專利名稱：基于灰度調(diào)整的無損信息隱藏方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用信號(hào)處理和計(jì)算機(jī)技術(shù)調(diào)整象素灰度值以便在數(shù)字圖像中進(jìn)行無損信息隱藏的方法。
背景技術(shù)：
信息隱藏是在數(shù)字多媒體產(chǎn)品中嵌入額外數(shù)據(jù)，既可以用作數(shù)字水印保護(hù)載體產(chǎn)品的版權(quán)，也可以用于避開第三方注意的隱蔽通信。目前絕大多數(shù)的信息隱藏方法都會(huì)對(duì)載體信息造成或多或少的影響，而如果接收方既可以提取出秘密數(shù)據(jù)又可以無誤恢復(fù)原始載體，則稱為無損(或可逆)信息隱藏，可用于醫(yī)學(xué)圖像、軍事圖像等對(duì)精度要求較高的載體。
現(xiàn)有的在數(shù)字圖像中進(jìn)行無損信息隱藏的方法有一個(gè)共性，都是在載體數(shù)據(jù)中指定一個(gè)區(qū)域，將該區(qū)域中原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無損壓縮，并將壓縮后的數(shù)據(jù)填充到這個(gè)區(qū)域中，而剩余空間用于嵌入額外的信息。在接收端，取出這個(gè)區(qū)域的數(shù)據(jù)，解壓前一部分恢復(fù)原始載體，而后一部分即嵌入的信息。各種方法所選擇的區(qū)域不盡相同，可參閱如下論文1.M.Goljan，J.Fridrich，and R.Du，Distortion-Free Data Embedding，inProceedings of 4th International Workshop on Information Hiding，LectureNotes in Computer Science，2137，Springer，2001，pp.27-41.
2.M.U.Celik，G.Sharma，A.M.Tekalp，and E.Saber，Reversible Data Hiding，in Proceedings of International Conference on Image Processing，Sept.2002，II，pp.157-160.
3.J.Tian，Reversible watermarking by difference expansion，in Proceedingsof Workshop on Multimedia and SecurityAuthentication，Secrecy，andSteganalysis，Dec.2002，pp.19-22.
4.A.M.Alattar，Reversible Watermark Using the Difference Expansion of aGeneralized Integer Transform，IEEE Trans.on Image Processing，13(8)，2004，pp.1147-1156.
上述的已有技術(shù)，實(shí)施時(shí)均需對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜而且隱蔽性較差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于灰度調(diào)整的無損信息隱藏方法，可以在灰度或彩色圖像中進(jìn)行無損信息隱藏的方法。實(shí)施時(shí)無需對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，實(shí)現(xiàn)更為簡單，具有更好的隱蔽性。
為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采用如下方案一種基于灰度調(diào)整的無損信息隱藏方法，發(fā)送方與接收方擁有共同的密鑰或密鑰發(fā)生器，發(fā)送方在數(shù)字圖像中嵌入額外的秘密數(shù)據(jù)，接受方收到含密圖像后，提取秘密數(shù)據(jù)，恢復(fù)原始圖像，其特征在于數(shù)據(jù)嵌入時(shí)根據(jù)密鑰選定部分象素進(jìn)行灰度值加1或減1調(diào)整，并為灰度飽和的每個(gè)象素分配1比特作為標(biāo)記，再選定另外的部分象素進(jìn)行信息隱藏，隱藏的信息包括對(duì)飽和象素標(biāo)記和真正要傳遞嵌入的秘密數(shù)據(jù)；接收方收到調(diào)整后的含密圖像后，根據(jù)同樣的密鑰提取飽和象素標(biāo)記和秘密信息，并根據(jù)飽和象素標(biāo)記進(jìn)行逆向操作恢復(fù)原始圖像。
