基于小波域的自适应信息隐藏算法

马林, 赖惠成

(新疆大学,新疆 乌鲁木齐 830046)

0 引言

信息隐藏技术是在当今英特网和多媒体等技术迅猛发展的基础上发展起来的一项信息安全技术。经过十余年的发展,人们提出了多种信息隐藏算法,每种算法都有各自的优缺点。文献[1]对信息隐藏技术的基本原理、系统设计的要求、数字图像信息隐藏的典型算法进行了介绍。由于小波理论本身的研究日趋完善,小波多尺度分析方法的应用愈来愈广泛,使得小波域中的信息隐秘技术成为近年来的研究热点。文献[2]提出了一种基于小波域自适应嵌入数字水印的算法。该方法利用小波多分辨率的特性,结合图像和人眼的特性实现信息的隐藏。文献[3]提出了一种基于混沌序列和幻方变换的数字图像加密算法。该算法对密钥敏感,具有较好的统计特性和较强的抗干扰能力。文献[4]提出了一种在小波域通过纹理分析将图像划分成不同的区域,在不同的区域嵌入不同的比特数。此算法未考虑秘密图像比特信息对载体图像小波系数比特信息的改变程度,从而使隐蔽性大打折扣。利用位面复杂度来选择用于嵌入信息的位面小块,使秘密信息的位面小块和载体小波系数位面小块的复杂度较为相似,致使对载体小波系数比特位的改变程度降到最低。这里算法要求在小波变换及逆变换过程中不能丢失信息,否则会导致提取信息的丢失。所以采用了第二代小波变换的整数形式,并且选择了CDF(2.2)作为小波基。

1 秘密信息预处理

对于 YCbCr颜色模型,其颜色信息主要分布在 Y分量,对色度分量的修改对图像影响不大,将色度分量分成 2*2的小块,用每个小块的均值构成新的矩阵,达到压缩的目的。信息恢复之后,每个 2*2小块的 4个元素都用对应的均值来表示。

由于幻方变换只能使图像块内的像素在块内移动,致使置乱的结果仍可以看见原始图像的轮廓[5]。虽然现采用 17阶的幻方矩阵,结果还是不太理想。所以对秘密图像进行两次幻方变换,第一次变换针对秘密图像位平面进行 17阶变换,并且对每个位平面使用不同的变换次数;第二次变换将位平面划分成位面小块,对块与块之间进行 17阶变换。最终得到了比较理想的效果。

文献[6]提出的位平面复杂度分割算法未考虑位平面特性。从位平面特性得知：位面越高,位面小块复杂度(相邻像素对中取值不同的像素对数目)越低。这将导致秘密图像的高位面的位面小块几乎都要做共轭处理才能嵌入。这将使记录共轭处理的位面小块的数据量增大,而且共轭处理的位面小块的复杂度接近最大值 Cmax(棋盘状位面小块的复杂度),进行嵌入时,对载体图像位面小块的改动较大,势必会影响隐蔽性。文献[7]提出了一种彩色数字图像的混沌加密和解密方法。该方法利用了混沌动力系统对初始条件敏感,具有白噪声的统计特性来去除像素之间的相关性实现对图像的加密。利用 logistic映射将秘密图像的每个像素的二进制比特进行混沌置乱,且对每个像素使用不同的初始值,目的就是去除不同位面相邻比特之间的相关性,使得嵌入时,对载体图像位面小块的改动较小。

秘密图像预处理流程图如图 1所示。

图 1 秘密图像预处理

2 算法实现

2.1 载体图像直方图调整

在小波域进行图像数据嵌入时,对小波系数的改变容易使逆变换后的灰度发生“溢出”,需对载体图像直方图进行调整。采用的方法使得原始图像灰度值的取值范围从[0,255]调整为[11,244],避免“溢出”发生。具体介绍如下。

在像素值区间[0,22],将像素值为 21的像素全部加 1,像素值变为 22,然后将像素值为 20的像素全部加 1,最后将像素值为 0的像素全部加 1,第一轮过后,像素值为 0的像素个数为 0;第二轮将[1,21]按照同样的方法,使像素值为 1的像素个数为 0。经过十一轮的移动,像素值区间[0,10]的像素个数为 0,达到了像素值调整的目的。在像素值区间[233,255]上采用同样的方法最终使得像素值区间[245,255]的像素个数为 0。

2.2 信息嵌入

该本算法在小波域结合纹理分析和位面复杂度自适应地在低频子带中实现信息隐藏。低频子带保留原始图像的主要信息,其纹理特征和原始图像一致,并且YCbCr色彩空间的Y分量与R.G.B分量有相同的纹理特性[4]。所以可以对Y分量低频子带进行纹理分析,然后根据纹理特性在 LR◦LG◦LB中嵌入信息。纹理分析时,利用信息熵划分平滑区和非平滑区,以及变异系数划分纹理区和边缘区[4],完成将图像划分成三类。

