（电路与系统专业论文）数字图像自嵌入方法研究.pdfVIP

摘要 摘要 多媒体信息的广泛应用使数字图像和视频的安全性越来越受到关注，媒体 的完整性是其一个重要方面；自嵌入技术将媒体信息嵌入到自身中，在证据保 全和信息传输等方面有重要用途。研究图像和视频的自嵌入方法有一定的理论 意义及实际应用前景。 本论文的主要研究工作有： 在j f d d r i c h 等人方法的基础上，给出了一种基于图像压缩的自嵌入方 法；该方法使用矩阵嵌入算法，将图像的压缩信息交叉嵌入到原图像中，减少 了数据隐藏对图像质量的影响，达到了较好的效果。 2 针对嵌入容量的要求，提出一种基于l s b 容量扩展的数据隐藏方法； 将隐藏位置扩展到高层位平面，使用无损的隐藏算法；在保证图像质量的情况 下，增加了嵌入容量，在一定程度上解决了自嵌入容量的问题。 3 给出了一种压缩域图像和视频的自嵌入方法；用基于图像半色调化的方 法减少图像或视频的数据量，将压缩后的数据嵌入到原载体中；使用了无损隐 藏算法，可完全恢复原始图像或视频；该方法可用于因网络不稳定而导致媒体 缺损的修复。 4 设计并完成了基于无损数据隐藏的数字图像自嵌入软件系统，可用于检 测、修补证据保全和信息传输中的缺损图像；该系统操作简便、运行良好。 本文主要研究空域和压缩域的自嵌入方法，完成了相应的自嵌入软件系统。 今后，将进一步研究提高自嵌入容量的方法，抗检测分析等提高嵌入信息安全 性的方法等。 关键词：自嵌入方法，数字图像，数字视频，数据隐写，证据保全，通信传输， 矩阵嵌入，错误隐藏 v a b s t r = c t a b s t r a c t t o d a y , p e o p l ep a ym o r ea t t e n t i o nt os a f e t yo fi m a g e & v i d e oa st h ew i d e u s eo fm u l t i m e d i a m e d i ai n t e g r a l i t y , o n eo ft h es a f e t yp r o b l e m s 。i sv e r y i m p o r t a n t s e l f - e m b e d d i n gt e c h n o l o g y , h i d i n go w ni n f o r m a t i o n i ni t s e f f ， p e r f o r m sav i t a lr o l ei ne v i d e n c ep r e s e r v a t i o na n di n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h ep o i n t sb e l o w ： 1 am e t h o do fs e l f - e m b e d d i n gb a s e do ni m a g ec o m p r e s s i o ni sp r e s e n t e d a b o v ef d d d c h sm e t h o d m a t d xe m b e d d i n ga l g o r i t h mi su s e di nd a t ah i d i n g w h i c hr e d u c e dd a t am o d i f i c a t i o no ft h ec o v e ra n da c h i e v e dg o o dr e s u l t s 2 a st h el a r g er e q u i r e m e n t so fe m b e d d i n gc a p a c i t y , d a t ah i d i n gm e t h o do f l s be x t e n s i o ni sp r e s e n t e d l o s s l e s se m b e d d i n gc a p a c i t yo fh i g hb i t - p l a n e s i sb o r r o w e da sa ns u p p l e m e n ti ns e r f - e m b e d d i n g t h i sm e t h o d r e s o l v e dt h e c a p a c i t yp r o b l e mi naw a y 3 m e t h o do fs e l f - e m b e d d i n gi nc