基于水印技術(shù)的大容量信息隱藏算法研究

1、基于水印技術(shù)的大容量信息隱藏算法研究沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué),201104,42(2):254256JournalofShenyanAriculturalUniversity,201104,42(2):254256基于水印技術(shù)的大容量信息隱藏算法研究黃力(柳州職,3k技術(shù)學(xué)院信息工程系,廣西柳州545006)摘要:為了在普通的通信環(huán)境中傳遞保密信息,提出了基于水印嵌入技術(shù)原理的信息隱藏算法.算法設(shè)計(jì)中以模運(yùn)算為基礎(chǔ),將待隱藏的信息嵌入至原始圖片的DCT系數(shù)中,采用率失真最優(yōu)化的分析方法,控制信息隱藏過(guò)程中對(duì)原始圖片的變形影響,盡可能地在一個(gè)圖片中嵌入更多的隱藏信息.經(jīng)過(guò)測(cè)試分析表明:在視覺(jué)允許的失真條件下

2、,每個(gè)DCT數(shù)據(jù)塊可以嵌入1個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)量關(guān)鍵詞:信息隱藏;數(shù)字水印;失真;算法中圖分類(lèi)號(hào):TP309.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):10001700(2011)02025403LargeCapacityInformationHidingAlgorithmBasedonWatermarkTechnologyHUANGLi(DeptofInformationEngineering,LiuZhouVocational&TechnicalCollege,LiuzhouGaungXi545006,China)Abstract:Inordertotransmitprivacyinformationi

3、ntheordinarynetworkenvironment,theinformationhidingalgorithmbasedonwatermarkembeddingtechnologywasproposed.Thisalgorithmwasdesignedwiththemoldoperationasthefoundation.ItcouldembedthehideawayinformationtotheprimitivepictureDCTcoefficient,withtheuseofdistortedoptimizationanalysismethodtoc0ntrolthedist

4、ortioninfluencetotheprimitivepictureSOthatmuchinfeIrmationcouldbeembeddedinapicture.Testsindicatethatunderthevisua1permissiondistortedcondition.eachDCTblockdatamayinsert1byteofdata.Keywords:informationhiding;digitalwatermark;distortion;algorithm基于DCT變換的數(shù)字水印嵌入算法具有較好的信息嵌入能力,水印的魯棒性也有保障,然而嵌入了水印后的圖像序列會(huì)泄漏

5、圖像的變化情況.直接采用水印算法作為信息隱藏算法,其安全性還有待提高.目前研究比較成熟的信息隱藏算法主要有奚玲l3l提出的基于相鄰灰度值對(duì)互補(bǔ)嵌入的LSB匹配隱寫(xiě)改進(jìn)算法,該算法是一種非常典型的基于LSB的信息隱藏算法.JSTEG隱寫(xiě)算法41將秘密消息嵌入在量化后的DCT系數(shù)上,實(shí)現(xiàn)信息隱藏的目的.CHEN等l5l提出了一種通過(guò)修改量化表,實(shí)現(xiàn)信息隱藏的目的,這種方法由于拓展了信息隱藏的位置,具有較好的應(yīng)用效果.這些信息隱藏算法歸納起來(lái),主要分為L(zhǎng)SB類(lèi)算法和DCT類(lèi)算法.前者LSB算法基本原理是將信息隱藏在圖像的LSB位上,后者則是將信息隱藏在DCT系數(shù)中.通過(guò)對(duì)目前的隱寫(xiě)分析算法進(jìn)行研究采

6、用統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)LSB類(lèi)算法具有較好的攻擊效果6-7,而采用差分直方圖方法可以對(duì)DCT類(lèi)算法隱藏的信息進(jìn)行提取【.為了提高信息隱藏的深度,可以通過(guò)增加隱藏信息的位置,以達(dá)到提高信息隱藏深度的效果.因此,本研究設(shè)計(jì)的隱寫(xiě)算法以二進(jìn)制的比特流的形式,嵌入一系列待隱藏的數(shù)據(jù)嵌入到JPEG壓縮的圖像中.并完全覆蓋該區(qū)域的原始圖像.這種方法可以在沒(méi)有原始圖像的情況下,照樣能夠提取出隱藏的信息.1信息隱藏算法的設(shè)計(jì)1.1信息隱藏的處理流程基于數(shù)字水印技術(shù)的信息隱藏嵌入流程如圖1.首先把圖像分成8*8像素?cái)?shù)據(jù)塊,然后將每一個(gè)像素塊被DCT轉(zhuǎn)換成一個(gè)頻率系數(shù)矩陣.再對(duì)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行量化處理,每個(gè)系數(shù)被四舍五人到最

