一種通用型大容量圖像無損信息隱藏算法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種通用型大容量圖像無損信息隱藏算法,設(shè)計(jì)了一個(gè)二進(jìn)制數(shù)絕對(duì)值模可逆運(yùn)算模型,利用該模型,并借助載體圖像相鄰像素點(diǎn)的位置關(guān)系,結(jié)合混沌系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了秘密的嵌入,單次嵌入率可達(dá)到1bit/pixel,且載體圖像灰度值的最大修改值為1。若記該方法為:“單次1bpp嵌入法”,那么在目前認(rèn)為圖像峰值信噪比不小于30dB就是可接受的前提下,還可推廣到“單次2bpp嵌入法”、“單次3bpp嵌入法”、“單次4bpp嵌入法”等,這些在嵌入容量和隱蔽性上均有較大優(yōu)勢(shì)。特別是采用N重“單次1bpp嵌入法”時(shí),總的嵌入率可達(dá)到N bit/pixel,對(duì)載體的最大修改值依然為1,對(duì)載體圖像的峰值信噪比影響依然極小,整個(gè)算法通用性強(qiáng),靈活性大,適用面廣,嵌入率高,隱蔽性好,安全性高。
【專利說明】
-種通用型大容量圖像無損信息隱藏算法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于信息隱蔽技術(shù)領(lǐng)域,特別設(shè)及一種通用型大容量圖像無損信息隱藏算 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 信息隱藏技術(shù)作為信息安全的一種重要技術(shù),在隱密通信、安全認(rèn)證、版權(quán)保護(hù)等 領(lǐng)域有著傳統(tǒng)密碼所不能比擬的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。隨著數(shù)字圖像分辨率的增加,數(shù)字圖像越來越 大,如將數(shù)據(jù)隱藏于數(shù)字圖像,則總趨勢(shì)是隱藏量越來越大。信息隱藏可分為有損信息隱藏 和無損信息隱藏,無損信息隱藏在秘密信息無損提取后還能正確恢復(fù)原始圖像,是一種重 要的信息隱藏類型。目前已有的可逆信息隱藏算法主要有:基于頻域、圖像壓縮、算術(shù)取模 運(yùn)算、差值擴(kuò)展、直方圖移位等等,嵌入率。運(yùn)些技術(shù)大多數(shù)在在容量小,隱蔽性差,且對(duì)于 不同的載體圖象嵌入的容量相差也較大等許多問題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003] 本發(fā)明提供了一種通用型大容量圖像無損信息隱藏算法,設(shè)計(jì)了一個(gè)二進(jìn)制數(shù)絕 對(duì)值??赡孢\(yùn)算模型,利用該模型,并借助載體圖像相鄰像素點(diǎn)的位置關(guān)系,結(jié)合混濁系 統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了秘密的嵌入。其最大優(yōu)勢(shì)是:單次嵌入率就可達(dá)到化it/pixel,且載體圖像灰度 值的最大修改值為1,對(duì)載體圖像的峰值信噪比影響極小,算法嵌入量大,隱蔽性好,且秘密 信息的嵌入和提取均不產(chǎn)生任何附加信息,也無數(shù)據(jù)溢出,若記該方法為:"單次Ibpp嵌入 法"。那么在目前認(rèn)為圖像峰值信噪比不小于30dB就是可接受的前提下,還可推廣到"單次 化PP嵌入法"、"單次3bpp嵌入法"、"單次4bpp嵌入法"等,運(yùn)些在嵌入容量和隱蔽性上均有 較大優(yōu)勢(shì)。特別是采用N重"單次化PP嵌入法"時(shí),總的嵌入率可達(dá)到N bit/pixel,對(duì)載體的 最大修改值依然為1,對(duì)載體圖像的峰值信噪比影響依然極小,整個(gè)算法通用性強(qiáng),靈活性 大,適用面廣,嵌入率高,隱蔽性好,安全性高。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0005] 1、一種通用型大容量圖像無損信息隱藏算法,其特征在于,包括W下步驟:
[0006] 1)秘密信息的嵌入過程:
[0007] Stepl:將載體圖像記為A,其圖像大小記為mXn,圖像中各像素點(diǎn)的像素值記為 Aij, j《n);
[000引Step2:將載體圖像A的8個(gè)位平面從最高有效位(MSB巧Ij最低有效位化SB)依次記 為A7,A6, ...,A0;
[0009] Step3:順次讀取載體圖像A的像素值,利用公式Pu = Aijmod 2,( I《i《m,I《j《 n)得到載體圖像A的最低有效位Ao的平面值PiJ;
[0010]并將最低有效位平面A日中各元素的值記為Pij,PijE {〇a};
[00川 St邱4:將待隱藏的秘密信息W轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制序列Wk(k《mXn);
[0012] Step5:構(gòu)造一個(gè)二進(jìn)制的隨機(jī)序列Q,利用Logistic映射公式化+I = JiXk(I-Xk),W 及
(i = l,2,3-〇生成有效混濁序列Qt,(t>mXn);
[OOU] 式中:0《4《4,祉居(0,1),且3.569945《^《4序,列又1從第100個(gè)值開始取值,記為 Xi 二 X(i+l〇〇);
[0014] Step6:構(gòu)造一個(gè)二進(jìn)制數(shù)絕對(duì)值??赡孢\(yùn)算模型,假設(shè)有a,b,C,d四個(gè)二進(jìn)制數(shù), 即:a,b,c,dG {0,1},如果有:I (a+b+c) Imod 2 = d,則有下列關(guān)系式成立:
[0015] a = ( I d-b-c | )mod 2
[0016] b = ( I d-a-c I )mod 2
[0017] C = ( I d-a-b I )mod 2
[001 引 Step7:令 口'(1,日)=口(1,。),確定出初值口'(1,0);
[0019] steps:從載體圖像A的像素值A(chǔ)l況始,將Pij、Wi、Qi分別看作Step4所述的二進(jìn)審敞 絕對(duì)值??赡孢\(yùn)算模型中的a、b、c,套用St巧4所述的二進(jìn)制數(shù)絕對(duì)值??赡孢\(yùn)算模型:
[0020]
[0021] 依次進(jìn)行計(jì)算,得出所有的p/(i,j);
[0022] Step9:將所有計(jì)算出的口/(1^)值,順次與該像素點(diǎn)其余7個(gè)位平面進(jìn)行重組,并將 其還原成mXn大小的圖像,得到含秘圖像B,實(shí)現(xiàn)秘密信息對(duì)載體圖像A最低有效位平面Ao 進(jìn)行一輪嵌入,因其最終可在每個(gè)像素中嵌入一位秘密信息,即Ibit/pixel,簡(jiǎn)稱為"單次 化卵嵌入";
[0023] 2)秘信息的提取過程:
[0024] SteplO:輸入Ji和XO的初值,通過StepS所述公式xk + i = ]ixk(l-xk)和
(i = l,2,3-,)計(jì)算出化值;
[002引 Stepll:讀取含秘圖像B的最后兩列p/(i,n)和p/(i,n-l),計(jì)算出P(i,n),下式:
[0026] p(i,n)= |P' (i'n)-P' (i,n-:l)-Q(i+(n-l)Xm) Imod 2
[0027] Stepl2:令p/(i,o)=P(i,n),根據(jù)二進(jìn)制數(shù)絕對(duì)值??赡孢\(yùn)算模型原理,利用下公式 式:
[002引 W(i+(j-i)xm)= I P'(i.j)-P'(i, j-i)-Q(i+(j-i)xm) Imod 2
[0029] St邱13:順次將計(jì)算出的Wi二進(jìn)制序列,還原為秘密信息的原始文件類型,還原出 秘密信息;
[0030] 3)載體圖像的還原:
[0031] Stepl4:從含秘圖像B的最后一列P(i,^開始,由下面的公式可得出:
[0032]
[0033] Stepl5:將計(jì)算機(jī)出的口(^)與該像素點(diǎn)其余7個(gè)位平面重新進(jìn)行結(jié)合,還原出載體 圖像A。
