專利名稱：基于輔助像素的圖像隱寫處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于輔助像素的圖像隱寫處理方法(AP—LSB, Auxiliary Pixel LSB)，屬于信息安全技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
信息隱藏是在不對載體信號產(chǎn)生過分影響的前提下，將額外的信息嵌入 到數(shù)字媒體，如數(shù)字圖像中，以實現(xiàn)隱秘通信。信息隱藏技術(shù)最常見的方法 是LSB (Least Significant Bits)嵌入方法。它是將秘密信息變換成二進制數(shù) 據(jù)流，然后分別替換載體圖像像素灰度值的最低比特位。由于LSB平面(由 所有像素的二進制描述的最低比特位構(gòu)成的平面)的修改對像素灰度分布的 影響最小，因此該方法隱藏數(shù)據(jù)量大，且不易被感官察覺，在實踐中被廣泛采 用。簡單LSB嵌入的方法為首先將欲嵌入的原始秘密信息轉(zhuǎn)化為比特流， 再對這個比特流利用偽隨機序列進行置亂，然后逐行或逐列地替換載體圖像 的最低比特位(LSB位)。但是簡單LSB嵌入算法抗攻擊性能較差,尤其在嵌入 較大信息量時。有文獻提出一種雙像素隱寫方法(DP一LSB， Double Pixels LSB)，該方法將兩個像素作為一個整體，其中第一個#素灰度值的LSB位 用于承載一比特信息，兩像素灰度值的指定函數(shù)(公式2)輸出用于承載另 一個比特信息，相比較簡單的LSB嵌入方法，該方法在嵌入相同秘密信息的 前提下，對原圖的修改較小，其技術(shù)方案為
(1) 偽隨機數(shù)(PRN, Pseudo Random Number)的生成。大多數(shù)LSB隱寫
算法的實現(xiàn)都要結(jié)合偽隨機數(shù)實現(xiàn)秘密信息位的置亂。偽隨機數(shù)是指用數(shù)學 遞推公式所產(chǎn)生的隨機數(shù)，它有一個特點就是在參數(shù)一定的情況下每次產(chǎn)生 的偽隨機數(shù)序列是相同的。目前常見的偽隨機數(shù)產(chǎn)生方法有線性同余法、平 方取中法、菲波那契法和小數(shù)開方法等。其中線性同余法是應用較為廣泛的 一個方法，它具有產(chǎn)生速度快、輸出序列周期長等特點，它是由迭代公式 ;+1=(0^'+。1110￡1附得到的隨機數(shù)序列{^}。其中，m(wX))為模數(shù)， "(0《flSm)為乘數(shù)，c(0《c《m)為增量，線性同余法的另一個參數(shù)為初值即 禾中子see,《seec < m)。
(2) DPJSB嵌入原理。如果二值函數(shù)/(x,力滿足關(guān)系式
<formula>formula see original document page 4</formula>
那么該二值函數(shù)中x在正負l范圍內(nèi)的變化可以使/(x，力產(chǎn)生不同的值，}加 減l同樣也會改變/Oc,力的值。所以，利用二值函數(shù)的這一性質(zhì)可以將兩位秘密信息以較低的像素改變率同時嵌入到兩個像素中。實際中也可以找到這 樣的二值函數(shù)，如(2)式所示<formula>formula see original document page 5</formula>(2)
式中x，;;eZ，均表示像素灰度值，/^(*)表示取二進制像素的最低比特
位，1_*」表示向下取整數(shù)。
現(xiàn)有的隱寫算法無論從信息嵌入容量上還是隱寫算法的魯棒性上都有很 大改進空間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提高信息嵌入容量，改進 隱寫算法的魯棒性。其基本思想是引入輔助像素，完成將兩位秘密信息同時 嵌入到載體圖像的一個像素灰度值中。在嵌入過程中，根據(jù)偽隨機數(shù)發(fā)生器 在參數(shù)一定的情況下每次產(chǎn)生的偽隨機數(shù)序列相同這一性質(zhì)，用偽隨機數(shù)發(fā) 生器產(chǎn)生的0-255之間的整數(shù)偽隨機數(shù)作為輔助的載體圖像像素灰度值(簡 稱輔助像素值)，將兩位秘密信息嵌入到載體像素值和對應的輔助像素值中， 然后再將該輔助像素值中的信息轉(zhuǎn)換到載體像素值中。
