TWI384416B - 一種植基於三像素區塊差異之可回復式資料隱藏技術 - Google Patents

Description

一種植基於三像素區塊差異之可回復式資料隱藏技術

本發明係有關一種可回復式之資料隱藏技術，一般將資料藏入影像後，都會破壞影像，如果這種破壞無法復原，將造成影像永久失真。本發明在藏入資料時，同時記錄復原所需資訊，在萃取隱藏資料時，運用先前記錄在影像中的資訊，將掩護影像完全復原。

目前已經發表的可回復式影像隱藏技術分為壓縮、差異擴大、直方圖三類，其代表性文獻分別如下：

[1] Jiri Fridrich, Miroslav Goljan, and Rui Du, “Invertible Authentication,” Proceedings SPIE, Security and Watermarking of Multimedia Contents, San Jose, CA, 2001, pp. 197-208.

[2] Jun Tian, “Reversible Data Embedding Using a Difference Expansion,” IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology, vol. 13, no. 8, August 2003, pp. 890-896.

[3] Zhicheng Ni, Yun-Qing Shi, Nirwan Ansari, and Wei Su, “Reversible Data Hiding,” IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology, vol. 16, no. 3, March 2006, pp. 354-362.

文獻[1]的技術是對最不重要位元平面(Least Significant Bit Plane)做無失真壓縮，以獲取額外的空間隱藏資料；文獻[2]將二個像素的差異加倍，使每二個像素可以空出一個位元隱藏資料；文獻[3]則是將像素直方圖(Histogram)的最大值與最小值之間的像素值向右或向左移動1，將資料藏入直方圖上最大值所在的像素。

習知如【先前技術】文獻[3]之隱藏方法係利用影像中像素值的分佈直方圖最大值的像素值藏入資料，以一張512×512影像為例，同一影像具有相同像素值的像素個數最多都在幾千點以內，如常用的Lena(如圖十一所示)，其最大值約在2700像素(如圖十二所示)。因此使用文獻[3]之方法所藏入的資料非常有限。

本發明提供一種以三像素區塊差異分佈直方圖作為藏入資料的直方圖，在藏入資料前先將影像分割為不重疊的三像素區塊，接著計算在三像素區塊中的二個差異值，再畫出這些差異值的分佈直方圖，找出直方圖上的最大值所在的差異值作為藏入資料的地方。本發明之區塊差異是指| b _i0-b _i1 |或| b _i1-b _i2 |，即一個三像素區塊中第一像素與第二像素或第二像素與第三像素之間的像素值差異的絕對值。

由於影像具有平滑的特性，即相鄰像素的差異不大，本發明的直方圖中的最大值是文獻[3]直方圖的數倍，因此可以提供比文獻[3]多好幾倍的資訊隱藏容量(如圖十三所示)。

資料藏入步驟：

1.將掩護影像分割為不重疊的三像素區塊，即第1像素值b _i0、第2像素值b _i1、第3像素值b _i2，其中該第2像素值b _i1又稱中央像素值。

2.計算在每個三像素區塊中的二個差異值，再畫出這些差異值的分佈直方圖，找出直方圖上的最大值與最小值所在的差異值M與m。

3.掃描影像，對每一個三像素區塊執行嵌入程序，如圖一的嵌入程序，前述嵌入程序又會依照三像素的差異執行只改變中央像素值1以同時嵌入2個位元“11”到一個三像素區塊的技術、或只改變中央像素值1以同時增加三像素區塊中二個差異值的技術、或只改變中央像素值1以同時嵌入1個位元“1”到一個三像素區塊並增加三像素區塊中另一個差異值的技術、或執行圖一程序中符合條件的動作，即分別呼叫圖二到圖九的程序。圖二到圖九的程序會依照三像素的條件執行其相對應的動作；例如圖二如果b _i0<b _i1>b _i2且要嵌入的二個位元為“11”，

就將b _i1加1。須說明的是，該資料藏入步驟中，其中「只改變中央像素值1以同時嵌入2個位元“11”到一個三像素區塊的技術」是指圖二第三、四、五共三個條件的情形，「只改變中央像素值1以同時增加三像素區塊中二個差異值的技術」是指圖六第三、四共二個條件的情形，「只改變中央像素值1以同時嵌入1個位元“1”到一個三像素區塊並增加三像素區塊中另一個差異值的技術」是指圖三第三、四共二個條件與圖五第三、四共二個條件的情形。分別說明如下：

