專利名稱：基于混沌系統(tǒng)的圖像可逆信息隱藏方法
技術(shù)領(lǐng)域：
該發(fā)明專利主要涉及信息隱藏、圖像處理、電子商務(wù)、電子政務(wù)等技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
信息隱藏技術(shù)是指將秘密信息隱藏在載體信息內(nèi)。在信息隱藏過程中，往往通過修改載體信息來達(dá)到嵌入秘密信息的目的。如果只是達(dá)到秘密信息傳遞的目的，則信息提取完成后，載體信息的作用即完成，直接將載體信息丟棄即可。而如果嵌入秘密信息的目的是為了對(duì)載體信息進(jìn)行認(rèn)證、說明等(例如在醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域的圖像內(nèi)嵌入的說明、認(rèn)證等信息)，這時(shí)在完成秘密信息的提取后，往往希望能夠完全復(fù)原載體信息。這種能夠完全復(fù)原載體信息的信息隱藏技術(shù)即為可逆信息隱藏。目前主要的圖像可逆信息隱藏算法有位平面壓縮算法、低像素層算法、基于直方圖的雙射圓變換算法、提升小波變換算法、差分?jǐn)U展算法、基于灰度直方圖的算法等。例如Ni等人從提高信息嵌入容量的角度提出了采用三個(gè)最大值和最小值點(diǎn)進(jìn)行信息隱藏，該方法能夠隱藏比基本灰度直方圖算法更多的信息。但是統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，該方法運(yùn)算量較大，需要記憶的嵌入提取條件相對(duì)較多，同時(shí)可能存在溢出造成圖像無法完全復(fù)原。針對(duì)上述缺點(diǎn)，高鐵杠等人提出了針對(duì)圖像自身特征對(duì)其進(jìn)行分類，根據(jù)圖像模式進(jìn)行信息嵌入的方法，取得了較好的效果。為了進(jìn)一步提升嵌入信息容量，顧巧論等人提出了采用多個(gè)連續(xù)零值點(diǎn)與峰值像素匹配進(jìn)行嵌入信息的算法，仿真結(jié)果表明該算法能夠嵌入更多的信息。為了確保嵌入信息的安全性，李立宗等提出了采用混沌系統(tǒng)對(duì)嵌入信息進(jìn)行加密的算法，使得系統(tǒng)具有一定的安全性，但是實(shí)現(xiàn)大容量信息嵌入，需要多次掃描原始圖像后再應(yīng)用混沌系統(tǒng)處理，因此運(yùn)算量較大。衡量可逆信息隱藏算法的指標(biāo)主要有:算法安全性、嵌入容量、算法透明性。目前，大量的研究主要集中在算法的嵌入容量和透明性方面，對(duì)算法安全性研究較少。通常情況下，算法的嵌入容量和透明性是一對(duì)相互制約的因素，如果要嵌入大量的信息則必然要修改更多的原始載體信息，因此容易造成較多的信息失真，導(dǎo)致透明性降低；而如果要保證較好的透明性，就要求修改更少的原始載體信息，因此嵌入的信息量往往有限。本發(fā)明專利通過建立灰度直方圖峰值點(diǎn)與其兩側(cè)零值點(diǎn)之間關(guān)系的方式在嵌入容量和透明性之間達(dá)到平衡，保證算法既具有較高的嵌入容量，又具有較好的透明性。為了提高算法的安全性，本發(fā)明專利采用了混沌系統(tǒng)對(duì)需要隱藏的秘密信息進(jìn)行處理。本發(fā)明專利提出的算法具有較高的安全性，較好地平衡了嵌入容量和透明性之間的矛盾，能夠較好地應(yīng)用于各類圖像的可逆信息隱藏中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明專利提出了一種基于混沌系統(tǒng)的圖像可逆信息隱藏算法。衡量圖像可逆信息隱藏算法的重要指標(biāo)包括:安全性、透明性、嵌入容量。本發(fā)明專利通過混沌系統(tǒng)對(duì)秘密信息進(jìn)行置亂處理后再嵌入到載體圖像內(nèi)，這樣即使攻擊者從載體圖像中提取出了秘密信息，也由于混沌系統(tǒng)的初始值敏感特性使得攻擊者無法獲取置亂前的秘密信息。在具體嵌入過程中，在峰值點(diǎn)與圖像直方圖兩側(cè)的連續(xù)零值點(diǎn)之間建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，將信息嵌入到直方圖的兩側(cè)。