基于排序和直方图修改的可逆信息隐藏方法

基于排序和直方图修改的可逆信息隐藏方法3赵彦涛33,李志全,董宇青(燕山大学电气工程学院,河北秦皇岛066004)摘要:提出一种基于排序的差值直方图修改的可逆信息隐藏方法。

首先,对图像分块;然后,采用按灰度值大小排序后的中值作为参考点,并和其余像素点做差,以产生更多的相同的值,使其差值直方图更紧凑、直方图的峰值点更大;最后,采用基于直方图修改的方法在差值中进行隐藏。

实验表明,该方法不仅可以实现可逆信息隐藏,隐藏效果更好,并且嵌入量更高。

为了提高嵌入量,进行了多层信息嵌入,并且在嵌入层数不同时采用不同的分块方式,提高了隐藏效果。

分析了实验结果。

关键词:信息隐藏;可逆;直方图修改;排序中图分类号:TP391 文献标识码:A 文章编号:100520086(2010)0120102206R eversible d ata hiding b ased on sorting and histogram modificationZHAO Y an2tao33,LI Zhi2quan,DONG Yu2qing(Institute of Electric Engineering,Y anshan University,Qinhuangdao066004,China)A bstract:A reversible data hiding scheme is proposed based on sorting and histogram modification.The cover image is firstly divided into non2overlapped blocks,and the pixels in blocks are sorted.According to the sorting result,the medium value is selected as the reference value while calculating the difference values among all the pixels values in the block.By doing this,the histogram of difference values is more compact,and the peak point is larger.The reversible data hiding of histogram modification is used for embedding secret data.The experiments show that the proposed scheme is capable of hiding more secret data while maintaining imperceptible stego2image quality degradation.Furthermore the multilevel embed2 ding is employed to achieve higher capacity,and the blocked mode is changed in the different embedding level for improving the stego2image quality,and the experimental results are analysed.K ey w ords:data hiding;reversibility;histogram modification;sorting1　引　言 如何既充分利用现代通讯的便利,又能有效地保护多媒体信息和重要信息的安全,已受到高度重视。

目前,多数信息隐藏的方法在嵌入的数据被提取后,原宿主信息不能无损恢复,而在一些要求较高的场合,往往需要精确地恢复原载体图像,为此开展了大量的关于可逆信息隐藏(也叫无损信息隐藏)的研究。

可逆信息隐藏在通过嵌入信息后的图像,不仅可以提取该图像中隐藏的秘密信息,而且还可以实现原始载体图像的完全恢复重构。

可逆信息隐藏方法主要可分为3类:第1类是基于无损压缩的可逆信息隐藏方法[1～3];第2类是基于差值扩展(DE, difference2expansion)的可逆信息隐藏方法[4～6];第3类是基于灰度值修改的可逆信息隐藏方法[7～10]。

在第3类方法中,文献[7]方法具有很好的峰值信噪比(PS N R),但对于一般的载体图像,嵌入率较低;文献[8]方法嵌入量比文献[7]有所提高,但嵌入率也不是很高,而且较为繁琐;文献[9]方法具有较高的嵌入率,然而其密钥的数据量巨大;文献[10]方法具有较高的嵌入率。

在文献[10]方法中,用图像块中间位置像素点的值作为参考值来计算差值,因为该中间位置可能是图像的边缘或者噪声点,这样利用该值计算出来的差值就不能有很好的密集性。

对此,本文提出一种基于排序的差值直方图修改的可逆信息隐藏方法。

与文献[10]方法不同的是,本文方法用图像块中像素点按灰度值排序后的中间值作为计算差值的参考值,不仅可实现可逆信息隐藏,而且计算出的差值更紧凑,从而隐藏量更高,而隐藏后的PS N R和文献[10]方法相当。

2　秘密信息的嵌入 1)将载体图像分成大小为m×n的不重叠的图像块,每个图像块含有k=m×n个像素点。

2)令图像块序列V={v1,v2,…,v k},对序列V按由小到大光电子・激光第21卷第1期　2010年1月 Journal of Optoelectronics・Laser Vol.21No.1　J an.2010① 收稿日期:2009205213　修订日期:2009210213　3　基金项目:国家自然科学基金资助项目(60877047);高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20070216004)　33E2m ail:ysuzyt@排序后为V ′={v p 1,v p 2,…,v pk },其中v p 1Φv p 2Φ…Φv pk 。