(1).圖二第三個條件b _i0==b _i1==b _i2表示b _i0等於b _i1且b _i1等於b _i2，換言之，當三個像素值均相同時，如果要藏入的二個位元eb ₁與eb ₂均為“1”時，只要將中央像素值b _i1加1即可嵌入資料，不須改變其餘二個像素值b _i0與b _i2。

(2).圖二第四個條件b _i0<b _i1>b _i2表示b _i0<b _i1且b _i1>b _i2，換言之，當中央像素值b _i1是三像素區塊中最大時，如果要藏入的二個位元eb ₁與eb ₂均為“1”時，只要將中央像素值b _i1加1即可嵌入資料，不須改變其餘二個像素值b _i0與b _i2。例如掩護影像(cover-image)中的一個三像素區塊(25,26,25)中央像素值26為最大，假設M等於1、要藏入的資料eb ₁等於1且eb ₂也等於1，因d _i0等於M且d _i1等於M，只要將中央像素值加1變成27，這個三像素區塊(25,27,25)即可嵌入二個位元“11”。另一個掩護影像三像素區塊(25,27,25)因無法嵌入資料，且中央像素值為三像素中最大，符合圖六第三個條件，只要將 中央像素值加1，其餘二個像素值保持不變，使該區塊變成三像素區塊(25,28,25)，以和前者三像素區塊(25,27,25)區別，也就是「同時增加三像素區塊中二個差異值，如中央像素為三像素中最大者，則中央像素值加1」。因為M等於1，圖十的第十一個條件d _i0等於M+1且d _i1等於M+1且b _i0<b _i1>b _i2會成立，即可從三像素區塊(25,27,25)萃取出二個位元“11”，並將像素值回復為(25,26,25)，另一個三像素區塊(25,28,25)滿足圖十第二十七個條件M+1<d _i0 m且M+1<d _i1 m且b _i0<b _i1>b _i2，即可知道該區塊沒有隱藏資料，只要將中央像素值減1，其餘二個像素值保持不變，即可將像素值回復為(25,27,25)。

(3).圖二第五個條件b _i0>b _i1<b _i2表示b _i0>b _i1且b _i1<b _i2，換言之，當中央像素值b _i1是三像素區塊中最小時，如果要藏入的二個位元eb ₁與eb ₂均為”1”時，只要將中央像素值b _i1減1即可嵌入資料，不須改變其餘二個像素值b _i0與b _i2。圖六第四個條件b _i0>b _i1<b _i2表示b _i0>b _i1且b _i1<b _i2，換言之，當中央像素值b _i1是三像素區塊中最小時，只要將中央像素值b _i1減1，不須改變其餘二個像素值b _i0與b _i2，即可同時將二個差異值加1。

(4).從圖三第三個條件b _i0 b _i1>b _i2與圖五第三個條件b _i0<b _i1 b _i2可以看出當中央像素值為三像素中最大時，只要將中央像素值b _i1加1，不改變其餘二個像素值，即可同時嵌入1個位元“1”到一個三像素區塊並增加三像素區塊中另一個差異值。執行圖三第三個動作 的條件是滿足d _i0等於M、M<d _i1<m且b _i0 b _i1>b _i2，前二個條件在圖一的程序中檢查，最後一個條件在圖三的程序中檢查；執行圖五第三個動作的條件是滿足M<d _i0<m、d _i1等於M且b _i0<b _i1 b _i2，前二個條件在圖一的程序中檢查，最後一個條件在圖五的程序中檢查。

(5).從圖三第四個條件b _i0 b _i1<b _i2與圖五第四個條件b _i0>b _i1 b _i2可以看出當中央像素值為三像素中最小時，只要將中央像素值b _i1減1，不改變其餘二個像素值，即可同時嵌入1個位元“1”到一個三像素區塊並增加三像素區塊中另一個差異值。執行圖三第四個動作的條件是滿足d _i0等於M、M<d _i1<m且b _i0 b _i1<b _i2，前二個條件在圖一的程序中檢查，最後一個條件在圖三的程序中檢查；執行圖五第四個動作的條件是滿足M<d _i0<m、d _i1等於M且b _i0>b _i1 b _i2，前二個條件在圖一的程序中檢查，最後一個條件在圖五的程序中檢查。