按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，基于輔助像素的圖像隱寫處理方法，包括 信息嵌入方法和信息提取方法。
所述信息嵌入方法的步驟如下，
(1) 信息置亂生成與二進制比特流形式的原始秘密信息長度一致的偽 隨機數(shù)序列，用所述偽隨機數(shù)序列對原始秘密信息的比特流進行隨機化，作 為待嵌入的秘密信息位。
(2) 輔助像素生成利用偽隨機數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生一個8位偽隨機數(shù)序列，
作為輔助像素灰度值(a)。所述輔助像素灰度值(")和載體圖像的每個像
素灰度值(/7) —一對應。
(3) 信息位轉(zhuǎn)換對所述輔助像素灰度值(《)和載體圖像的像素灰度
值(p)進行變換，即把載體圖像的每個像素灰度值(p)去掉右數(shù)第二位
(A)，轉(zhuǎn)化為7位二進制數(shù)P'，并用所述載體圖像的像素灰度值(p)的
右數(shù)第二位(A)替換對應輔助像素灰度值(")的右數(shù)第一位，使輔助像
素灰度值(a)轉(zhuǎn)化為8位二進制數(shù)a'。
(4) 信息嵌入操作待嵌入的第一位秘密信息為mp待嵌入的第二位秘密信息為附2，采用函數(shù)/0,力=勵(
+力，式中;c,y表示經(jīng)信息位轉(zhuǎn)換
后的像素灰度值。
如果mi等于p'的最低比特位，且附2不等于/0/,"')，則/' = //， a" = a' + 1 ;
如果m!等于p'的最低比特位，且m2等于/(P',"')，則;/ = ;/， a" = a'; 如果^不等于p'的最低比特位，且柳2等于/(;/ —l,a')，則p'、, —i，
如果^不等于p'的最低比特位，且m2不等于- 1，"')，則= P' + 1 ，
W 二 ^ 0
(5)隱秘圖生成把所述""的右數(shù)第一位插入所述;/的右數(shù)第一位和 右數(shù)第二位之間，得到8位二進制數(shù)"所述s為嵌入秘密信息后的隱秘圖像 的像素灰度值。
所述信息提取方法的步驟如下，
(1) 把所述s去掉右數(shù)第二位(q)，轉(zhuǎn)化為7位二進制數(shù)s'，并用所 述^的右數(shù)第二位(q)替換與s相對應的輔助像素灰度值(")的右數(shù)第一 位，使輔助像素灰度值(")轉(zhuǎn)化為8位二進制數(shù),。
(2) 提取所述s'的最低比特位為第一位秘密信息(w)， /( ，,)為第 二位秘密信息(附2)。
(3) 采用所述信息置亂操作中所采用的偽隨機數(shù)序列把提取出的秘密信 息還原為原始秘密信息。
所述輔助像素灰度值為利用偽隨機序列生成的0到255之間的整數(shù)的8 位二進制數(shù)形式。
所述載體圖像的像素灰度值為0到255之間的整數(shù)的8位二進制數(shù)形式。 所述最低比特位為像素灰度值除以2的余數(shù)。 所述載體圖像為提供像素用以承載秘密信息的數(shù)字圖像。 本發(fā)明的優(yōu)點是
(1) 利用輔助像素方法將兩位秘密信息同時嵌入到一個像素中，嵌入容 量得到的很大的提高。
(2) 在保持一定嵌入效率的同時，提高了載體利用率。
(3) 分別利用偽隨機數(shù)用于置亂隱秘信息和生成輔助像素灰度值，增加 了該算法的加密強度。由于偽隨機序列難以逆向求解，增加了第三方(不知道偽隨機數(shù)序列)從隱秘圖像中提取隱秘信息的難度，達到了提高算法抗攻
擊能力的目的。


圖1 (a)是載體像素灰度值與對應輔助像素灰度值變換示意圖一。 圖1 (b)是載體像素灰度值與對應輔助像素灰度值變換示意圖二。 圖2 (a)為載體圖像的直方圖。 圖2 (b)為DP一LSB嵌入后圖像的直方圖。 圖2 (c)為AP—LSB嵌入后圖像的直方圖。 圖2 (d)為簡單LSB嵌入后圖像的直方圖。 具體實施方案
下面結(jié)合附圖和實例對本發(fā)明作進一步說明。 1信息嵌入步驟
嵌入過程中，首先偽隨機數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生一個偽隨機數(shù)序列，用所述偽隨 機數(shù)序列對欲嵌入的原始秘密信息的比特流進行隨機化，作為待嵌入的秘密 信息位。另外產(chǎn)生的一個8位偽隨機數(shù)序列，用于生成輔助像素灰度值"二 進制序列，所述輔助像素灰度值"二進制序列和載體圖像的像素灰度值/ 二 進制序列一一對應。
如圖1 (a)所示，對所述8位由偽隨機數(shù)發(fā)生器生成的輔助像素灰度值