上述的方法的實(shí)現(xiàn)步驟如下a.信息隱藏時(shí)根據(jù)密鑰為載體圖像的每個(gè)象素pi，j分配一個(gè)整數(shù)值qi，j和一個(gè)二元數(shù)值ri，j，以決定灰度調(diào)整的方式。
b.對(duì)pi，j、qi，j不同的象素參照ri，j對(duì)灰度值向正向或負(fù)向調(diào)整，如果調(diào)整后的象素灰度達(dá)到飽和或超過飽和，分別用0、1標(biāo)記，并將超過飽和的灰度改為飽和狀態(tài)。
c.在pi，j、qi，j相同的象素中進(jìn)行信息隱藏，隱藏的信息包括飽和標(biāo)記和額外的秘密數(shù)據(jù)。分別用保持灰度不變和調(diào)整灰度代表嵌入的0和1。
d.接收方收到含密圖像后，首先從pi，j、qi，j相距較小的象素中提取所有嵌入的數(shù)據(jù)，前一部分用于恢復(fù)原始圖像，后一部分即額外嵌入的秘密數(shù)據(jù)。
e.對(duì)pi，j、qi，j相距較大的象素作灰度逆向調(diào)整，飽和狀態(tài)的逆向調(diào)整由飽和標(biāo)記，即提取出的前一部分?jǐn)?shù)據(jù)決定。
上述的方法，在彩色或多譜圖像中進(jìn)行灰度調(diào)整時(shí)，是將彩色或多譜圖像的每個(gè)顏色分量看作一幅灰度圖像，并在不同分量中分別進(jìn)行基于灰度調(diào)整的無損信息隱藏。
上述方法的詳細(xì)操作步驟如下一、發(fā)送方首先根據(jù)密鑰為載體圖像的每個(gè)象素pi，j偽隨機(jī)地分配一個(gè)整數(shù)值qi，j，這里0＜Q1≤qi，j≤Q2＜255，即Q1、Q2分別是qi，j的下界和上界，并且落于 范圍之內(nèi)；并且根據(jù)密鑰再為每個(gè)象素分配一個(gè)二元數(shù)值ri，j，即ri，j∈{+1，-1}。發(fā)送方如下處理每個(gè)象素1.如果ri，j＝+1且pi，j＞qi，j，則對(duì)該象素灰度值做+1處理，即p’i，j＝pi，j+1。若處理后的灰度值為255，標(biāo)記此象素為0；若處理后的灰度值為256，為避免灰度值的溢出，標(biāo)記此象素為1，并將灰度值改為255。逐行掃描這些標(biāo)記記為序列X1。
2.如果ri，j＝-1且pi，j＜qi，j，則對(duì)該象素灰度值做-1處理，即p’i，j＝pi，j-1。若處理后的灰度值為0，標(biāo)記此象素為0；若處理后的灰度值為-1，為避免灰度值的溢出，標(biāo)記此象素為1，并將灰度值改為0。逐行掃描這些標(biāo)記記為序列X2。
3.將X1和X2合并為一個(gè)序列X，稱作“飽和象素標(biāo)記序列”。設(shè)X的長度為lX，載體圖像的象素灰度極少接近純色，所以lX通常遠(yuǎn)小于下文的lY。
4.在滿足條件pi，j＝qi，j的象素上進(jìn)行信息隱藏，記滿足這樣條件的象素有l(wèi)Y個(gè)，設(shè)原始圖像灰度值在Qt、Q2之間的象素共有SQ個(gè)，那么lY≈SQ/(Q2-Q1+1)。將X與(lY-lX)個(gè)額外的秘密比特組成欲嵌入的序列Y，并將Y中的每個(gè)比特對(duì)應(yīng)于一個(gè)滿足上述條件的象素。如果Y中的比特為0，對(duì)應(yīng)象素不作任何改動(dòng)；如果Y中的比特為1，對(duì)應(yīng)象素則作如下改動(dòng)p’i，j＝pi，j+ri，j。
5.其它象素保持不變。
如果載體圖像是彩色圖像或多譜圖像，可以將圖像的每個(gè)顏色分量看作一幅灰度圖像，并作上述處理。處理后，發(fā)送方便可以傳送灰度調(diào)整后的含秘密數(shù)據(jù)的圖像。
二、接收方收到含密圖像后，根據(jù)同樣的密鑰為每個(gè)象素分配qi，j、ri，j。由于密鑰相同，這里的qi，j、ri，j與發(fā)送方的qi，j、ri，j也是相同的。記收到的圖像象素灰度值為p’i，j，提取秘密數(shù)據(jù)和恢復(fù)原始載體圖像的過程如下1.首先提取序列Y。從所有p’i，j＝qi，j或p’i，j＝qi，j+ri，j的象素中提取1比特信息如果p’i，j＝qi，j，則從該象素中提取0；如果p’i，j＝qi，j+ri，j，則從該象素中提取1，并將該象素灰度變?yōu)閝i，j。由提取出的0和1構(gòu)成的序列即Y。
2.逐行處理象素，如果ri，j＝+1且qi，j+1＜p’i，j＜255，則將p’i，j減1；如果ri，j＝+1且p’i，j＝255，則從Y中順次取出一個(gè)比特，若此比特為0，便將p’i，j減1，若此比特為1，p’i，j依舊保持為255。