7、接近的那個(gè)整數(shù)值,量化的過(guò)程可能引入一些量化誤差.四舍五入后,每個(gè)數(shù)據(jù)塊的DCT系數(shù)總和產(chǎn)生奇偶校驗(yàn)狀態(tài).嵌入比特時(shí),可通過(guò)調(diào)整DCT系數(shù)實(shí)現(xiàn)收稿日期:2011一【1128基金項(xiàng)目:廣西高校2010年優(yōu)秀人才資助計(jì)劃項(xiàng)目(A2010141號(hào));廣西科技廳科技攻關(guān)項(xiàng)目(桂科攻08150036)作者簡(jiǎn)介:黃力(1968一),男,柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授,碩士,從事信息安全研究第2期黃力:基于水印技術(shù)的大容量信息隱藏算法研究255為了隱藏個(gè)比特,此處用模數(shù)2N代替用奇偶校驗(yàn).這樣要么通過(guò)任意一個(gè)可用比特與任何三個(gè)系數(shù)的組合在系數(shù)之和加上3,要么通過(guò)減少任意一個(gè)系數(shù)從系數(shù)總數(shù)減去一個(gè)比特.因此,為了嵌入

8、個(gè)比特到一系列2N個(gè)系數(shù),加上的預(yù)計(jì)數(shù)目通過(guò)量化的DCT系數(shù)之和方程式(1)得出:(預(yù)期狀態(tài)一原始狀態(tài))模數(shù)2,(1)減去的預(yù)計(jì)數(shù)目通過(guò)量化的DCT系數(shù)之和方程式(21得出:曲=(原始狀態(tài)一預(yù)期狀態(tài))模數(shù)2,(2)這里原始狀態(tài)是調(diào)整前的DCT系數(shù)之和,通過(guò)方程式(3)估算:885原始圖像=D忡=l=I式中:D,(,)為量化前的DCT系數(shù).(3)另一方面,預(yù)期狀態(tài)是調(diào)整后的DCT系數(shù)之和,通過(guò)方程式(4)估算:88s預(yù)期圖像:u=1=1式中:)為變換的DCT系數(shù).圖1基于數(shù)字水印技術(shù)的信息隱藏嵌入流程Figure1Theinformationhidingembeddingprocedurebas

9、edOHdigitalwatermarkingtechnology(4)1.2在數(shù)據(jù)塊系數(shù)上的信息嵌入過(guò)程系數(shù)的嵌入過(guò)程是本算法的設(shè)計(jì)一個(gè)關(guān)鍵,本研究用拉格朗日最優(yōu)化算法描述選擇要改變的系數(shù)的原理.最理想的率失真限制系數(shù)變換問(wèn)題可以用如下公式表達(dá).如果G是在數(shù)據(jù)塊i的量化DCT系數(shù),.si是變換后的量化DCT系數(shù).那么色是沒(méi)有量化的DCT系數(shù)和是沒(méi)有量化變換的DCT系數(shù),計(jì)算公式為:f羔,季J】【=1JJv條件:R(Si)尺.)(5)i=】式中:為期待框架下的比特率;D(a,自為原始系數(shù)塊和保有的系數(shù)塊的失真變形.變形測(cè)量本研究采用均方誤差MSE計(jì)算,而MSE是根據(jù)沒(méi)有量化的DCT系數(shù)計(jì)算得到

10、.D(,J=,e)一)】(6)式中:a(,)和妻(,)分別為在原始數(shù)據(jù)塊和變換數(shù)據(jù)塊中沒(méi)有量化的AC系數(shù);為在這個(gè)框架里的系數(shù)塊的數(shù)量;R(Si)為根據(jù)系數(shù)塊的運(yùn)行對(duì)和水平對(duì)得出的碼組速率.如果定義一個(gè)價(jià)值函數(shù))為:N)=22(Ci,Sz)+AR(S1)(7)i=1該式就是最小值J(A):.,(脅)(A)=D(e,SD+AR(S)】J(8)入是速率控制參數(shù),需滿(mǎn)足條件:R(S-Rtmge(9)i=l根據(jù)上述的嵌入算法,可以得出DCT系數(shù)需要變換從而嵌入水印.當(dāng)附加失真變形是最小限度的以及可以獲得率壓縮時(shí).系數(shù)變換是有利的.在每一個(gè)DCT數(shù)據(jù)塊,對(duì)所有可能的變換的DCT系數(shù)組合都計(jì)算失真率,然后