a和載體圖像的像素灰度值p進行變換，設(shè)/ 為P7P6P5P4P3P2^lP0，"為
把載體圖像的每個像素灰度值/7去掉右數(shù)第二位^，轉(zhuǎn)化為7位二進制
數(shù);Z，則P'為/^v^;^;yw用所述載體圖像的每個像素灰度值; 的右
數(shù)第二位替換所述輔助像素灰度值"的右數(shù)第一位，轉(zhuǎn)化為8位二進制數(shù)a'， 貝U a'為"7a6a5a4a3a2aiPi 。
設(shè)待嵌入的第一位秘密信息為附P待嵌入的第二位秘密信息為附2，調(diào)
用函數(shù)/0^)=勵(入。
2
+力實現(xiàn)對載體像素灰度值和輔助像素灰度值的嵌
如果/^等于p'的最低比特位，且附2不等于/( ')，貝Up、;/Of" = a, + 1 ;
如果W等于p'的最低比特位，且附2等于/(P',"')，則//' = //， 如果mi不等于;/的最低比特位，且附2等于/(//-1，"')，則// = ;/-1， a" = fif';
如果^不等于//的最低比特位，且m2不等于/(// - 1,"')，則p" = p' +1 ， a〃 = a\
最后，如圖1 (b )所示，設(shè)/ "為"; 6巧P4^y^^0 ，""為
把所述""的右數(shù)第一位插入所述;/'的右數(shù)第一位和右數(shù)第二位之間，得到8 位二進制數(shù)s，貝"為"P6P5;7^3P^K。所述H乍為嵌入秘密信息后的隱 秘圖像的像素灰度值。 2秘密信息的提取
在秘密信息提取時，按照圖1 (a)的方法，把所述s去掉右數(shù)第二位&， 轉(zhuǎn)化為7位二進制數(shù)s'，并用所述s的右數(shù)第二位^替換與^對應的輔助像 素值a的右數(shù)第一位，轉(zhuǎn)化為8位二進制數(shù)l。然后，提取所述^'的最低比 特位為第一位秘密信息^， /(A})為第二位秘密信息附2。最后，用嵌入過 程中信息置亂操作所采用的偽隨機數(shù)序列將提取出的秘密信息還原為原始秘
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3算法分析
(1) 嵌入容量
以8位灰度圖像為例，AP—LSB嵌入是將兩位秘密信息同時嵌入到一個 像素中，這樣嵌入容量就等于載體圖像像素個數(shù)的1/4。簡單LSB嵌入是將 秘密信息一位一位嵌入到每個像素中，其嵌入容量為載體圖像像素個數(shù)的 1/8。而DP一LSB嵌入方法則是將兩位秘密消息分別嵌入到兩個像素中，同樣， 其嵌入容量只有載體圖像像素個數(shù)的1/8。由此可見，三種隱寫算法中 AP—LSB嵌入容量為另兩種算法的兩倍。
(2) 直方圖影響比較
假設(shè)載體圖像像素灰度值與輔助像素灰度值己經(jīng)過變換，即已得到
);對于待嵌入的秘密信息 附l ，附2 o
根據(jù)上述嵌入原理，輔助像素"'的最低比特位化(即原載體像素的次最低比特位)被修改的概率為
p =尸(A = Wi )尸(/(; '，, ) ( 3 )
式中，/函數(shù)與式2—致。
由于秘密信息已經(jīng)歷偽隨機化，因此其"0"、 "1"個數(shù)近似相等，從而有 =附1)=尸(/0',"')-^2)=0.5 (4)
依(3)式得尸=0.25。
由此可推論，若將兩位秘密信息同時嵌入到一個像素二進制值的最低兩 位就會很大程度上提高算法的嵌入率，而對圖像本身的改變不大。
圖2列舉了樣本圖片經(jīng)幾種典型隱寫操作后的直方圖統(tǒng)計特性變化。圖 2 (a)為載體圖像的直方圖，(b)為DP_LSB嵌入后圖像的直方圖，(c)為 AP—LSB嵌入后圖像的直方圖，(d)為簡單LSB嵌入后圖像的直方圖。比較 嵌入前后直方圖的變化可見，本發(fā)明所述方法的直方圖的變化是最小的。
(3) 嵌入效率
在圖像隱寫中，載體利用率為嵌入容量與載體像素個數(shù)之比，嵌入效率 為每個像素的修改概率與該像素可以平均嵌入的比特數(shù)之比。
在秘密信息中"0"、 "1"的個數(shù)近似相等的情況下，可以計算出AP—LSB 嵌入、DP—LSB嵌入和簡單LSB嵌入對每個像素的修改率分別為3/4、 3/8、 1/2，載體利用率分別為200%、 100°/。、 100%,嵌入效率分別為8/3、 8/3、 2。顯然，AP—LSB嵌入與DP一LSB嵌入效率相同，比簡單LSB嵌入要高，
而載體利用率則提高了一倍。
(4) 安全性
