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      基于多載體的二值圖像信息隱藏算法

      2014-02-09 07:46:56袁亞琴馬巧梅陳夠喜楊秋翔
      計算機工程與設計 2014年4期
      關鍵詞:游程二值秘密

      袁亞琴,馬巧梅,陳夠喜,楊秋翔

      (中北大學電子與計算機科學技術學院,山西太原030051)

      0 引 言

      隨著全球信息數(shù)字化進程的日益加快,很多的重要資料,如手寫簽名、個人檔案、學歷證書、設計圖樣、機要文件等被掃描成數(shù)字化文檔,以二值圖像的方式存儲,因此在其中隱藏保護性信息尤為重要。目前適用于二值圖像的信息隱藏方法有圖像分塊嵌入法[1-7]、結構微調法[8]、游程修改嵌入法[9]等。文獻[4]將二值圖像分塊,根據(jù)每塊中黑白像素的個數(shù)不同,自適應地確定可嵌入秘密信息的比特數(shù)。文獻[6]提出了一個翻轉點選擇標準,利用STC(syndrome trellis codes)編碼算法實現(xiàn)信息的嵌入。文獻[9]把游程長度變化看作直方圖調整,從而組合了游程編碼和直方圖調整兩種技術實現(xiàn)信息隱藏。上述文獻都是將秘密信息隱藏到單幅二值圖像中,安全性較低。本文提出一種將秘密信息嵌入到兩幅二值圖像中的新方法,提取過程中不需要原始載體圖像,在實現(xiàn)了盲提取的同時,提高了秘密信息的安全性。

      1 改進的多載體隱藏模型

      文獻[10,11]提出了基于多載體的信息隱藏模型,在此基礎上,本文提出了針對二值圖像特點的多載體信息隱藏模型。改進的多載體隱藏模型如圖1所示。

      圖1 改進的多載體隱藏模型

      定義1 改進的多載體隱寫系統(tǒng)。設置亂過程為Sk,游程編碼過程為R,嵌入過程為En,提取過程為Dm,則該系統(tǒng)表示為六元組Γs=(C,S,Sk,R,En,Dm)。

      定義2 假設sc是置亂算法,K是密鑰,S是秘密信息,S′是經過置亂后的秘密信息。若置亂過程表示為Sk:S×K->S′|sc,則Sk可表示為四元組Sk=(sc,K,S,S′)。

      定義3 假設RLC是游程編碼,C是載體圖像集(包括C1、C2),L是C經過游程編碼后產生的游程序列集(包括L1、L2),則游程編碼過程表示為R:C->L|RLC。

      定義4 假設en是嵌入算法,C′是載體圖像經過嵌入后的載密圖像集(包括C1′、C2′),則嵌入過程是一個三元組En=(en,S′,L,C′),嵌入過程表示為En:en(S′,L)=C′。

      定義5 假設dm是提取算法,L′是載密圖像經過游程編碼后產生的游程序列集(包括L1′、L2′),K是密鑰,則提取過程可表示為

      多載體信息隱藏系統(tǒng)的工作原理如下:

      (1)多載體預處理。包括多載體選擇、對載體進行游程編碼和載體間相關性研究等。

      (2)秘密信息預處理。包括對秘密信息置亂、密鑰設計和秘密信息之間相關性分析。

      (3)秘密信息的嵌入和提取。主要包括嵌入算法設計、嵌入算法間相關性研究和提取秘密信息等工作。

      2 改進的多載體隱藏方案

      2.1 秘密信息置亂預處理

      為了提高系統(tǒng)的安全性,本方案對待隱藏的秘密信息進行置亂預處理。本方案置亂算法采用的是Logistic映射混沌系統(tǒng),其定義見下式

      其中,xn∈(0,1),b∈(0,4]。b值確定后,由初值x0在Logistic映射的作用下產生序列xn。Logistic映射對b值和初值x0具有敏感的依賴性。所以b和x0可以作為密鑰保存,加強了系統(tǒng)的安全性。

      Logistic映射產生的混沌序列均為大于0小于1的實數(shù)值,為使其能夠和秘密信息進行邏輯計算,在這里定義一種公式,見下式

      由此,便可將混沌實數(shù)序列順利轉變?yōu)榛煦?1序列。

      2.2 多載體預處理

      載體圖像采用的是二值圖像。對載體圖像采用游程編碼方式進行預處理。二值圖像只有0和1兩種像素值,“0”代表黑,“1”代表白。對二值圖像采用行掃描方式進行掃描,連續(xù)出現(xiàn)“0”的一段稱為“0”游程,即黑游程,且出現(xiàn)“0”的個數(shù)稱為“0”游程長度。連續(xù)出現(xiàn)“1”的一段稱為“1”,即白游程,且出現(xiàn)“1”的個數(shù)稱為“1”游程長度?!?”游程和“1”游程總是交替出現(xiàn)。例如,一段二值數(shù)據(jù)“1111001000110”用游程編碼可以表示為421321。本方案中,對兩幅二值圖像進行游程編碼預處理,得到兩個游程序列。

