CN114359006A - 一种基于可重叠区域的直方图平移数据嵌入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于可重叠区域的直方图平移数据嵌入方法，现有的直方图平移数据嵌入算法在极值对的选择上要求要求极值对之间不能有重叠，使得嵌入容量相对较少。针对此问题，我们提出了一种可重叠区域的直方图平移方案，以增加嵌入容量。该方案优先选择峰值点与零值点距离最近的极值对进行直方图平移。实验结果表明，在降低了一定的图像质量之后，嵌入容量有了较大提高。

Description

一种基于可重叠区域的直方图平移数据嵌入方法

技术领域

本发明涉及信息安全领域中的数据嵌入技术，尤其是一种基于直方图平移的图像数据嵌入方法。

背景技术

数据隐藏是一种保护信息的有效技术，过程是将数据隐藏到承载秘密信息的介质中而不被检测到，数据隐藏的方法主要包括隐写术、数字水印、基于构造的数据隐藏等。1997年J.M.Barton.et首次提出了可逆数据隐藏(RDH)方案。RDH是指不仅可以提取附加数据，而且可以在不产生任何失真的情况下完美地重构载体图像。根据载体图像是否加密，RDH可以分为两类：加密域的RDH和明文域的RDH。如无损压缩、差分展开(DE)、直方图移动(HS)、预测误差展开tPEE)等。

直方图移动方法的优点是对图像的破坏程度很低，使载体图像的PSNR保持在48以上，但是其缺点是可进行存储的信息容量很小，原因是在多组直方图平移时选取直方图平移区间之间是不会重叠的。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷，本发明旨在提供一种基于可重叠区域的直方图平移数据嵌入方法，在多组直方图平移时选择平移顺序的方法，来增加载体图像的信息容量。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于直方图平移的图像数据嵌入方法，包括如下步骤：

(1)对明文图像进行生成直方图操作；

(2)找出步骤(1)生成的直方图中频率最大的像素值m₁，。判断h(m₁)是否大于所需的嵌入容量P，如果h(m₁)小于或等于P，则继续在直方图中寻找除了m₁外频率最大的像素值m₂，判断h(m₁)+h(m₂)是否大于P，如果h(m₁)+h(m₂)小于等于P，则继续寻找除m₁和m₂外频率最大的像素值，直至找到像素值m_n使得

大于P；其中，h(·)表示频率函数；

(3)将步骤(1)生成的直方图中频率最大、最小的N个像素值，分别记为m₁，m₂...m_n、n₁，n₂，n₃...n_n；同时，记m₁，m₂...m_n对应的频率值为h(m₁)，h(m₂)...h(m_n)，n₁，n₂，n₃...n_n对应的频率值为h(n₁)，h(n₂)...h(n_n)；

(4)对集合max＝{m₁，m₂...m_n}和min＝{n₁，n₂，n₃...n_n}进行穷举操作，找到|m_i-n_j|的最小值，将最小值对应的元素分别从集合max和min中移除，移除元素后的两个集合再次进行上述穷举操作，重复n次后得到点对集合Order＝{(s_k，t_k)}，i∈[1，N]，j∈[1，n]，k∈[1，n]；

(5)以明文图像作为初始输入，依次以(s₁，t₁)，(s₂，t₂)，…，(s_n，t_n)为参数进行n次直方图平移操作，生成密文图像。

进一步，所述明文图像的像素值范围在0-255，大小为m×n。

进一步，所述步骤(5)中，记明文图像为image(1)，image(1)以(s₁，t₁)为参数进行直方图平移操作生成image(2)，image(2)以(s₂，t₂)为参数进行直方图平移操作生成image(3)，重复进行N次后直方图平移操作后，生成密文图像。

进一步，第k次直方图平移操作的具体过程如下：

(4.1)如果h(t_k)＞0，那么image(k)中所有像素值为t_k的像素点的位置信息作为开销信息额外传导，并且将这些像素点的像素值加上abs(s_k-t_k)/(t_k-s_k)，其中abs(·)表示求取绝对值；

(4.2)按照由上至下、由左至右的顺序遍历image(k)，将在s_k和t_k之间的像素点的像素值加上abs(s_k-t_k)/(t_k-s_k)；

(4.3)在步骤(4.2)的遍历过程中，当遇到像素值为s_k的像素点时，检查当前要嵌入的秘密信息的bit值，如果为0则不进行操作，如果为1则将该像素点的像素值加上abs(s_k-t_k)/(t_k-s_k)。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明利用特定的平移顺序使得允许直方图平移区间之间出现重叠区域，且不会影响无损恢复，从而增加载体图像的数据容量。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为载体图像；

图3是载体图像的直方图；

图4是image(2)的直方图；

图5是imaget3)的直方图；

图6是imaget4)的直方图；

图7是图像在不同嵌入容量时的PSNR值曲线。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明的技术方案做进一步阐述。

现有的RDH算法在极值对的选择上要求要求极值对之间不能有重叠，使得嵌入容量相对较少。针对此问题，我们提出了一种可重叠区域的直方图平移方案，以增加嵌入容量。该方案优先选择峰值点与零值点距离最近的极值对进行直方图平移。实验结果表明，在降低了一定的图像质量之后，嵌入容量有了较大提高。