相比較簡單LSB嵌入和DP_LSB嵌入兩種隱寫算法，AP一LSB隱寫算法 在嵌入過程中不僅采用偽隨機序列置亂秘密信息位，而且利用隨機序列生成 輔助像素，增加了算法的加密強度。由于偽隨機序列難以通過逆向求解獲得， 增加了從隱秘圖像中提取秘密信息的難度。因此，達到了提高算法抗攻擊能 力的目的。
權(quán)利要求
1、基于輔助像素的圖像隱寫處理方法，包括信息嵌入方法和信息提取方法，其特征是所述信息嵌入方法的步驟如下，(1)信息置亂生成與二進制比特流形式的原始秘密信息長度一致的偽隨機數(shù)序列，用所述偽隨機數(shù)序列對原始秘密信息的比特流進行隨機化，作為待嵌入的秘密信息位；(2)輔助像素生成利用偽隨機數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生一個8位偽隨機數(shù)序列，作為輔助像素灰度值(a)。所述輔助像素灰度值(a)和載體圖像的每個像素灰度值(p)一一對應；(3)信息位轉(zhuǎn)換對所述輔助像素灰度值(a)和載體圖像的像素灰度值(p)進行變換，即把載體圖像的每個像素灰度值(p)去掉右數(shù)第二位(p1)，轉(zhuǎn)化為7位二進制數(shù)p′，并用所述載體圖像的像素灰度值(p)的右數(shù)第二位(p1)替換對應輔助像素灰度值(a)的右數(shù)第一位，使輔助像素灰度值(a)轉(zhuǎn)化為8位二進制數(shù)a′；(4)信息嵌入操作待嵌入的第一位秘密信息為m1，待嵌入的第二位秘密信息為m2，采用函數(shù)式中x，y表示經(jīng)信息位轉(zhuǎn)換后的像素灰度值；如果m1等于p′的最低比特位，且m2不等于f(p′，a′)，則p″＝p′，a″＝a′+1；如果m1等于p′的最低比特位，且m2等于f(p′，a′)，則p″＝p′，a″＝a′；如果m1不等于p′的最低比特位，且m2等于f(p′-1，a′)，則p″＝p′-1，a″＝a′；如果m1不等于p′的最低比特位，且m2不等于f(p′-1，a′)，則p″＝p′+1，a″＝a′；(5)隱秘圖生成把所述a″的右數(shù)第一位插入所述p″的右數(shù)第一位和右數(shù)第二位之間，得到8位二進制數(shù)s，所述s為嵌入秘密信息后的隱秘圖像的像素灰度值；所述信息提取方法的步驟如下，(1)把所述s去掉右數(shù)第二位(s1)，轉(zhuǎn)化為7位二進制數(shù)s′，并用所述s的右數(shù)第二位(s1)替換與s相對應的輔助像素灰度值(a)的右數(shù)第一位，使輔助像素灰度值(a)轉(zhuǎn)化為8位二進制數(shù)A′；(2)提取所述s′的最低比特位為第一位秘密信息(m1)，f(s′，A′)為第二位秘密信息(m2)；(3)采用所述信息置亂操作中所采用的偽隨機數(shù)序列把提取出的秘密信息還原為原始秘密信息。
2、 如權(quán)利要求1所述的基于輔助像素的圖像隱寫處理方法，其特征是， 所述輔助像素灰度值為利用偽隨機序列生成的0到255之間的整數(shù)8位二進 制數(shù)形式。
3、 如權(quán)利要求1所述的基于輔助像素的圖像隱寫處理方法，其特征是， 所述載體圖像的像素灰度值為0到255之間的整數(shù)8位二進制數(shù)形式。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于輔助像素的圖像隱寫處理方法，將兩位秘密信息同時嵌入到載體圖像的一個像素中。其方法是，用偽隨機數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生0-255之間的整數(shù)偽隨機數(shù)作為輔助像素灰度值，將兩位秘密信息嵌入到載體圖像像素灰度值和輔助像素值中，然后再將該輔助像素值中的信息轉(zhuǎn)換到載體圖像像素值中。本發(fā)明的優(yōu)點是將兩位秘密信息同時嵌入到一個像素中，嵌入容量得到的很大的提高；在保持一定嵌入效率的同時，提高了載體利用率；在嵌入過程中采用偽隨機序列置亂隱秘信息和生成輔助像素，使該算法有了更好的加密能力；同時，也增加了從隱秘圖像中秘密信息的提取難度，達到了提高算法抗攻擊能力的目的。
文檔編號G06T1/00GK101452569SQ200810235758
公開日2009年6月10日 申請日期2008年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月5日
發(fā)明者周治平, 輝 康, 惠卯卯 申請人:江南大學