一個(gè)峰值點(diǎn)與多個(gè)連續(xù)零值點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系使得一個(gè)峰值點(diǎn)可以嵌入多個(gè)秘密信息位，保證能夠嵌入較大的信息容量。由于峰值點(diǎn)的關(guān)系點(diǎn)分布在直方圖兩側(cè)使得嵌入了秘密信息的載體圖像能夠具有較高的峰值信噪比。實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果顯示，該方法具有較高的安全性、透明性高、嵌入容量大。該方法能夠廣泛應(yīng)用于版權(quán)保護(hù)和軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域圖像的可逆信息隱藏中。


圖1描述了每個(gè)峰值點(diǎn)能嵌入的隱藏信息位數(shù)En、所需左右兩側(cè)連續(xù)零值點(diǎn)個(gè)數(shù)總和Sn、所需左側(cè)連續(xù)零值點(diǎn)個(gè)數(shù)Ln、所需右側(cè)連續(xù)零值點(diǎn)個(gè)數(shù)Rn之間的關(guān)系。
具體實(shí)施例方式I秘密信息的處理在信息嵌入時(shí)，先采用混沌系統(tǒng)對(duì)秘密信息進(jìn)行混沌置亂，在提取過程中，采用與嵌入時(shí)相同的混沌初始值對(duì)提取出的秘密信息進(jìn)行逆置亂。被廣為應(yīng)用的混沛是Logistic混沛系統(tǒng),它的改進(jìn)形式為:xn+i=1-2x2 \e[-l，l](I)該系統(tǒng)對(duì)初始值極為敏感，初始值稍微不同，就會(huì)出現(xiàn)完全不同的結(jié)果。本文提出的可逆信息隱藏算法采用該混沌系統(tǒng)對(duì)秘密信息進(jìn)行加密、解密。用混沌系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)長(zhǎng)度為η (此處η為需要置亂的待隱藏信息的數(shù)列長(zhǎng)度)的數(shù)列Cl，將該數(shù)列進(jìn)行排序，從而得到一個(gè)升序數(shù)列CIS。通過計(jì)算數(shù)列CIS中的每個(gè)數(shù)據(jù)在數(shù)列Cl中的下標(biāo)，得到一個(gè)數(shù)列I。應(yīng)用公式為:
I(i) = FI (CIS (i)), (l^i ^n) (2)式中，函數(shù)FI (parameter)的功能為找出參數(shù)parameter在數(shù)列Cl中的下標(biāo)。嵌入隱藏信息時(shí)，先將待隱藏信息數(shù)列W按照數(shù)列I進(jìn)行置亂排序得到數(shù)列W0，應(yīng)用公式為:WO⑴=W(I(i))，(I 彡 i 彡 n) (3)然后，將WO嵌入到載體圖像中。提取隱藏信息時(shí)，在含隱藏信息的圖像中提取隱藏信息數(shù)列WCf，然后將WCf進(jìn)行逆置亂，應(yīng)用的公式為:ff*(I(i)) = W0*(i), (I ^ i ^ η) (4)此時(shí)，得到正常排序的隱藏信息礦。如，根據(jù)公式(I)給定的混沌系統(tǒng)在初始值為0.98時(shí)得到的數(shù)列Cl為“0.44，
0.71, -0.45,0.25，-0.78”，則根據(jù)公式(2)得到的升序數(shù)列 CIS 為 “-0.78，-0.45,0.25，
0.44，0.71”。經(jīng)過計(jì)算得到的數(shù)列1為“5，3，4，1，2”。如果需要隱藏的信息W為“I LOVE”，則根據(jù)公式(3)可以計(jì)算出 WO(I) = W(Kl)) =W (5) = E, WO (2) = ff(I(2)) = ff(3)=O, WO(3) = ff(I(3)) = W(4) = V, WO(4) = W(I (4)) = W(I) = I, WO(5) = ff(I(5))=W⑵=L，得到的置亂序列WO為“E O V I L”。解密時(shí)，需要解密序列WO* = WO = E O V