3.重新逐行處理象素，如果ri，j＝-1且0＜p’i，j＜qi，j-1，則將p’i，j加1；如果ri，j＝-1且p’i，j＝0，則從Y中順次取出一個(gè)比特，若此比特為0，便將p’i，j加1，若此比特為1，p’i，j依舊保持為0。
4.按照上述三個(gè)步驟調(diào)整后的載體圖像即為原始圖像，Y中剩余比特即額外嵌入的秘密數(shù)據(jù)。
如果接收到的圖像是彩色圖像或多譜圖像，接收方可以在不同顏色分量中分別進(jìn)行上述操作。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下顯而意見的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明隱蔽額外數(shù)據(jù)的空間由調(diào)整灰度值產(chǎn)生，并不基于載體數(shù)據(jù)的無損壓縮，因此不需任何無損壓縮技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更為簡單；信息隱藏對(duì)載體圖像的象素只改變一個(gè)灰度級(jí)別，具有更好的隱蔽性。


圖1是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的原始載體圖像。
圖2是實(shí)施例中根據(jù)密鑰為每個(gè)象素產(chǎn)生的qi，j。
圖3是實(shí)施例中根據(jù)密鑰為每個(gè)象素產(chǎn)生的ri，j。
圖4是實(shí)施例中隱藏了秘密數(shù)據(jù)的圖像灰度值。
具體實(shí)施方法本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例詳述如下以下結(jié)合附圖描述本實(shí)施例進(jìn)行信息隱藏、數(shù)據(jù)提取、圖像恢復(fù)原始載體圖像通常較大，為方便示意本發(fā)明如何工作，下面借助大小為4×6的載體圖像塊進(jìn)行說明，其原始灰度值如圖1。根據(jù)密鑰為每個(gè)象素產(chǎn)生的qi，j和ri，j分別如圖2、圖3。
發(fā)送方進(jìn)行信息隱藏的過程如下1.滿足ri，j＝+1且pi，j＞qi，j的象素有(1，1)、(1，6)、(2，2)、(2，6)、(3，3)、(4，5)，將這些象素的灰度值由137、255、139、254、138、136分別改為138、255、140、255、139、137。這里，標(biāo)記(1，6)象素為1、標(biāo)記(2，6)象素為0，序列X1即(10)。
2.滿足ri，j＝-1且pi，j＜qi，j的象素有(1，3)、(2，1)、(2，4)、(3，6)、(4，2)，將這些象素的灰度值由140、138、145、143、0分別改為139、137、144、142、0。這里，標(biāo)記(4，2)象素為1，序列X2即(1)。
3.合并X1和X2為序列X，X＝(101)。
4.滿足條件pi，j＝qi，j的象素有6個(gè)(1，2)、(1，4)、(2，3)、(3，1)、(3，5)、(4，3)，超過序列X的長度。設(shè)欲額外嵌入的秘密數(shù)據(jù)為(001)，那么Y＝(101001)。根據(jù)Y和ri，j調(diào)整上述6個(gè)象素的灰度值，即由138、143、145、135、143、130調(diào)整為137、143、146、135、143、129。
5.綜合上述各個(gè)步驟，含密圖像的各象素灰度值如圖4。發(fā)送方將此含密圖像傳送出去。
接收方收到含密圖像(圖4)后，首先根據(jù)密鑰生成相同的qi，j和ri，j(如圖2、圖3)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)提取和圖像恢復(fù)1.滿足p’i，j＝qi，j或p’i，j＝qi，j+ri，j的象素共6個(gè)(1，2)、(1，4)、(2，3)、(3，1)、(3，5)、(4，3)，從滿足p’i，j＝qi，j的象素中提取0，從滿足p’i，j＝qi，j+ri，j的象素中提取1，并將這些象素灰度改為對(duì)應(yīng)的qi，j，將提取出的信息按照次序排列為(101001)。
2.滿足ri，j＝+1且qi，j+1＜p’i，j＜255的象素有(1，1)、(2，2)、(3，3)、(4，5)，將這些象素的灰度減1。滿足ri，j＝+1且p’i，j＝255的象素有(1，6)、(2，6)，從步驟1提取的信息中取出前兩比特(10)，根據(jù)這兩比特的標(biāo)識(shí)，分別保持(1，6)象素灰度不變、將(2，6)象素灰度減1。
3.滿足ri，j＝-1且0＜p’i，j＜qi，j-1的象素有(1，3)、(2，1)、(2，4)、(3，6)，將這些象素的灰度加1。滿足ri，j＝-1且p’i，j＝0的象素有(4，2)，再從步驟1提取的信息中取出一比特(即第三比特)，此比特為1，那么保持(4，2)象素依舊為0。