      2.3 信息嵌入

      把置亂后的秘密信息嵌入到兩個載體圖像的游程序列中。具體算法如下:

      (1)選取合適的密鑰b、x0和序列長度,利用2.1節(jié)的Logistic映射將秘密信息進行置亂。

      (2)根據(jù)2.2節(jié)的游程編碼算法分別統(tǒng)計載體圖像C1、C2游程長度,得到兩個黑白游程交替序列L1、L2(假設L1>L2)。

      (3)檢測游程序列L1、L2中對應的黑游程長度。若待嵌入數(shù)據(jù)為0,修改較大的黑游程長度(將其減1)使得兩黑游程長度奇偶性相同;若待嵌入數(shù)據(jù)為1,修改較大的黑游程長度(將其減1)使得兩黑游程長度奇偶性相異。

      (4)若待嵌入數(shù)據(jù)長度length>L2,繼續(xù)檢測游程序列L1的剩余黑游程長度。若待嵌入數(shù)據(jù)為0,修改黑游程長度為偶數(shù);若待嵌入數(shù)據(jù)為1,修改黑游程長度為奇數(shù)。

      下面給出一個嵌入實例。

      表1給出了一個2行8列的兩原始載體圖像實例,0和1分別表示黑像素和白像素。

      表1 載體圖像

      從表1可以看出,兩載體圖像經過游程編碼后得到的游程序列L1、L2為[2,1,3,1,3,2,2,2]和[2,2,2,1,5,2,2]。假設待嵌入數(shù)據(jù)為001,順序掃描L1、L2中的黑游程,首先掃描到的黑游程長度分別為2、2,檢查第一個待嵌入數(shù)據(jù)為0,而兩黑游程長度同為偶數(shù),所以不作修改;接著分別掃描到L1、L2中第二個黑游程長度3、2,此時待嵌入數(shù)據(jù)為0,將L1的黑游程長度減1(修改長度較大的黑游程),其后的白游程長度加1,即載體一第1行第6列的像素0修改為1;繼續(xù)分別掃描到L1、L2中第三個黑游程長度3、5,此時待嵌入數(shù)據(jù)為1,將L2的黑游程長度減1,其后的白游程長度加1,即載體二第2行第4列的像素0修改為1。嵌入結果見表2,下劃線部分為修改后的像素。

      表2 載密圖像

      在一般圖像中,若L1、L2中相應的黑游程長度同時為1,修改任一黑游程長度都會使得與其相連的兩個白游程合二為一,這樣無法正確提取隱藏數(shù)據(jù)。本方案設置一個閾值T,T表示兩黑游程長度之和,T>2時可排除兩黑游程長度同時為1的情況。

      2.4 信息提取

      信息提取需要載密圖像和置亂參數(shù),具體算法如下:

      (1)利用游程編碼分別統(tǒng)計載密圖像C1′、C2′游程長度,得到兩個黑白游程交替序列L1′、L2′。

      (2)檢測游程序列L1′、L2′中對應的黑游程長度。若兩黑游程長度奇偶性相同,提取數(shù)據(jù)0;若兩黑游程長度奇偶性相異,提取數(shù)據(jù)1。

      (3)若待嵌入數(shù)據(jù)長度length>L2′,檢測游程序列L1′的剩余黑游程長度。若黑游程長度為偶數(shù),提取數(shù)據(jù)0;若黑游程長度為奇數(shù),提取數(shù)據(jù)1。

      (4)輸入密鑰b、x0,利用式(1)的Logistic映射對提取的數(shù)據(jù)進行逆置亂,得到秘密信息。

      從表2可知,載密圖像C1′、C2′經過游程編碼后得到的游程序列L1′、L2′為[2,1,2,2,3,2,2,2]和[2,2,2,1,4,3,2]。順序掃描L1′、L2′中的黑游程,首先掃描到的黑游程長度分別為2、2,兩長度奇偶性相同,則提取數(shù)據(jù)0;接著掃描到的黑游程長度分別為2,2,兩長度奇偶性相同,則提取數(shù)據(jù)0;最后掃描到的黑游程長度分別為3、4,兩長度奇偶性相異,則提取數(shù)據(jù)1。因此,得到數(shù)據(jù)001,將該數(shù)據(jù)進行逆置亂,最終得到秘密信息。