o m p r e s s e di m a g ea n dv i d e oi ss t u d i e d b yt h em e t h o do fi m a g eh a l f t o n i n g ，i m a g eo rv i d e op i c t u r e sa r ec o n v e r t e dt o b i n a r yi m a g e sa n de m b e d d i n gi n t oi m a g eo rv i d e oi t s e f f w h e ne m b e d d i n g ， i o s s l e s se m b e d d i n gm e t h o di su s e d t h i sm e t h o di ss u i t a b l ef o rr e c o v e r i n g i n c o m p l e m e n tm e d i at r a n s m i t t e di nt h eu n s t e a d yn e t w o r ke n v i r o n m e n t s 4 t h es y s t e mo fd i g i t a li m a g es e r f - e m b e d d i n gi sd e s i g n e da n dr e a l i z e d 。 w h i c hc a nb eu s e di ne v i d e n c ep r e s e r v a t i o na n dc o m m u n i c a t i o nt r a n s m i s s i o n a n di t se a s yt oo p e r a t e t h i sd i s s e r t a t i o n m a i n l yf o c u s e d o n s e r f - e m b d d i n g i n s p a t i a l a n d n o n s p a t i a lt y p e so fi m a g e & v i d e o f u r t h e rr e s e a r c ha b o u ta n t i - s t e g a n a l y s i s a n de n h a n c i n gh i d i n gc a p a c i t yw i l lb ec o n t i n u e di nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：s e l f - e m b e d d i n g ，d i g i t a li m a g e ，d i g i t a lv i d e o ，e v i d e n c e p r e s e r v a t i o n ，c o m m u n i c a t i o nt r a n s m i s s i o n ，s t e g a n o g r a p h y v l 图表索引 图表索引 图 图2 1 图2 2 图2 ，3 图3 1 图3 2 图4 ， 图4 2 图4 3 图4 4 图5 1 图5 ，2 图5 3 图6 1 图6 2 图6 3 图6 4 图6 5 图7 1 图7 2 图7 3 图7 4 图7 5 图7 6 图8 1 图8 2 图8 3 图8 4 圈8 ，5 图8 6 图8 7 图8 8 图8 9 图8 1 0 图8 1 1 图8 1 2 图像验证和恢复示例8 偏移位置编码方法1 1 2 x 2 数据单元1 4 标准e d f 流程图1 7 w i n h d 框图1 8 自嵌入信息的产生和嵌入2 1 损坏自嵌入图像的恢复2 5 自嵌入图像的篡改及恢复2 5 大面积缺损自嵌入图像的恢复一2 6 置乱前各子块嵌入容量分布2 9 置乱后各子块嵌入容量分布，2 9 l s b 扩展的图像自嵌入与恢复3 2 j p e g 图像的无损自嵌入方法3 5 自嵌入j p e g 图像的数据提取与恢复3 5 图像的无损自嵌入及恢复3 7 大面积受损的图像修复，3 8 传输时受损图像的修复3 9 i s o i e c1 3 8 1 简化的总体框图4 3 图m p e g - 2 视频流层结构4 4 m p e g - 2 视频无损自嵌入方法4 5 s d l 结构4 6 m p e g 一2 视频自嵌入4 8 自嵌入视频帧的修复4 9 二值图像中的数据隐藏5 2 t s e n g 等人的方法5 3 边界修改法修改模式5 4 边界修改法原理框图5 4 二值图像中信息隆藏的框图5 8 交叉连续分块方法6 0 彩色图像中信息摩藏的框图6 2 二值图像中隐藏图像6 4 二值图像中的隐藏文字6 5 二值文档图像中的隐藏文字6 6 r g b 图像中隐藏文字，6 7 r g b 图像中隐藏图像6 8 l | i 图表索引 i i 表 表4 几种方法的峰值信噪比对比2 7 表5 1 几组图像自嵌入方法的实验数据一3 2 表6 1本文方法与a d s u m i l l i 方法的比较3 9 表7 1不同视频的实验相关数据一4 9 表8 1二值图像实验数据比较。