4.步驟1提取的信息尚余3比特(001)，即為額外嵌入的秘密數(shù)據(jù)。對(duì)含密圖像進(jìn)行灰度調(diào)整后的結(jié)果即原始圖像，此結(jié)果與圖1相同。
權(quán)利要求
1.一種基于灰度調(diào)整的無損信息隱藏方法，發(fā)送方與接收方擁有共同的密鑰或密鑰發(fā)生器，發(fā)送方在數(shù)字圖像中嵌入額外的秘密數(shù)據(jù)，接受方收到含密圖像后，提取秘密數(shù)據(jù)，恢復(fù)原始圖像，其特征在于數(shù)據(jù)嵌入時(shí)根據(jù)密鑰選定部分象素進(jìn)行灰度值加1或減1調(diào)整，并為灰度飽和的每個(gè)象素分配1比特作為標(biāo)記，再選定另外的部分象素進(jìn)行信息隱藏，隱藏的信息包括對(duì)飽和象素標(biāo)記和真正要傳遞嵌入的秘密數(shù)據(jù)；接收方收到調(diào)整后的含密圖像后，根據(jù)同樣的密鑰提取飽和象素標(biāo)記和秘密信息，并根據(jù)飽和象素標(biāo)記進(jìn)行逆向操作恢復(fù)原始圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于灰度調(diào)整的無損信息隱藏方法，其特征在于實(shí)現(xiàn)步驟如下a.信息隱藏時(shí)根據(jù)密鑰為載體圖像的每個(gè)象素pi，j分配一個(gè)整數(shù)值qi，j和一個(gè)二元數(shù)值ri，j，以決定灰度調(diào)整的方式。b.對(duì)pi，j、qi，j不同的象素參照ri，j對(duì)灰度值向正向或負(fù)向調(diào)整，如果調(diào)整后的象素灰度達(dá)到飽和或超過飽和，分別用0、1標(biāo)記，并將超過飽和的灰度改為飽和狀態(tài)。c.在pi，j、qi，j相同的象素中進(jìn)行信息隱藏，隱藏的信息包括飽和標(biāo)記和額外的秘密數(shù)據(jù)。分別用保持灰度不變和調(diào)整灰度代表嵌入的0和1。d.接收方收到含密圖像后，首先從pi，j、qi，j相距較小的象素中提取所有嵌入的數(shù)據(jù)，前一部分用于恢復(fù)原始圖像，后一部分即額外嵌入的秘密數(shù)據(jù)。e.對(duì)pi，j、qi，j相距較大的象素作灰度逆向調(diào)整，飽和狀態(tài)的逆向調(diào)整由飽和標(biāo)記，即提取出的前一部分?jǐn)?shù)據(jù)決定。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于灰度調(diào)整的無損信息隱藏方法，其特征在于在彩色或多譜圖像中進(jìn)行灰度調(diào)整時(shí)，是將彩色或多譜圖像的每個(gè)顏色分量看作一幅灰度圖像，并在不同分量中分別進(jìn)行基于灰度調(diào)整的無損信息隱藏。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于灰度調(diào)整的無損信息隱藏方法，發(fā)送方與接收方擁有共同的密鑰或密鑰發(fā)生器，發(fā)送方可以在數(shù)字圖像中嵌入額外的秘密數(shù)據(jù)，接收方不但可以從含密圖像中提取秘密數(shù)據(jù)，而且可以無誤恢復(fù)原始圖像。發(fā)送方根據(jù)密鑰選定部分象素對(duì)灰度值進(jìn)行加1或減1調(diào)整，并為灰度飽和的每個(gè)象素分配1比特作為標(biāo)記。發(fā)送方再根據(jù)密鑰選定另外的部分象素進(jìn)行信息隱藏，灰度值不變表示嵌入0、灰度值加1或減1調(diào)整表示嵌入1。嵌入的信息包括飽和象素標(biāo)記和真正額外嵌入的秘密數(shù)據(jù)。接收方收到調(diào)整后的含密圖像后，根據(jù)同樣的密鑰提取飽和象素標(biāo)記和秘密信息，并根據(jù)飽和象素標(biāo)記進(jìn)行逆向操作恢復(fù)原始圖像。本發(fā)明可用于以灰度、彩色等數(shù)字圖像為載體的信息隱藏。本發(fā)明無需對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，實(shí)現(xiàn)更為簡單，具有更好的隱蔽性。
文檔編號(hào)G06T1/00GK1604137SQ20041006779
公開日2005年4月6日 申請(qǐng)日期2004年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月3日
發(fā)明者張新鵬, 王朔中, 王威娜 申請(qǐng)人:上海大學(xué)