CN114567710A - 一种基于岭回归预测的可逆数据隐写方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于岭回归预测的可逆数据隐写方法及系统,首先基于输入图像I的图像预处理;然后基于特殊的岭回归预测求出预处理后I中的误差矩阵E;接着基于误差矩阵E的直方图移位法,嵌入被隐写数据D,得到嵌入数据后的像素矩阵Ni;从嵌入数据后的像素矩阵Ni中提取被隐写的数据D;最后还原像素矩阵I。本发明提供了在一个像素点嵌入多进制数据的方法;提供了在图像边缘点嵌入数据比特的方法;提供了岭回归高维度的嵌入训练集使用方法;提供了对矩阵中部像素点选取支持集的多种方式,使通过岭回归预测的预测值更加准确,从而提高了嵌入容量;在保证图像质量相同的情况下,可嵌入更多的信息。
Description
技术领域
本发明属于信息安全技术领域,涉及一种在图像空域中可逆的信息隐写方法及系统,具体涉及一种基于岭回归预测误差,利用误差直方图嵌入、恢复隐藏信息的方法及系统。
背景技术
数据隐写和加密算法在信息安全保护中起着至关重要的作用。可逆数据隐写是一种特殊的数据隐藏模式,可以解决传统数据隐写方法,图像永久失真的问题。可逆数据隐写能够准确地提取秘密信息并恢复原始图像。由于这一独特特性,可逆数据隐写广泛应用于对图像失真敏感的领域当中,在这些领域中,不允许原始图像发生永久性变化。而可恢复图像隐写方法,可以在提取隐写数据后,无损恢复原始图像。
当前,空域原始图像可逆数据隐写实现方法,大致可分为:基于差分(DE)的隐写,基于统计直方图(HS)的隐写,基于插值(II)图像的隐写三类。其中基于DE方法,其上下溢出问题不可控,导致所需要的位置图标记占用资源不可控,极大影响了其实用嵌入容量。基于II的方法,由于预测器预测精度比较低,嵌入后图像质量普遍不高。当前,HS方法是研究主流。其溢出可控,精度可控。主要研究工作集中在预测器精度之上。本专利也是围绕预测器精度进行的研究。
发明内容
为了提高嵌入容量和视觉质量,提高隐写效率,本发明提出了一种基于岭回归预测的可逆图像隐写方法及系统。
本发明的方法所采用的技术方案是:一种基于岭回归预测的可逆数据隐写方法,包括以下步骤:
步骤1:对输入图像进行预处理;
首先读取图像作为原始像素矩阵I,遍历像素矩阵I中即将嵌入比特数据的像素点;对可能发生上下溢出的像素点的像素值进行修改,记修改过后的像素矩阵记为Hi,像素修改位置信息矩阵记为Hd;压缩位置信息矩阵Hd,压缩之后的Hd标记为d;
步骤2:基于特殊的岭回归预测求出I中的误差矩阵E;
遍历整个像素矩阵Hi,依次分别计算出每个像素点的岭回归预测值Ci,j;由Hi与岭回归预测值C之间的差值,构成预测误差矩阵E,即由Ei,j=Hii,j-Ci,j得到E=Hi-C;
步骤3:基于误差矩阵E的直方图移位法,嵌入被隐写数据D,得到嵌入数据后的像素矩阵Ni;
步骤4:从嵌入数据后的像素矩阵Ni中提取被隐写的数据D;
步骤5:还原像素矩阵I。
本发明的系统所采用的技术方案是:一种基于岭回归预测的可逆数据隐写系统,包括以下模块:
模块1,用于对输入图像进行预处理;
首先读取图像作为原始像素矩阵I,遍历像素矩阵I中即将嵌入比特数据的像素点;对可能发生上下溢出的像素点的像素值进行修改,记修改过后的像素矩阵记为Hi,像素修改位置信息矩阵记为Hd;压缩位置信息矩阵Hd,压缩之后的Hd标记为d;
模块2,用于基于特殊的岭回归预测求出I中的误差矩阵E;
遍历整个像素矩阵Hi,依次分别计算出每个像素点的岭回归预测值Ci,j;由Hi与岭回归预测值C之间的差值,构成预测误差矩阵E,即由Ei,j=Hii,j-Ci,j得到E=Hi-C;
模块3,用于基于误差矩阵E的直方图移位法,嵌入被隐写数据D,得到嵌入数据后的像素矩阵Ni;