①信息熵H定义如下：

其中,N表示图像块不同像素个数,P(aj)表示不同像素 aj出现的概率;

②方差及变异系数定义如下：

由HVS的特性可以决定平滑区、边缘区、纹理区嵌入强度：1bit,2 bit,3 bit。将LRLGLB位平面分成 3*3的位面小块,属于平滑区、边缘区、纹理区的系数块分别计算第 2,第 2、3,第 2、3、4位面小块的复杂度。大于 a Cmax(a为位面小块划分参数)的位面小块用于信息的嵌入。计算秘密图像 3*3位面小块复杂度,大于 a Cmax的位面小块直接替换用于信息嵌入的位面小块,否则,将该位面小块与复杂度为Cmax棋盘状位面小块进行共轭,再进行嵌入,并且记录哪些位面小块做过共轭处理,同秘密信息一起嵌入到载体图像中。信息嵌入流程图 2如下。

图 2 信息嵌入过程

2.3 信息提取

提取过程时嵌入过程的逆过程,这里不再阐述。

3 仿真结果与分析

该算法采用 512*512*3的彩色图形 lena作为载体图像,102*102*3的彩色图像 boy作为秘密图像。在图像区域划分时,需确定两个参数：①平滑区与非平滑区的界限y1=2.2;②纹理区与边缘区的界限y2=7。位面小块划分参数选择 a=0.45。参数与嵌入量的关系如表 1所示：

表 1 参数与嵌入量的关系 单位：位面个数

3.1 秘密图像预处理结果

文献[8]提出图像信息主要分布在亮度(Y)分量上,对色度(Cb,Cr)分量的修改不会对图像的效果产生大的影响,这就使得对色度(Cb,Cr)分量的压缩成为可能。对秘密图像三分量分别进行色度冗余压缩(针对 Cb、Cr分量)、幻方变换、混沌置乱,得到加密图像。解密时,采用同样的初始参数恢复原始图像,如图 3所示。

图 3秘密图像预处理结果

3.2 信息嵌入结果

如图 4所示,图4(a)为载体图像,图 4(b)为载密图像,利用加权信噪比 WSNR对图像质量的评价,WSNR=51.065 7。虽然文献[4]在小波域低频系数中进行纹理分析确定嵌入强度,但是在信息嵌入时未考虑秘密信息比特对载体图像小波系数比特位的改变程度,从而在隐蔽性方面就会大打折扣。而结合纹理分析和位面复杂度来选择用于嵌入信息的位面小块,使秘密信息的位面小块和载体小波系数位面小块的复杂度较为相似,致使对载体小波系数比特位的改变程度降到最低。表 2对文献[4]提出的算法和这里提出的算法进行比较。为公平起见,图像块规定为 3 3,y1=2.2,y2=7。

图 4 载体图像和载体图像比对

表 2 算法比较

3.3 信息提取结果

如图 5所示,图 5(c)是提取出的秘密图像经过解密后得到的图像,WSNR=65.455 1。由于这里算法采用纹理分析和位面复杂度来嵌入信息,可以做到盲提取以及比特错误率为零的信息提取。提取图像唯一的失真来源于色度冗余压缩。

图 5 秘密图像及恢复结果

4 结语

提出的基于小波域的自适应彩色信息隐藏算法,人眼无法分辨出将秘密图像隐藏在载体图像前后的视觉差别。由于这里算法在小波域的低频子带上实现,为了避免对低频系数的过分改变而导致图像质量的下降,对 YCbCr色彩空间的LY进行纹理分析,以及利用 LRLGLB位面小块的复杂度来确定LRLGLB的嵌入强度及嵌入位置。实验结果证明,该算法不仅具有理想的嵌入容量,而且隐蔽性也较好。

[1]孙悦,孙洪.数字图像信息隐藏技术[J].通信技术,2001(07)：71-73.

[2]范鹏,田间,何登平.一种基于小波变换的自适应数字水印算法[J].通信技术,2007,40(11)：336-338.

[3]李太勇,吴江.一种基于混沌序列和幻方变换的数字图像加密算法[J].网络安全技术与应用,2006(05)：91-92.

[4]王媛媛,俞一彪.基于小波域纹理分析的图像自适应信息隐藏[D].苏州：苏州大学,2008.

[5]王东梅,黄琳,王金荣.幻方变换加密数字全息图[J].浙江工业大学学报,2007,35(01)：116-118.

[6]张新鹏,王朔中.对空域 BPCS密写的统计分析[J].计算机辅助设计与图形学学报,2005,17(07)：1625-1629.

[7]张定会,潘永华,张兴华,等.彩色数字图像的混沌加密和解密方法研究[J].通信技术,2009,42(01)：245-247.

[8]邢赛鹏,平西建.一种基于图像色度冗余的信息伪装算法[D].郑州：中国人民解放军信息工程大学,2006.