6 5 表8 2彩色图像实验数据比较6 8 w 中国科学技术大学 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文。是本人在导师指导下进行研究工 作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对 本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即： 学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名： 刹参7 年f ， ， 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 电子计算机和网络技术的发展，使得图像和视频的传播和应用变得日益广 泛。数字媒体容易被多种工具编辑、修改并传播，因此可能出现数字媒体被人 为破坏，或者因传输环境不稳定而出现损坏等情况。不完整性可能会带来许多 问题：数字录像被蓄意修改导致事情的真相颠倒；通信传输中，不稳定的网络 环境可能导致接收到的图像或视频变得难以分辨；作为法庭证据的照片如果被 恶意地修改后就可能扭曲法律事件的真实面貌；新闻发布网站需要确认所发布 的图像是否属实；等等【1 1 。因此数字媒体的真实性和完整性就显得尤为重要， 图像和视频的自嵌入技术就是在此基础上发展起来的一种技术。 自嵌入技术( s e l f e m b e d d i n g ) ，将数字媒体自身的信息，使用数据隐藏的 方法，嵌入到媒体自身中( 自嵌入并不影响媒体人的感观效果) ；当数字媒体被 人为篡改或者在传输中缺损时，通过从媒体中提取出自身信息，可以验证并近 似恢复原始媒体。在证据保全、网络传输、法庭证据、新闻传媒、金融保险等 方面，图像自嵌入方法均有着积极的意义。本文主要研究数字图像和视频的自 嵌入方法，它涉及到媒体信息压缩、数据隐藏等方面的技术。 在图像和视频的信息压缩方面，出现了多种成熟的高压缩率及高压缩质量 的多媒体数据压缩技术。国际标准化组织( i n t e m a t i o n a ls t a n d a r d i z a t i o n o r g a n i z a t i o n 。i s o ) ，国际电子委员会( i n t e m a t i o n a le l e c t r o n i c sc o m m i t t e e ， i e c ) 和国际电信联盟( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ，i t u ) 于2 0 世纪9 0 年代领导制定了许多国际标准。在数字图像方面，制定了j p e g ( j o i n t p h o t o g r a p h i ce x p e r t sg r o u p 。i s o - 1 0 9 1 8 - 1 ) 及j p e g2 0 0 0 标准；在视频方面， 他们h 2 6 1 2 6 3 标准，m p e g ( m o v i n gp i c t u r e se x p e r t sg r o u p ，i s o i e c l l 7 2 ) 标准等。另外，半色调化( h a l f t o n i n g ，d r h e d n g ) 也可有效地压缩原始图像， 它将灰度或彩色图像分解为黑白的二值复合点，并可有效地模拟出原图像的细 节；数字图像半色调化有点扩散( d o td i f f u s i o n ) 、误差扩散法( e r r o rd i f f u s i o n ，e d f ) 等多种方法【2 5 】。 图像或视频的自嵌入技术，有着广阔的应用前景和重要的研究价值。在证 第一章绪论 据保全、通信传输方面，自嵌入方法可有效地确保原始数据的完整性和真实性， 并可从残留信息中获取原始信息以恢复图像中的损坏部分。 