IL，，根據(jù)公式(4)計(jì)算可得 W*(I (I)) =W*(5) =WCf(I) = E,ff*(I(2)) =W*(3) = W0*(2)=0,ff*(I(3)) = ff*(4) = WO* (3) = V,ff*(I(4)) = ff*(l) = WO* (4) = I,ff*(l(5)) = ff*(2)= WO* (5) = L，得到的解密恢復(fù)序列W*為“ I LOV E”。應(yīng)用上述混沌處理過程保證了嵌入過程的安全性和可靠性。2嵌入隱藏信息(I)讀取載體圖像，繪制出其直方圖，找出該直方圖的峰值點(diǎn)Max及其左側(cè)的連續(xù)零值點(diǎn)Li, i e [O, Max]，右側(cè)連續(xù)零值點(diǎn)Ri, i e (Max, 255)。(2)為了提高信息的隱藏容量和嵌入信息后圖像的透明性，針對(duì)峰值點(diǎn)，在直方圖左右兩側(cè)選擇連續(xù)零值點(diǎn)進(jìn)行匹配嵌入，每個(gè)峰值點(diǎn)能嵌入的隱藏信息位數(shù)En、所需左右兩側(cè)連續(xù)零值點(diǎn)個(gè)數(shù)總和Sn、所需左側(cè)連續(xù)零值點(diǎn)個(gè)數(shù)Ln、所需右側(cè)連續(xù)零值點(diǎn)個(gè)數(shù)Rn之間的關(guān)系如圖1所不。在嵌入信息時(shí)，如果峰值點(diǎn)左右兩側(cè)的零值點(diǎn)個(gè)數(shù)均大于LSn/2j，則將左側(cè)連續(xù)LSn/2j個(gè)零值點(diǎn)作為嵌入處理位，另一側(cè)需要處理的連續(xù)零值點(diǎn)個(gè)數(shù)為fSn/2l(Sn=『Sn/2l + lSn/2j);如果在峰值點(diǎn)兩側(cè)的某一側(cè)中連續(xù)零值點(diǎn)個(gè)數(shù)Zn (Zn = Ln或Zn = Rn)小于lSn/2j，則將該側(cè)的連續(xù)零值點(diǎn)作為嵌入處理位，另一側(cè)需要匹配的連續(xù)零值點(diǎn)個(gè)數(shù)為 Zn’ (Zn，= Sn-Zn)。如，需要在圖像內(nèi)根據(jù)單個(gè)峰值點(diǎn)Max = 165嵌入4位信息，則需要連續(xù)零值點(diǎn)個(gè)數(shù)為Sn = 15，其中Ln+Rn = Sn，L n e
，Rn e
。如果峰值點(diǎn)兩側(cè)的零值點(diǎn)個(gè)數(shù)均大于7，則將其左側(cè)所有像素值小于165，并且像素值個(gè)數(shù)大于O的像素值減去7 ;將其右側(cè)所有像素值大于165，并且像素值個(gè)數(shù)大于O的像素值加上8。這樣，在峰值點(diǎn)的左右兩側(cè)共空出15個(gè)零值點(diǎn)。如果峰值點(diǎn)兩側(cè)其中某一側(cè)(假定為左側(cè))的零值點(diǎn)個(gè)數(shù)Ln小于7，則將該側(cè)的所有像素值小于165，像素值個(gè)數(shù)大于O的像素值減去Ln ;將其另外一側(cè)(對(duì)應(yīng)為右側(cè))所有像素值大于165，像素值個(gè)數(shù)大于O的像素值加上Rn (Rn = Sn-Ln,Ln e
, Rn e
，Sn = 15)。(3)隱藏信息時(shí)，順序掃描圖像，如果遇到峰值點(diǎn)Max，則從經(jīng)過混沌置亂后的信息序列中選取En個(gè)比特位，如果選取的En個(gè)比特位均為0，則像素值保持不變；否則，計(jì)算選取序列的和Sb，根據(jù)峰值點(diǎn)兩側(cè)零值點(diǎn)個(gè)數(shù)情況，將Max與Sb進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算完成信息嵌入。如，峰值點(diǎn)兩側(cè)的零值點(diǎn)個(gè)數(shù)均大于7，在掃描過程中遇到峰值點(diǎn)Max，則從要隱藏的序列中選取4個(gè)比特位，如果選取的4個(gè)比特位均為0，則像素值保持不變；否則，計(jì)算選取序列的和Sb,如果mod (Sb, 2) = O,則峰值點(diǎn)減去Sb/2,如果mod (Sb, 2) = I將峰值點(diǎn)加上fSn/21。