在对向量V 中的元素排序过程中,如果有相同的值出现,则按照其出现的先后顺序排列,其中,P ={p 1,p 2,…,p k }表示排序后的向量V ′中的元素分别在原始序列V 中的位置。

选取排序后中间位置的灰度值作为参考值,即v m =v pn =mid {V ′},n =[(k +1)]/2。

3)按照排序的顺序P ,计算图像块中其余k -1个像素点的灰度值和像素点v m 间的差值,构成差值序列{d 1,d 2,…,d k -1},其中d i 定义为 d i =v pi 2v m 1Φi Φk -1,i ≠m(1) 4)对差值序列中的值取绝对值,统计所有图像块差值绝对值的直方图,找到其峰值最大点p h 。

5)在差值绝对值为p h 处隐藏信息,其秘密信息比特w 嵌入时按照排序的顺序P 依次嵌入,对于差值d j ,嵌入法如式(2)所示。

如果图像块中像素点的位置j =p 1,p 2,…,p m -1,则 d ′j =d j -1,if d j <-phd j -1,if d j =-ph ,and w =1d j ,　if d j =-ph ,and w =0(2a )如果j =p m +1,p m +2,…,p k ,则 d ′j =d j +1,d j >phd j +1,d j =ph ,w =1d j ,　d j =ph ,w =0(2b )式中,d ′j 为嵌入水印后的差值。

6)根据新的差值,形成隐藏秘密信息后的图像数据 v w j =v m +d ′j(3)3　秘密信息的提取及载体图像恢复 1)将待检测的图像分成大小为m ×n 的不重叠的图像块,每个图像块含有k =m ×n 个像素点。

2)在每个图像块序列V w ={v w 1,v w 2,…,v wk }中,对图像块中的像素点由小到大排序,并分别依次记录其在序列位置,记为P ′={p ′1,p ′2,…,p ′k },找到中间的值v wm ,如果图像块中像素点的位置j =p ′1,p ′2,…,p ′m -1 v rj=v j +1,v w j -v wm =-ph -1v j ,　v wj -v wm =-ph (4a )如果j =p ′m +1,p ′m +2,…,p ′k v rj=v j -1,v wj -v wm =ph +1v j ,　v wj -v wm =ph(4b ) 图像块中所有的值计算后,形成新的图像块序列V r ={v r 1,v r 2,…,v rk}。

重新对V r 进行由小到大的排序,并分别依次记录其在序列位置,记为P n ={p ″1,p ″2,…,p ″k }。

3)根据新的位置序列P ″,提取秘密信息和恢复原载体图像。

如果图像块中像素点的位置j =p ″1,p ″2,…,p ″m -1 v c j =v w j +1, if v w j -v w m <-ph -1v c j =v w j +1,water =1,if v w j -v wm =-ph -1v c j =v w j ,water =0,　if v w j -v wm =-ph(5a )如果j =p ″m +1,p ″m +2,…,p ″k v c j =v w j -1, v w j -v wm >ph +1v c j =v w j -1,water =1,v w j -v wm =ph +1v c j =v w j ,water =0,　v w j -v wm =ph(5b )式中:v c j 为恢复后的原载体图像数据;water 为提取的秘密信息。

4)重复2、3,直至所有的图像块都执行完毕,构成恢复后的载体图像,并提取出全部秘密信息。

对于在嵌入秘密信息后有可能出现溢出的情况,即对于8bit 图像的,嵌入后的数据可能小于0或者大于255,采用由Xu 2an 等[11]提出的防止溢出方法来防止溢出。

如果载体图像中存在最大值255或者最小值0,则分别对其进行减1或者加1,并产生头信息(overhead information )用来标记该改动信息。

头信息由两部分组成:L 为一固定比特数,用来表示头信息的长度;scan sequences 用来记录修改像素点的位置。

例如对于一个3bit 灰度级的图像,大小为4×5,如图1所示。

以由左到右由上到下的顺序对灰度图像中各个像素点灰度值依次扫描。

当遇到灰度值为“0”或“7”时,记录比特”1”到scan sequences 中,并且原始数值分别由“0”或“7”变为“1”或“6”;如果遇到“1”或“6”时,记录比特”0”到scan sequences 中。