[0034] 上述一種通用型大容量圖像無損信息隱藏算法,如果分別用有效位心、42、43、人4替 換有效位Ao,重復(fù)上述步驟Step3-Step9,分別完成"單次化PP嵌入"、"單次3bpp嵌入"、"單 次4bpp嵌入"。
[0035] 上述一種通用型大容量圖像無損信息隱藏算法,如果重復(fù)N次上述步驟Step3- St巧9,完成"N重化卵嵌入",所述N為正整。
[0036] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有效效果是:
[0037] (1)本發(fā)明算法在嵌入容量上有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。對(duì)于任何載體圖像,利用本發(fā)明算法, 僅在最低有效位進(jìn)行單次秘密信息嵌入,嵌入率就可達(dá)到Ibpp,而現(xiàn)有文獻(xiàn)在保證峰值信 噪比(Peak Si即al to Noise Ratio,PSNR)維持在30地W上的前提下,少有嵌入率能接近 化PP的。更重要的是,本發(fā)明算法也可在最低兩位同時(shí)嵌入秘密信息,即"單次化PP嵌入", 此時(shí)對(duì)載體圖像像素點(diǎn)的最大修改值為3,同樣"單次3bpp嵌入"的最大修改值為7,而按照 人類的視覺敏感度的特點(diǎn),W及現(xiàn)有的研究結(jié)果看,對(duì)圖像像素值修改8個(gè)單位,是完全可 接受的,那也就預(yù)示著采用"單次3bpp嵌入"時(shí)可嵌入容量達(dá)到3XmXn。大多數(shù)的無損信息 隱藏算法均可多重嵌入,如果多重嵌入則嵌入率會(huì)更高,若采用"N重單次Ibpp嵌入"方法 時(shí),修改的也只是最低有效位,對(duì)圖像的質(zhì)量影響很小,而此時(shí)的容量可達(dá)到N X m X n,嵌入 率達(dá)到N bit/pixel。而現(xiàn)有技術(shù)的多重嵌入率遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到運(yùn)樣的結(jié)果。不難看出,本發(fā)明 算法在嵌入容量和嵌入率上均有優(yōu)勢(shì)。
[0038] (2)本發(fā)明算法所得的含秘圖像質(zhì)量好。峰值信噪比(PSNR)是一種常用來評(píng)價(jià)圖 像品質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)。按現(xiàn)有的衡量標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為,PSNR值越大,含秘圖像質(zhì)量越好;反之,PSNR值越 低,圖像質(zhì)量越差。一般來說隨著秘密信息的不斷嵌入,圖像的PSNR值會(huì)逐步下降,當(dāng)PSNR 值低于30地時(shí),就會(huì)有明顯失真,很容易被人眼發(fā)現(xiàn),因此秘密信息在嵌入時(shí)最低限度要求 PSNR值至少在30地W上。本發(fā)明算法在單次嵌入率為化PP時(shí),PSNR值很大,說明含秘圖象質(zhì) 量很好,在單次化PP、3b卵時(shí)效果也比較好,至Ij達(dá)單次4bpp時(shí)PSNR值降到30地附近,已達(dá)到 最低點(diǎn),也就是本文算法在單次嵌入小于4bpp時(shí),效果均比較好,而采用化PP多重嵌入時(shí), 對(duì)圖像的PSNR值幾乎沒有影響,但嵌入量卻成倍增長(zhǎng),對(duì)于一些圖像甚至嵌入重?cái)?shù)越多, PSNR值反而越大,含秘圖象質(zhì)量越好。