      3 實驗仿真及結果分析

      3.1 仿真結果

      分別采用二值文本圖像和普通二值圖像,進行上述算法的驗證,置亂時參數(shù)選用X0=0.2323、b=4。圖2(a)和圖2(b)是兩幅大小為302×184的二值文本圖像,圖2(c)和圖2(d)是嵌入192bit后的文本圖像。

      圖3(a)和圖3(b)是兩幅大小為512×512的普通二值圖像,圖3(c)和圖3(d)是嵌入192bit后的圖像。

      為了更好地說明本文提出方案的優(yōu)越性,分別嵌入不同數(shù)量的秘密信息進行了實驗驗證。實驗結果表明,嵌入不同數(shù)量的秘密信息,均能準確提取所嵌入的信息,同時二值圖像均無可明顯察覺到的失真。

      圖3 普通二值圖像的隱藏

      3.2 性能分析

      為了體現(xiàn)本文提出算法的性能優(yōu)越性,下面采用峰值信噪比(peak signal to noise ratio,PSNR)、基于距離倒數(shù)的失真測度(distance reciprocal distortion measure,DRDM)、嵌入時修改比特量和安全性幾個方面進行比較分析。

      (1)PSNR分析

      PSNR是目前用于圖像質量評價的最常用的指標。在圖像隱藏中,PSNR值越大,圖像失真越小。表3給出了利用圖3的普通二值圖像為載體進行3種不同方法嵌入信息時的PSNR值。

      表3 普通二值圖像的PSNR比較

      從表3可以看出,在同等嵌入bit量的條件下,采用本文方法的載密圖像PSNR比其它兩種方法的小,整體失真較小。

      (2)DRDM分析

      DRDM主要用于評價人類視覺系統(tǒng)的二值文本圖像。DRDM值越小,圖像失真越小。圖4反映了采用圖2的二值文本圖像為載體進行3種不同方法嵌入信息時DRDM的差異。

      圖4 二值文本圖像的DRDM比較

      從圖4可以看出,在同等嵌入bit量的情況下,采用本文方法的載密圖像DRDM比其它兩種方法的小,整體失真較小。

      (3)嵌入時修改比特量分析

      表4的實驗數(shù)據(jù)反映了3種不同方法的實際修改bit量的差異。

      表4 不同方法的實際修改bit量比較

      從表4可以看出,在同等嵌入bit量的情況下,采用本文方法的實際修改bit量比其它兩種方法少。

      由于采用本文方法嵌入時,需要修改的比特量較小,所以可以提供更高的嵌入容量。對于圖3的普通二值圖像,采用本文方法的最大嵌入容量為2627,提供了高于其它兩種方法的嵌入容量。

      (4)安全性分析

      本文提出的基于多載體二值圖像信息隱藏方案,和其它二值圖像隱藏方案相比,在安全性上有了一定提高:一方面,利用Logistic映射對秘密信息預先進行置亂加密處理,Logistic映射對初始條件具有敏感的依賴性,對于僅有微小差別的初值,在迭代了一定次數(shù)后便會產生截然不同的混沌序列,即使攻擊者截取到載密圖像,沒有解密密鑰,也無法提取秘密信息,安全性高;另一方面,文獻[10]研究并詳細證明了多載體信息隱藏的安全性比單載體高,本文將秘密信息隱藏到兩幅載體圖像,與已有方法相比,提高了安全性。

      假設C′是載密圖像集,K是解密密鑰,RLC是游程編碼,dm是提取算法,則秘密信息S恢復函數(shù)f表示為

      在提取過程中,載密圖像集C′全部參與,并且獲取正確的解密密鑰K才能恢復出秘密信息。

      4 結束語

      本文提出了一種基于多載體的信息隱藏算法。該算法將秘密信息嵌入到公開的兩幅二值圖像中,符合人眼的視覺特性,提高了傳輸過程中的安全性。在提取秘密信息的過程中,不需要原始載體圖像及其它輔助信息,是一種完全的盲提取。本文不足之處在于,嵌入信息過程中使用了游程編碼,如果遇到兩幅載體圖像短游程較多,且嵌入信息較大的情況,視覺效果會降低。如何更好地協(xié)調嵌入容量、不可見性及安全性,尚待進一步研究。

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