11、繪制覆蓋圖計(jì)算Nadd和Nsub.1.3基于水印技術(shù)的隱寫(xiě)信息提取流程基于水印技術(shù)的隱寫(xiě)信息提取流程如圖2.在水印的提取過(guò)程中,在熵編碼之后需要計(jì)算DCT數(shù)據(jù)塊的256?沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)第42卷DCT系數(shù)之和,然后計(jì)算這些和的模數(shù)2N,N是每個(gè)DCT數(shù)據(jù)塊的嵌入比特?cái)?shù)目,計(jì)算結(jié)果是數(shù)值代表了嵌入的比特.2隱寫(xiě)算法的性能分析為了檢測(cè)提出的水印計(jì)算方法.本研究用多個(gè)不同尺寸的圖像進(jìn)行了測(cè)試,檢測(cè)隱寫(xiě)算法的隱寫(xiě)效果.首先是檢測(cè)該隱寫(xiě)算法的對(duì)圖片的視覺(jué)的影響效果.通過(guò)對(duì)兩幅圖片進(jìn)行對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)直觀上幾乎無(wú)法分辯.只有對(duì)兩幅圖片的象素進(jìn)行對(duì)比,才能發(fā)現(xiàn)細(xì)微的差別.隨著嵌入的信息數(shù)量不同,對(duì)圖像的影響也不盡

12、相同,為此,本研究對(duì)嵌入的信息量進(jìn)行了峰值信噪比PSNR測(cè)試.測(cè)試結(jié)果如圖3.3結(jié)論本研究主要研究了一種在圖片失真率較低的條件信息隱藏算法.該算法的主要特點(diǎn)在于通過(guò)研究數(shù)字水印嵌入過(guò)程中的率失真最優(yōu)化的方法,有效地控制了隱蔽信息嵌入后導(dǎo)致的圖像失真變形的問(wèn)題.提高了的信息嵌入的容量.隱蔽信息嵌入過(guò)程中,用戶(hù)可以靈活地將待保護(hù)的信息通過(guò)自適性或者非自適性方式嵌人到原始圖片中的特定位置.在對(duì)算法的測(cè)試結(jié)果也表明,在視覺(jué)允許的失真條件下,每個(gè)DCT數(shù)據(jù)塊可以嵌入1個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)量參考文獻(xiàn):1徐凱平,鄭洪源,丁秋林.一種基于LSB和PVD的圖像信息隱藏方法研究【J.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2010(3):106

13、81070,1082.【2】張顯全,孫容海,祝英俊.一種大容量的信息隱藏方法【JJ.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2010,46(23):122125.圖2基于水印技術(shù)的隱寫(xiě)信息提取流程Figure2Thehiddeninformationextractionprocedurebasedonwatermarktechnology20406080l00I20嵌入的信息量(寧)EnlhI1fI(1f1It圖3不同嵌入比特?cái)?shù)目情況下的峰值信噪比PSNR結(jié)果Figure3ThePSNRunderthecircumstanceofembeddeddifferentbitsnumber【3】奚玲,平西建,張濤.基于相

14、鄰灰度值對(duì)互補(bǔ)嵌入的LSB匹配隱寫(xiě)改進(jìn)算法【J.計(jì)算機(jī)科學(xué),2010,37(9):101104.【4】HSUCT,WUJL.HiddendigitalwatermarksinimagesJ.IEEETrans.OnImageProcessing,1999,8:5856.5】CHENCC,CHENTS,CHUNGLT.AsteganographicmoodbaseduponJPEGandquantizationtablemodificationJ.InformationScience,2002,141:123一l38.【6】鐘尚平,郭文忠,陳羽中,等.對(duì)基于小波對(duì)比度和LSB逐層隱寫(xiě)方法的分析J】_/j,型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng),2010(7):l3151322.【71趙世為,潘曉中.基于統(tǒng)計(jì)特征的JPE