如图1所示，本具体实施例采用MATLAB2017软件进行仿真，原始图像选用大小为512×512的标准测试灰度图像Lena，以Lena图像为载体图像(如图2所示)嵌入秘密信息，其具体过程如下：

(1)对明文图像Lena进行生成直方图操作，得到如图3所示的直方图。

(2)本实施例中需要n＝3个频率最大的像素值点，即可达到嵌入容量的要求，即

大十嵌入容量P；

(3)步骤(1)生成的直方图中频率最大、最小的N个像素值，形成集合max＝{120，145，147}和min＝{1，2，3}；

(4)对集合max＝{120，145，147}和min＝{1，2，3}进行3次穷举操作后，得到点对集合Order＝{(3，120)，(2，145)，(1，147)}；

(5)以明文图像Lena作为初始输入图像image(1)(其直方图如图3所示)，(3，120)为参数进行直方图平移操作生成image(2)(其直方图如图4所示)；以image(2)、(2，145)为参数进行直方图平移操作生成image(3)(其直方图如图5所示)，以image(3)、(1，147)为参数进行直方图平移操作生成image(4)(即为密文图像，其直方图如图6所示)。

进一步，第k次直方图平移操作的具体过程如下：

(4.1)如果h(t_k)＞0，那么image(k)中所有像素值为t_k的像素点的位置信息作为开销信息额外传导，并且将这些像素点的像素值加上abs(s_k-t_k)/(t_k-s_k)，其中abs(·)表示求取绝对值；

t4.2)按照由上至下、由左至右的顺序遍历image(k)，将在s_k和t_k之间的像素点的像素值加上abs(s_k-t_k)/(t_k-s_k)；

(4.3)在步骤(4.2)的遍历过程中，当遇到像素值为s_k的像素点时，检查当前要嵌入的秘密信息的bit值，如果为0则不进行操作，如果为1则将该像素点的像素值加上abs(s_k-t_k)/(t_k-s_k)。

下面对本发明的提升嵌入容量效果进行安全性分析。

一、嵌入容量分析：

以Lena为测试图片时的最大嵌入容量。

Images(512*512)	嵌入容量
		Lena	3377

二、PSNR分析

对嵌入各容量时的PSNR进行了分析，PSNR的趋势图如图7所示。现实的结果表示每增加一个平移区间会导致PSNR的较为快速的降低。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于可重叠区域的直方图平移数据嵌入方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)对明文图像进行生成直方图操作；

(2)找出步骤(1)生成的直方图中频率最大的像素值m₁，判断h(m₁)是否大于所需的嵌入容量P，如果h(m₁)小于或等于P，则继续在直方图中寻找除了m₁外频率最大的像素值m₂，判断h(m₁)+h(m₂)是否大于P，如果h(m₁)+h(m₂)小于等于P，则继续寻找除m₁和m₂外频率最大的像素值，直至找到像素值m_n使得

大于P；其中，h(·)表示频率函数；

(3)将步骤(1)生成的直方图中频率最大、最小的n个像素值，分别记为m₁，m₂...m_n、n₁，n₂，n₃...n_n；同时，记m₁，m₂...m_n对应的频率值为h(m₁)，h(m₂)...h(m_n)，n₁，n₂，n₃…n_n对应的频率值为h(n₁)，h(n₂)...h(n_n)；

(4)对集合max＝{m₁，m₂…m_n}和min＝{n₁，n₂，n₃…n_n}进行穷举操作，找到|m_i-n_j|的最小值，将最小值对应的元素分别从集合max和min中移除，移除元素后的两个集合再次进行上述穷举操作，重复n次后得到点对集合Order＝{(s_k，t_k)}，i∈[1，n]，j∈[1，n]，k∈[1，n]；

(5)以明文图像作为初始输入，依次以(s₁，t₁)，(s₂，t₂)，…，(s_n，t_n)为参数进行n次直方图平移操作，生成密文图像。

2.如权利要求1所述的一种基于可重叠区域的直方图平移数据嵌入方法，其特征在于，所述明文图像的像素值范围在0-255。

3.如权利要求1所述的一种基于可重叠区域的直方图平移数据嵌入方法，其特征在于，所述步骤(5)中，记明文图像为image(1)，image(1)以(s₁,t₁)为参数进行直方图平移操作生成image(2)，image(2)以(s₂,t₂)为参数进行直方图平移操作生成image(3)，重复进行n次后直方图平移操作后，生成密文图像image(n+1)。

4.如权利要求1所述的一种基于可重叠区域的直方图平移数据嵌入方法，其特征在于，第k次直方图平移操作的具体过程如下：

(4.1)如果h(t_k)＞0，那么image(k)中所有像素值为t_k的像素点的位置信息作为开销信息额外传导，并且将这些像素点的像素值加上abs(s_k-t_k)/(t_k-s_k)，其中abs(·)表示求取绝对值；

(4.2)按照由上至下、由左至右的顺序遍历image(k)，将在s_k和t_k之间的像素点的像素值加上abs(s_k-t_k)/(t_k-s_k)；

(4.3)在步骤(4.2)的遍历过程中，当遇到像素值为s_k的像素点时，检查当前要嵌入的秘密信息的bit值，如果为0则不进行操作，如果为1则将该像素点的像素值加上abs(s_k-t_k)/(t_k-s_k)。

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