另一種情況下，如果峰值點(diǎn)某側(cè)(以左側(cè)為例)的零值點(diǎn)個(gè)數(shù)小于7，例如，Ln =3，在掃描過程中遇到峰值點(diǎn)Max，則從要隱藏的序列中選取4個(gè)比特位，如果，選取的4個(gè)比特位均為0，則像素值保持不變；否則，計(jì)算選取序列的和Sb，如果Sb ( 3則將峰值點(diǎn)減去Sb，如果Sb > 3，則將峰值點(diǎn)加上Sb。按照上述步驟順序掃描圖像內(nèi)所有像素點(diǎn)，即可完成嵌入。在實(shí)際操作中，可以先選取一個(gè)峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)4位嵌入信息完成嵌入，嵌入完成后根據(jù)所得到的PSNR值和實(shí)際需要的嵌入容量對(duì)嵌入位數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的修正。3提取隱藏信息及恢復(fù)原始圖像信息提取過程和恢復(fù)原始圖像過程即為信息嵌入過程的逆過程。從嵌入過程可以看出，該算法可以實(shí)現(xiàn)嵌入信息的完全提取和原始圖像的無損恢復(fù)。在信息提取及原始圖像的恢復(fù)過程中需要注意以下問題:(I)在信息提取過程中，應(yīng)根據(jù)嵌入時(shí)實(shí)際選擇的連續(xù)零值點(diǎn)個(gè)數(shù)Sn、左側(cè)連續(xù)零值點(diǎn)個(gè)數(shù)Ln、右側(cè)連續(xù)零值點(diǎn)個(gè)數(shù)Rn進(jìn)行信息提取，采用與嵌入過程不匹配的值將無法提取正確信息。(2)在完成信息提取后，提取出的隱藏信息為經(jīng)過混沌置亂后的信息，需要對(duì)信息進(jìn)行逆置亂，根據(jù)I小節(jié)中介紹的混沌系統(tǒng)及與加密時(shí)所對(duì)應(yīng)的混沌初始值，實(shí)現(xiàn)隱藏信息的逆置亂提取出原始隱藏信息。
權(quán)利要求
1.一種基于混沌系統(tǒng)的圖像可逆信息隱藏方法的方法，其特征是該隱藏算法通過將載體圖像直方圖峰值點(diǎn)與其兩側(cè)多個(gè)連續(xù)零值點(diǎn)之間建立關(guān)系的方式，實(shí)現(xiàn)在載體圖像的單個(gè)峰值點(diǎn)嵌入多個(gè)秘密信息位，以保證較高的透明性和較大的嵌入容量。另外，為了保證嵌入載體圖像內(nèi)的秘密信息的安全性，采用混沌系統(tǒng)對(duì)秘密信息進(jìn)行置亂處理；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是對(duì)圖像的灰度直方圖進(jìn)行處理；
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是單個(gè)峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)于多個(gè)秘密信息位，并在它們之間建立聯(lián)系。
全文摘要
基于混沌系統(tǒng)的圖像可逆信息隱藏方法，涉及信息隱藏、圖像處理、電子商務(wù)、電子政務(wù)等技術(shù)領(lǐng)域。該方法通過將載體圖像直方圖峰值點(diǎn)與其兩側(cè)多個(gè)連續(xù)零值點(diǎn)之間建立關(guān)系的方式，實(shí)現(xiàn)在載體圖像的單個(gè)峰值點(diǎn)嵌入多個(gè)秘密信息位，以保證較高的透明性和較大的嵌入容量。另外，為了保證嵌入載體圖像內(nèi)的秘密信息的安全性，采用混沌系統(tǒng)對(duì)秘密信息進(jìn)行置亂處理。通過對(duì)大量的圖像進(jìn)行仿真分析，結(jié)果顯示該方法具有較高的安全性，能夠嵌入的信息量大，與參考文獻(xiàn)比較，該方法具有較高的透明性。該方法能夠廣泛應(yīng)用于軍事、醫(yī)療、衛(wèi)星圖像的可逆信息隱藏中。
文檔編號(hào)G06T1/00GK103164834SQ20111041052
公開日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2011年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月12日
發(fā)明者李立宗 申請(qǐng)人:天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)