像下采样的鲁棒隐蔽通信装置，其特征在于，在所述步骤第四步中，当在JPEG图像质量因子设置为95时，使用以下系数：

X₀₀(2，2)，X₀₁(2，2)，X₀₁(8，2)，X₁₀(8，2)，X₁₁(2，2)

在保证调整成功的同时，少调整载体图像X的DCT系数；

在质量因子为设置75时，使用X₀₁(8，2)，X₁₀(8，2)，X₁₁(2，2)，X₁₁(8，2)进行调整。

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