[0039] (3)本發(fā)明算法所得的含秘圖像隱蔽性好、安全性高。本發(fā)明算法引入了混濁序 列,使得秘密信息嵌入時(shí),不僅僅依賴于圖像自身前后像素點(diǎn)的關(guān)聯(lián)性,增加了含秘圖像像 素值的可能性,加大了破解難度,提高了算法的安全性在秘密信息的嵌入過程中,對(duì)圖像的 修改均為最低有效位,因此對(duì)圖像的最大修改值為1,運(yùn)個(gè)變化也是所有信息隱藏算法中修 改量最小的,隱蔽性是最好的;秘密信息嵌入時(shí),利用了前后像素點(diǎn)的位置關(guān)聯(lián),隨機(jī)生成n 個(gè)不重復(fù)整數(shù)作為圖像列的編號(hào),然后按照該編號(hào)生成的順序,建立前后列之間位置的關(guān) 聯(lián),再進(jìn)行秘密信息的嵌入,安全性會(huì)更高。
[0040] 相關(guān)述語的定義與說明
[0041] Logistic映射:混濁系統(tǒng)是一種較為復(fù)雜的非線性動(dòng)力系統(tǒng),而混濁現(xiàn)象是在非 線性動(dòng)力系統(tǒng)中出現(xiàn)的一種類似隨機(jī)的過程,Logistic映射是其中一類被大家廣泛應(yīng)用的 動(dòng)力系統(tǒng),其定義為:
[0042] 化+I=MkQ-Xk)
[0043] 式中:0《4《4稱為分支參數(shù),當(dāng)祉£(0,1)且3.569 945《4《4時(shí),1^〇邑13^別央射 工作于混濁狀態(tài),產(chǎn)生的XiG [0,1],且該混濁序列具有W下優(yōu)點(diǎn):(1)確定性和偽隨機(jī)性; (2)既非周期又不收斂;(3)對(duì)初值的敏感性;(4)不可預(yù)測(cè)性;(5)序列的產(chǎn)生速度快,如果 在計(jì)算的精度足夠大的情形下,初值的敏感性可達(dá)到i(ri5W上,但該隨機(jī)序列在起始階段 隨機(jī)性還不夠好,為了保證序列具有更好的隨機(jī)性,在使用時(shí)將從序列Xi的第100個(gè)值開始 取值,記:Xi = x(i+ioo)
[0044] 圖像位平面:一幅數(shù)字圖像可W用一個(gè)二維矩陣來表示,矩陣的元素代表像素點(diǎn) 的灰度值,而由圖像中每個(gè)像素點(diǎn)顏色值的某一位共同構(gòu)成的一個(gè)新的二值圖像稱為該圖 像的一個(gè)位平面,一般定義從圖像的第0個(gè)位平面到第7個(gè)位平面依次為最低位平面到最高 位平面,相應(yīng)的位被稱為最低有效位LSB(Least Significant bits)或、最高有效位MSB (Most Signif icant bits),在信息嵌入時(shí),修改不同的位平面值對(duì)圖像的影響不同,選擇 的位平面越低,對(duì)圖像的改動(dòng)越小。
[0045] 單次Ibpp嵌入:每一次將密信息嵌入到載體圖像最低有效位時(shí),每個(gè)像素最終可 中嵌入一位秘密信息,即化卵(bit per pixel),簡(jiǎn)稱為"單次化PP嵌入",表示平均每個(gè)像 素嵌入的位數(shù)(bit) "bpp越大,表示單位像素嵌入率越高,總的嵌入量也就越大。如果選擇 最低兩位嵌入,則最終可實(shí)現(xiàn)化PP,類似地稱為"單次化PP嵌入"。依次類推,會(huì)有"單次3bpp 嵌入"和"單次4bpp嵌入"等,同時(shí)將重復(fù)N次"單次化PP嵌入"的方法,稱作"N重化PP嵌入", 最終可實(shí)現(xiàn)N bpp嵌入。"N次2bpp嵌入","腳欠3bpp嵌入"等原理與此同。
【具體實(shí)施方式】
[0046] W下W "單次化PP嵌入"為例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0047] 1、一種通用型大容量圖像無損信息隱藏算法,其特征在于,包括W下步驟:
[004引1)秘密信息的嵌入過程:
[0049] Stepl:將載體圖像記為A,其圖像大小記為mXn,圖像中各像素點(diǎn)的像素值記為 Aij, j《n);
[0050] Step2:將載體圖像A的8個(gè)位平面從最高有效位(MSB巧Ij最低有效位化SB)依次記 為A7,A6, ...,A〇;
[0051 ] Step3:順次讀取載體圖像A的像素值,利用公式Pu = Aijmod 2,( 1《i《m,1《j《 n)得到載體圖像A的最低有效位Ao的平面值PiJ;