1 2 数据隐藏技术的研究发展状况 信息隐藏( i n f o r m a t i o nh i d i n g ) 、数据隐藏( d a t ah i d i n g ) ，也称作隐写术 ( s t e g a n o g r a p h y ) ，是近年来发展较快的一种技术，可追溯到s i m m o n s 在1 9 8 3 年提出的。囚犯问题【6 1 ”和阈下信道p 8 1 。隐藏者在载体( c o v e r ) 媒体中选择对 人眼( 耳) 不敏感的数据作为宿主数据，通过一定的数据嵌入方法，将隐秘数 据嵌入到其中；带有隐秘信息的媒体在传输或使用时，媒体中的秘密信息很难 被发现。 目前的数据隐藏算法有多种，从宿主载体上看有文本、图像、音频和视频 等多种类型。以文本为载体的方法主要基于格式、文法等f g 一15 】。目前较成熟的 数据隐藏方法多以图像为载体 1 6 - 2 6 ，图像数据隐藏主要分为基于空域和基于 频域的隐藏技术；许多已有的信息隐藏工具大多是基于图像为载体的【2 7 3 3 ， 如i n v i s i b l es e c r e t s 、s - t o o l s 和h i d e 4 p g p 等在空域中进行数据隐藏，在频域 进行嵌入的工具如基于j p e g 图像的j s t e g 等。另外，在视频和音频中也有多 种数据隐藏方法，如m p 3 、m p e g - 2 、m e p g - 4 等数据隐藏方法，详见f 3 4 5 0 】。 从嵌入方法上看，目前信息的嵌入方法主要可以分为以下四类方法，位平 面替换法 2 7 。3 2 ，3 3 、扩频法【5 1 5 4 】、量化索引调制法 5 5 - 5 7 】( q i m ) 和基于矩 阵的嵌入方法 5 8 - 6 0 。位平面替换法，在媒体数据的某一个比特位平面上进行 数据嵌入，最常见的嵌入平面是最不重要比特位( l s b ) 法。扩频的信息嵌入 方法最早是由c o x 等人【5 1 】提出的，该方法通过使用待嵌信息的比特位调制伪 随机码的方法，将每一个信息比特冗余的嵌入到载体中。量化索引调制的方法 是由b r i a nc h e n 等人提出的【5 5 】信息隐藏方法，该方法通过对载体信息进行量 化反量化的方法进行信息嵌入。基于嵌入矩阵的方法有着较高的嵌入效率，在 信息嵌入时尽量减少对载体数据的修改，具有代表性的是t s e n gy u - c h e e 5 9 等提出的方法。 从嵌入方法对载体的影响上来看，数据隐藏可分为有损( 1 0 s s ) 隐藏与无 损( i o s s l e s s ) 隐藏两个分支。有损数据隐藏通过修改较少的载体数据，可嵌入 2 第一苹绪论 较多的隐秘信息，在提取信息时，载体数据无法复原，目前多数数据隐藏方法 都属于有损隐藏，如l s b 方法、扩频法等。无损数据隐藏则在提取信息的同时， 可无损地恢复原始媒体。最早的无损数据隐藏方法应该是2 0 0 0 年b a r t o n 的专 利技术【6 1 】。2 0 0 1 年，j f d d d c h 博士提出一些图像和视频中的无损隐藏方法 【6 1 1 。2 0 0 2 年，b a m i 等人给出了一种用于遥感图像的近无损水印嵌入方法【6 2 1 。 同年，c e l i km u 给出了大容量低失真的无损数据嵌入方法【6 3 】。2 0 0 3 年， n a n j 给出了一种基于图像的大容量的无损信息隐藏方法 6 4 。6 5 1 。2 0 0 4 年，a l a t t a r 对t i a n 的算法进行了扩展和改进 6 e ，6 7 1 ，该方法采用整数变换等方法进一步增 加了算法的嵌入容量。此外，t h o d i 等人也在2 0 0 4 年给出了一种基于预测误差 扩展的无损数据隐藏方法f 6 8 1 。2 0 0 5 年，c e l i k 给出了一种广义l s b 无损信息 隐藏算法。2 0 0 6 年，m 使用直方图的零值或最小值样点 6 9 。7 0 进行嵌入。 目前，数据隐藏吸引了国内外研究者的注意，很多大学、研究机构及公司 纷纷开展这方面的研究，并提出了多种数据嵌入方法。嵌入效率( e m b e d d i n g e f f i c i e n c y ) 是一个重要的问题，即如何在载体中尽可能少地修改数据；在某些 信息隐藏系统中，还需要很大的嵌入容量( e m b e d d i n gp a y l o a d s e m b e d d i n g c a p a c i t y ) ，即在载体信息中嵌入较多的隐秘数据。