以下，針對圖一至圖九分別說明如下：

資料萃取步驟：

1.與藏入資料時相同方式，將藏有資料的影像分割為不重疊的三像素區塊。

2.取得藏入資料時，差異值分佈直方圖的最大值與最小值所在的差異值M與m。

3.與藏入資料時相同順序掃描影像，對每一個三像素區塊依其在圖十的條件，執行其在圖十的相對動作，藉以萃取出隱藏的資訊。

綜上所述，本發明在提出一種植基於三像素區塊差異之可回復式的資料隱藏技術，其貢獻在於不但可將大量機密資料藏入影像中，並維持影像品質；且當機密資料取出後，可將影像復原為原來的影像。本發明具有『產業之可利用性』，且本案實施例所揭露出的特徵技術，並未見於各刊物及傳媒，亦未曾被公開使用，故本發明的『新穎性』以及『進步性』都已符合專利法規，爰依法提出發明專利之申請，祈請惠予審查並早日賜准專利，實感德便。

《本發明》

d _i0‧‧‧三像素區塊第1像素與第2像素差異絕對值

d _i1‧‧‧三像素區塊第2像素與第3像素差異絕對值

b _i0‧‧‧三像素區塊第1像素值

b _i1‧‧‧三像素區塊第2像素值

b _i2‧‧‧三像素區塊第3像素值

M‧‧‧差異直方圖最大值所在的差異值

m‧‧‧差異直方圖最小值所在的差異值

eb ₁‧‧‧藏入三像素區塊的資料第一位元值

eb ₂‧‧‧藏入三像素區塊的資料第二位元值(如果該區塊可藏二個位元)

==‧‧‧二個連續等號代表相等(equality)

=‧‧‧單獨一個等號代表指定(assignment)

圖一 嵌入程序演算法

圖一之一 為圖一的流程說明圖。

圖二 嵌入二個位元演算法

圖三 嵌入一個位元與增加差異演算法

圖四 嵌入一個位元與保持不變演算法

圖五 增加差異與嵌入一個位元演算法

圖六 增加二個差異演算法

圖七 增加差異與保持不變演算法

圖八 保持不變與嵌入一個位元演算法

圖九 保持不變與增加差異演算法

圖十 萃取資料的條件及其動作

圖十一 Lena影像

圖十二 文獻[3]直方圖範例

圖十三 本發明直方圖範例

d _i0‧‧‧三像素區塊第1像素與第2像素差異絕對值

d _i1‧‧‧三像素區塊第2像素與第3像素差異絕對值

b _i0‧‧‧三像素區塊第1像素值

b _i1‧‧‧三像素區塊第2像素值

b _i2‧‧‧三像素區塊第3像素值

M‧‧‧差異直方圖最大值所在的差異值

m‧‧‧差異直方圖最小值所在的差異值

eb ₁‧‧‧藏入三像素區塊的資料第一位元值

eb ₂‧‧‧藏入三像素區塊的資料第二位元值(如果該區塊可藏二個位元)

==‧‧‧二個連續等號代表相等(equality)

=‧‧‧單獨一個等號代表指定(assignment)

Claims (1)

1. 一種植基於三像素區塊差異之可回復式資料隱藏方法，包括：將掩護影像分割為不重疊的三像素區塊；以一個三像素區塊中第一像素與第二像素(中央像素)或第二像素與第三像素之間的像素值差異的絕對值方式計算在每個三像素區塊中的二個差異值，再畫出這些差異值的分佈直方圖，找出直方圖上的最大值與最小值；掃描影像，對每一個三像素區塊執行嵌入程序，該嵌入程序又會依照三像素的差異執行只改變中央像素值1以同時嵌入2個位元“11”到一個三像素區塊的步驟、或只改變中央像素值1以同時增加三像素區塊中二個差異值的步驟、或只改變中央像素值1以同時嵌入1個位元“1”到一個三像素區塊並增加三像素區塊中另一個差異值的步驟；上述只改變中央像素值1以同時嵌入2個位元“11”到一個三像素區塊的步驟中，如中央像素為三像素中最小者，則中央像素值減1，如中央像素為三像素中最大者，則中央像素值加1；上述只改變中央像素值1以同時增加三像素區塊中二個差異值的步驟中，如中央像素為三像素中最小者，則中央像素值減1，如中央像素為三像素中最大者，則中央像素值加1；上述只改變中央像素值1以同時嵌入1個位元“1”到一個三像素區塊並增加三像素區塊中另一個差異值的步驟中，如中央像素為三像素中最小者，則中央像素值減1，如中央像素為三像素中最大者， 則中央像素值加1。