模块4,用于从嵌入数据后的像素矩阵Ni中提取被隐写的数据D;
模块5,用于还原像素矩阵I。
本发明与现有技术相比,有如下的优点与有益效果:
(1)提供了在一个基于岭回归的,多进制数据的方法。当需要嵌入容量大的时候,通过位置图标记,溢出控制,除二进制外,本方法可以使用三进制,四进制等任意进制方法嵌入方法,从而在嵌入后图像质量与嵌入容量上有比较完美的平衡;
(2)提供了在图像边缘点进行岭回归嵌入数据比特的方法。通常岭回归只提供中间点的训练与支持集的选择,会造成边缘点使用不足问题。本专利提供边缘点训练方法,即将边缘点也计入嵌入范围,相当于增加了嵌入面积,从而提高嵌入容量;
(3)提供了具体岭回归高维度嵌入训练集使用方法。基于预测编码的嵌入方法,主要是基于周边像素信息,提高嵌入点的预测精度,或者说降低其预测条件熵。一般情况下,越多的周边信息(越大的支持集,训练集),对降低条件熵,提高嵌入容量有利。本专利提供了高维度弹性尺寸的训练集,支持集选择以及训练方法的一般性技术。因此能更好的提高预测精度,提升嵌入后图像质量与嵌入容量;
(4)提供了对矩阵中部像素点选取支持集的多种方式,使通过岭回归预测的预测值更加准确,从而提高了嵌入容量;
(5)在保证图像质量相同的情况下,可嵌入更多的信息。
附图说明
图1为本发明实施的方法流程图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明,下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述,应当理解,此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明,并不用于限定本发明。
本发明包括如下定义:将用于信息隐藏的初始像素矩阵Image,简称I;通过I计算出的误差矩阵Error,简称E;隐藏的秘密数据Data,简称D;嵌入数据后的像素矩阵NewImage,简称Ni。
请见图1,本发明提供的一种基于岭回归预测的可逆数据隐写方法,包括以下步骤:
步骤1:对输入图像进行预处理;
本实施例中,步骤1的具体实现包括以下子步骤:
步骤1.1,首先读取图像作为原始像素矩阵I,遍历像素矩阵I中即将嵌入比特数据的像素点;
步骤1.2,对可能发生上下溢出的像素点的像素值进行修改,记修改过后的像素矩阵记为Hi;像素修改位置信息矩阵记为Hd;上下溢出的像素点判断和像素值更改的具体实现如下,以Ii,j表示像素矩阵I的第i行第j列像素,以Hii,j表示修改后像素矩阵Hi的第i行第j列像素,以Hdi,j表示像素修改位置信息矩阵Hd的第i行第j列,根据以下公式,矩阵Hi以及Hd:
其中k为信息隐藏时像素点的最大变化阈值。
例如k=1时,
步骤1.3,用游程编码,哈夫曼编码等压缩编码方式压缩位置信息矩阵Hd,压缩之后的Hd标记为d。
步骤2:基于特殊的岭回归预测求出I中的误差矩阵E;
遍历整个像素矩阵Hi,基于特殊选取支持集的岭回归预测,依次分别计算出每个像素点的岭回归预测值Ci,j;由Hi与岭回归预测值C之间的差值,构成预测误差矩阵E,即由Ei,j=Hii,j-Ci,j得到E=Hi-C;
本实施例中,基于特殊选取支持集的岭回归预测,依次分别计算出每个像素点的岭回归预测值Ci,j的具体实现包括以下子步骤:
步骤2.1:按从左上角开始,依次经过左下角,右下角,右上角最后回到左上角的顺序遍历图像矩阵Hi外层的两层像素点,按从左到右从上到下的顺序遍历图像矩阵Hi其余处在中部的像素点,依次将Hi分为不同的预测点Hii,j以及对应支持集若Hi为m行n列的矩阵;
步骤2.1.2,对不同的预测点Hii,j其训练集Y以及训练集Y的持集X按如下规律选择;