[0052]并將最低有效位平面Ao中各元素的值記為Pu,PyG {0,1};
[0化3] Step4:將待隱藏的秘密信息W轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制序列Wk化《mXn);
[0化4] Step5:構(gòu)造一個(gè)二進(jìn)制的隨機(jī)序列Q,利用Logistic映射公式xk+i = ]ixk( I-Xk),W 及
;i = l,2,3。,)生成有效混濁序列Qt,(t>mXn);
[0055] 式中:0《^《4,祉£(0,1),且3.569945《^《4序,列義1從第100個(gè)值開始取值,記為 Xi = X(i+100);
[0056] steps:構(gòu)造一個(gè)二進(jìn)制數(shù)絕對(duì)值??赡孢\(yùn)算模型,假設(shè)有a,b,C,d四個(gè)二進(jìn)制數(shù), 即:日,13,(3,(1£{0,1},如果有:|(日+6+(3)|1]1〇(12 = (1,則有下列關(guān)系式成立:
[0057] a = ( I d-b-c | )mod 2 [005引 b = ( I d-a_c I )mod 2
[0059] C = ( I d-a-b | )mod 2
[0060] Step7:令 P'(i,o)=P(i,n),確定出初值 P'(i,o);
[0061] St邱8:從載體圖像A的像素值A(chǔ)l況始,將Pu、Wi、Qi分別看作St邱4所述的二進(jìn)制數(shù) 絕對(duì)值??赡孢\(yùn)算模型中的a、b、c,套用St巧4所述的二進(jìn)制數(shù)絕對(duì)值??赡孢\(yùn)算模型:
[0062]
[0063] 依次進(jìn)行計(jì)算,得出所有的P/(I,j);
[0064] Step9:將所有計(jì)算出的口/(1,"值,順次與該像素點(diǎn)其余7個(gè)位平面進(jìn)行重組,并將 其還原成mXn大小的圖像,得到含秘圖像B,實(shí)現(xiàn)秘密信息對(duì)載體圖像A最低有效位平面Ao 進(jìn)行一輪嵌入;
[0065] 2)秘信息的提取過程: 「0〇661 St. Anio.輪入U(xiǎn)巧XO的初值,通過Step3所述公式Xk + i = ]iXk(l-Xk)和
:i = l,2,3-〇 計(jì)算出Qi 值;
[0067] Stepll:讀取含秘圖像B的最后兩列p/(i,n)和p/(i,n-l),計(jì)算出P(i,n),下式:
[006引 P(i,n)= |P' (i,n廣P' (i,n-:0-Q(i+(n-l)Xm) Imod 2
[0069] Stepl2:令p/(i,o)=P(i,n),根據(jù)二進(jìn)制數(shù)絕對(duì)值??赡孢\(yùn)算模型原理,利用下公式 式:
[0070] W(i+(j-i)xm)= I P'(i.j)-P'(i, j-i)-Q(i+(j-i)xm) Imod 2
[0071] St邱13:順次將計(jì)算出的Wi二進(jìn)制序列,還原為秘密信息的原始文件類型,還原出 秘密信息;
[0072] 3)載體圖像的還原:
[0073] Stepl4:從含秘圖像B的最后一列P(i,^開始,由下面的公式可得出:
[0074]
[0075] SteplS:將計(jì)算機(jī)出的Pd,山與該像素點(diǎn)其余7個(gè)位平面重新進(jìn)行結(jié)合,還原出載體 圖像A。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種通用型大容量圖像無損信息隱藏算法,其特征在于,包括以下步驟: 1) 秘密信息的嵌入過程: Step 1:將載體圖像記為A,其圖像大小記為m X η,圖像中各像素點(diǎn)的像素值記為Aij,(1 j^n); Step2:將載體圖像A的8個(gè)位平面從最高有效位(MSB)到最低有效位(LSB)依次記為A7, A6,…,Ao; Step3:順次讀取載體圖像A的像素值,利用公式Pij = Aij mod 2,(Ki彡m,1彡j彡η)得 到載體圖像Α的最低有效位Ao的平面值Pij; 并將最低有效位平面Ao中各元素的值記為P^Pije {〇,1}; Step4:將待隱藏的秘密信息W轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制序列Wk(k<mXn); Step5:構(gòu)造一個(gè)二進(jìn)制的隨機(jī)序列Q,利用Logistic映射公式xk+i = yxk( 1-xk),以及生成有效混沌序列Qt,(t彡mXn); 式中:0彡μ彡4,xke (〇,1),且3 · 569945彡μ彡4序,列xi從第100個(gè)值開始取值,記為Xi = X(i+100); Step6:構(gòu)造一個(gè)二進(jìn)制數(shù)絕對(duì)值??赡孢\(yùn)算模型,假設(shè)有a,b,c,d四個(gè)二進(jìn)制數(shù),即: a,b,c,de {〇,1},如果有:| (a+b+c) |mod 2 = d,則有下列關(guān)系式成立: a = ( | d-b-c I )mod 2 b = ( I d-a-c I )mod 2 c = ( I d-a-b I )mod 2 Step7:令P' (i,o) = P(i,n),確定出初值P' (i,o); Step8:從載體圖像A的像素值A(chǔ)n開始,將Pi^W^Qi分別看作Step4所述的二進(jìn)制數(shù)絕對(duì) 值??赡孢\(yùn)算模型中的a、b、c,套用St印4所述的二進(jìn)制數(shù)絕對(duì)值??赡孢\(yùn)算模型:依次進(jìn)行計(jì)算,得出所有的K Ud ; Step9:將所有計(jì)算出的值,順次與該像素點(diǎn)其余7個(gè)位平面進(jìn)行重組,并將其還 原成mXn大小的圖像,得到含秘圖像B,實(shí)現(xiàn)秘密信息對(duì)載體圖像A最低有效位平面Ao進(jìn)行 一輪嵌入,因其最終可在每個(gè)像素中嵌入一位秘密信息,即lbit/pixel,簡(jiǎn)稱為"單次lbpp 嵌入"; 2) 秘信息的提取過程: SteplO :輸入μ和X。的初值,通過Step3所述公式xk + i = yxk( l_xk)和)計(jì)算出糾直; Stepll:讀取含秘圖像B的最后兩列P' (i,n)和K (i,n-i),計(jì)算出P(i,n),下式: P(i,n)- | P (i, n)_P (i, n-l)_Q(i+(n-l)Xm) | fflod 2 Stepl2:令P'uwiPan),根據(jù)二進(jìn)制數(shù)絕對(duì)值??赡孢\(yùn)算模型原理,利用下公式式: ff(i+(j-l)Xm) = | P (i,j)_P (i, j-l)_Q(i+(j-l)Xm) I m〇d 2 Stepl3:順次將計(jì)算出的1二進(jìn)制序列,還原為秘密信息的原始文件類型,還原出秘密 信息; 3)載體圖像的還原: Stepl4:從含秘圖像B的最后一列P(w)開始,由下面的公式可得出:Stepl5:將計(jì)算機(jī)出的P(1U)與該像素點(diǎn)其余7個(gè)位平面重新進(jìn)行結(jié)合,還原出載體圖像 A〇2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通用型大容量圖像無損信息隱藏算法,其特征在于,分別 用有效位41、42、43、44替換有效位4(),重復(fù)上述步驟3丨6口3-3丨6口9,分別完成"單次2&口口嵌入"、 "單次3bpp嵌入"、"單次4bpp嵌入"。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通用型大容量圖像無損信息隱藏算法,其特征在于,重復(fù) N次上述步驟Step3-Step9,即可完成"N重lbpp嵌入",此處N為任意正整數(shù)。
【文檔編號(hào)】G06T1/00GK105956990SQ201610264883
【公開日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年4月27日
【發(fā)明人】王繼軍, 李國(guó)祥
【申請(qǐng)人】廣西財(cái)經(jīng)學(xué)院, 王繼軍, 李國(guó)祥