满足i∈[1,m-1],j=1,Hii,j的训练集Y按如下规律选取:
Hi<sub>i,j</sub> | Y<sub>1</sub> | Y<sub>2</sub> |
Y<sub>3</sub> |
相应训练点Y1,Y2,Y3的支持集X按如下规律选取:
Y<sub>a</sub> | X<sub>a1</sub> |
X<sub>a2</sub> |
满足i=m,j∈[1,n-1],Hii,j的训练集Y按如下规律选取:
Y<sub>2</sub> | |
Y<sub>1</sub> | Y<sub>3</sub> |
Hi<sub>i,j</sub> |
相应训练点Y1,Y2,Y3的支持集X按如下规律选取:
X<sub>a1</sub> | |
Y<sub>a</sub> | X<sub>a2</sub> |
满足i∈[2,m],j=n,Hii,j的训练集Y按如下规律选取:
Y<sub>3</sub> | ||
Y<sub>2</sub> | Y<sub>1</sub> | Hi<sub>i,j</sub> |
相应训练点Y1,Y2,Y3的支持集X按如下规律选取:
X<sub>a2</sub> | |
X<sub>a1</sub> | Y<sub>a</sub> |
满足i=1,j∈[2,n],Hii,j的训练集Y按如下规律选取:
Hi<sub>i,j</sub> | |
Y<sub>3</sub> | Y<sub>1</sub> |
Y<sub>2</sub> |
相应训练点Y1,Y2,Y3的支持集X按如下规律选取:
X<sub>a2</sub> | Y<sub>a</sub> |
X<sub>a1</sub> |
满足i∈[2,m-2],j=2,Hii,j的训练集Y按如下规律选取:
Hi<sub>i,j</sub> | Y<sub>1</sub> | |
Y<sub>2</sub> | Y<sub>3</sub> |
相应训练点Y1,Y2,Y3的支持集X按如下规律选取:
X<sub>a1</sub> | ||
X<sub>a2</sub> | Y<sub>a</sub> | X<sub>a3</sub> |
X<sub>a4</sub> |
满足i=m-1,j∈[2,n-2],Hii,j的训练集Y按如下规律选取:
相应训练点Y1,Y2,Y3的支持集X按如下规律选取:
X<sub>a1</sub> | ||
X<sub>a2</sub> | Y<sub>a</sub> | X<sub>a3</sub> |
X<sub>a4</sub> |
满足条件i∈[3,m-1],j=n-1,Hii,j的训练集Y按如下规律选取:
Y<sub>3</sub> | Y<sub>2</sub> | |
Y<sub>1</sub> | Hi<sub>i,j</sub> |
相应训练点Y1,Y2,Y3的支持集X按如下规律选取:
X<sub>a1</sub> | ||
X<sub>a2</sub> | Y<sub>a</sub> | X<sub>a3</sub> |
X<sub>a4</sub> |
满足条件i=2,j∈[3,n-1],Hii,j的训练集Y按如下规律选取:
Hi<sub>i,j</sub> | |
Y<sub>2</sub> | |
Y<sub>3</sub> | Y<sub>1</sub> |
相应训练点Y1,Y2,Y3的支持集X按如下规律选取:
X<sub>a1</sub> | ||
X<sub>a2</sub> | Y<sub>a</sub> | X<sub>a3</sub> |
X<sub>a4</sub> |
满足条件i∈[3,n-2],j∈[3,n-2],Hii,j的训练集Y按如下规律选取:
以3×3为例
Y<sub>1</sub> | Y<sub>2</sub> | |
Hi<sub>i,j</sub> | ||
Y<sub>3</sub> | Y<sub>4</sub> |
以5×5为例
Y<sub>1</sub> | Y<sub>2</sub> | Y<sub>5</sub> | Y<sub>6</sub> | |
Y<sub>3</sub> | Y<sub>4</sub> | Y<sub>7</sub> | Y<sub>8</sub> | |
Hi<sub>i,j</sub> | ||||
Y<sub>9</sub> | Y<sub>10</sub> | Y<sub>13</sub> | Y<sub>14</sub> | |
Y<sub>11</sub> | Y<sub>12</sub> | Y<sub>15</sub> | Y<sub>16</sub> |
其中训练点Y1,…,Yn的支持集X按如下规律选取:
X<sub>a1</sub> | ||
X<sub>a2</sub> | Y<sub>a</sub> | X<sub>a3</sub> |
X<sub>a4</sub> |
步骤2.1.3,根据上述步骤取得的训练集Y和Y对应支持集X,记系数Wi,j=(X′X+λI)-1X′Y;其中,λ表示岭回归系数,建议取值为矩阵Y的行数;
例如图像矩阵Hi如下:
对第二行第一列的像素点进行预测:
Hii,j=213
对第四行第四列的像素点进行预测:
Hii,j=175
步骤3:基于误差矩阵E的直方图移位法,嵌入被隐写数据D,得到嵌入数据后的像素矩阵Ni;
本实施例中,嵌入被隐写数据D的具体实现包括以下子步骤:
步骤3.1:遍历步骤2.3中的误差矩阵E,对Ei,j=-1或0的点,嵌入k+1进制数据,其余误差值分别向正负两端增大或减小k,从而得到新的误差值,记为Ne,具体操作公式如下:
其中,Nei,j表示矩阵Ne的第i行第j列,Dα为从D中依次读出的k+1进制数据。
其中数据D应该包含对于压缩数据d的表达,具体方法不限。
例如当k=1,得到Ne的公式为:
步骤3.2:根据上述步骤算出的嵌入后的误差值Ne,在步骤2.2岭回归预测值C,得到嵌入数据后的图像,或称像素矩阵,Ni=C+Ne。
步骤4:从嵌入数据后的像素矩阵Ni中提取被隐写的数据D;
本实施例中,步骤4的具体实现包括以下子步骤:
步骤4.1:以与步骤2.1相反的顺序遍历整个像素矩阵Ni;特别是对每个点的遍历顺序需要完全相反,否则会出现图像恢复错误。
步骤4.2:计算出每个像素点Nii,j的预测值Nci,j,其计算方法与步骤2.2完全相同,即用Nii,j替换对应Hii,j即可完成预测对应操作。
步骤4.3:由Ni与步骤4.2预测值Nc之间的差值,构成预测误差矩阵Ne,即Ne=Ni-Nc;
步骤4.4:遍历Ne,按步骤3.1的逆步骤,从嵌入比特的误差值中依次提取k+1进制数据,对未嵌入数据的误差值向中间0点增大或减小k,还原E,具体操作公式如下;
最终,按嵌入顺序的逆序,由Dα组装得到D。
例如当k=1,还原原始误差矩阵E和被隐写数据D的公式为:
步骤5:还原像素矩阵I;
本实施例中,步骤5的具体实现包括以下子步骤:
步骤5.1:根据还原的误差矩阵E和步骤4.2岭回归预测值Nc,还原像素矩阵Hi=Nc+E;
步骤5.2:从提后的数据D提取出的数据d,由d解压还原位置信息矩阵Hd;
步骤5.3:依据位置信息矩阵Hd,像素矩阵Hi,还原为I;
将Hd按从左到右从上到下的顺序排成与Hi大小相同的矩阵;根据Hd将Hi还原为I,若Hdi,j=1,则计算Ii,j的公式为:
若Hdi,j=0,则Ii,j=Hii,j。
例如k=1时,若Hdi,j=1,则计算Ii,j的公式为:
若Hdi,j=0,则Ii,j=Hii,j。
应当理解的是,上述针对较佳实施例的描述较为详细,并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制,本领域的普通技术人员在本发明的启示下,在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下,还可以做出替换或变形,均落入本发明的保护范围之内,本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种基于岭回归预测的可逆数据隐写方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:对输入图像进行预处理;
首先读取图像作为原始像素矩阵I,遍历像素矩阵I中即将嵌入比特数据的像素点;对可能发生上下溢出的像素点的像素值进行修改,记修改过后的像素矩阵记为Hi,像素修改位置信息矩阵记为Hd;压缩位置信息矩阵Hd,压缩之后的Hd标记为d;
步骤2:基于特殊的岭回归预测求出I中的误差矩阵E;
遍历整个像素矩阵Hi,依次分别计算出每个像素点的岭回归预测值Ci,j;由Hi与岭回归预测值C之间的差值,构成预测误差矩阵E,即由Ei,j=Hii,j-Ci,j得到E=Hi-C;
步骤3:基于误差矩阵E的直方图移位法,嵌入被隐写数据D,得到嵌入数据后的像素矩阵Ni;
步骤4:从嵌入数据后的像素矩阵Ni中提取被隐写的数据D;
步骤5:还原像素矩阵I。
3.根据权利要求1所述的基于岭回归预测的可逆数据隐写方法,其特征在于:步骤2中,遍历整个像素矩阵Hi,基于特殊选取支持集的岭回归预测,依次分别计算出每个像素点的岭回归预测值Ci,j;
具体实现包括以下子步骤:
步骤2.1:按从左上角开始,依次经过左下角,右下角,右上角最后回到左上角的顺序遍历图像矩阵Hi外层的两层像素点,按从左到右从上到下的顺序遍历图像矩阵Hi其余处在中部的像素点,依次将Hi分为不同的预测点Hii,j以及对应支持集若Hi为m行n列的矩阵;
步骤2.2:对不同的预测点Hii,j,获取训练集Y,Y对应的持集X;
步骤2.3:根据上述步骤取得的训练集Y和Y对应支持集X,计算预测系数矩阵:Wi,j=(X′X+λI)-1X′Y;其中,λ表示岭回归系数;
6.根据权利要求1-5任意一项所述的基于岭回归预测的可逆数据隐写方法,其特征在于,步骤4的具体实现包括以下子步骤:
步骤5.1:根据还原的误差矩阵E和步骤4中岭回归预测值Nc,还原像素矩阵Hi=Nc+E;
步骤5.2:从提后的数据D提取出的数据d,由d解压还原位置信息矩阵Hd;
步骤5.3:依据位置信息矩阵Hd,像素矩阵Hi,还原为I。
8.一种基于岭回归预测的可逆数据隐写系统,其特征在于,包括以下模块:
模块1,用于对输入图像进行预处理;
首先读取图像作为原始像素矩阵I,遍历像素矩阵I中即将嵌入比特数据的像素点;对可能发生上下溢出的像素点的像素值进行修改,记修改过后的像素矩阵记为Hi,像素修改位置信息矩阵记为Hd;压缩位置信息矩阵Hd,压缩之后的Hd标记为d;
模块2,用于基于特殊的岭回归预测求出I中的误差矩阵E;
遍历整个像素矩阵Hi,依次分别计算出每个像素点的岭回归预测值Ci,j;由Hi与岭回归预测值C之间的差值,构成预测误差矩阵E,即由Ei,j=Hii,j-Ci,j得到E=Hi-C;
模块3,用于基于误差矩阵E的直方图移位法,嵌入被隐写数据D,得到嵌入数据后的像素矩阵Ni;
模块4,用于从嵌入数据后的像素矩阵Ni中提取被隐写的数据D;
模块5,用于还原像素矩阵I。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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