嵌入效率和嵌入容量，是研 究者们关注的对象。另外，数据隐藏大多集中在灰度图像、彩色图像及视频中， 对于二值图像的研究相对较少。在电子签名、数据传真、条码识别等方面，二 值图像都有着重要的作用，因此二值图像的数据隐藏研究也有积极的意义【7 1 】。 1 3 自嵌入技术的研究发展状况 1 9 9 9 年，j f d d d c h 等人提出了自嵌入的概念【7 2 】。将图像8 x 8 分块后， 分别作d c t 及取整运算，以z i g z a g 的顺序选择d c t 系数中的前1 1 个系数； f d d d c h 给出了一个码长分配表，并按码长表分别对所选的每个系数分配长度， 使每个8 x 8 子块编码后长度为6 4b i t ，嵌入到图像偏移子块的最低位。2 0 0 4 年， 张等人在f r i d r i c h 等人方法的基础上上做了一些改进，调整了码长分配表，改 进了偏移值的选择，对偏移值进行加密【7 3 】。 2 0 0 0 年，c h u a n f uw u 等人【7 4 】提出一种使用r s 编码( r e e d - s o l o m o n c o d e s ) 7 5 ，7 6 1 的方法。将一幅原始图像d c t 变换后，从每一块中取出某些奇 第一章绪论 偶位，形成r s 编码，然后将这些编码嵌入到原始图像中，实现图像自嵌入。 在接受端，从图像中提取出r s 编码信息，然后通过奇偶位来检验图像是否被 改动，如果改动位在可纠错位之内，可以通过r s 码纠错；否则，虽然不能纠 错，但仍然可以定位图像中被篡改的位置。2 0 0 4 年，郑等人【7 7 1 在w u 等人基 础上提出了种被称之为基于块交叉交插r s 编码的水印生成算法；使用基于 块交叉交插r s 码的校验符号作为水印并将其埋植到图像数据的最低位，实现 图像信息的自嵌入；利用基于块交叉交插r s 解码实现水印信号检测以及对图 像篡改数据的定位和恢复。 2 0 0 1 年，w a n g 和j i 将图像感兴趣区域( r o i ，r e g i o n o f i n t e r e s t ) 的d c t 压缩编码，嵌入到背景部分的小波系数中f 7 8 】；当图像的感兴趣区域受损时， 使用自嵌入信息可较好地恢复。该方法的嵌入数据量相对较少，是一种局部自 嵌入方法。y i l m a z 和a l a t a n 在2 0 0 3 年【7 9 1 ，结合图像的边缘信息、块长及奇 偶校验位，组成待嵌入水印，将其隐藏在图像的d c t 系数中，当图像块出错时， 使用嵌入的信息较好地对出错部分进行纠错。 2 0 0 5 年，a d s u m i l l i 等提出一种自嵌入方法【8 0 】，将原图像减采样后嵌入到 图像的d c t 系数中，该方法可以有效的修复图像中受损的位置，该方法是一种 有损自嵌入，自嵌入后图像的质量有所降低，无法恢复原图像；另外使用自嵌 入数据恢复的图像质量也不够高。 由数据隐藏延伸出来的自嵌入技术，结合了载体自身信息压缩的方法，在 图像和视频自身中藏有自身的信息。当图像或视频自身受损时，使用隐藏的信 息可以有效地验证和恢复图像或视频中的缺损。采用自嵌入技术的新一代图像 或视频将有以下几个特点： 采用先进的数据隐藏技术实现的自嵌入媒体被检测出来的概率很小。 使用自嵌入技术的图像或视频的降质会保持在一定的范围之内。 通过提取自嵌入图像或视频中的数据来修复的媒体仍有很好的质量。 即使图像或视频有大面积的缺损，自嵌入技术仍能较好地修复原始媒体。 自嵌入技术对原始图像进行修改，这同时带来了两个问题。将原始媒体信 息作为隐秘信息，数据量较多，载体需要有较大的数据嵌入容量，必然导致自 嵌入后载体的质量不高，如何提高自嵌入载体的质量是一个仍需进一步研究的 4 第一章绪论 问题。隐秘数据用于近似修复载体中受损的部分，如何提高修复后载体的质量 是另一个需研究的问题。 1 4 本文的研究内容和创新之处 本文从矩阵嵌入算法、图像和视频的数据隐藏、嵌入容量的扩展、媒体信 息的压缩等多个方面出发，系统研究了图像与视频的自嵌入方法。主要研究内 容可以分为以下几个部分： ( 1 ) 改进的图像自嵌入方法。提出了一种基于矩阵嵌入的图像自嵌入方法， 对图像8 x 8 分块后，使用h u f f m a n 及v l c 编码的方法对各子块进行压缩；同 时给出了偏移值选择的方法，将每个子块对应到偏移子块中；使用基于矩阵嵌 入的算法，将子块压缩数据和认证信息嵌入到偏移子块中，实现自嵌入。 ( 2 ) 基于l s b 扩展的图像自嵌入方法。传统l s b 嵌入方法容量较小，借用 图像的高层位平面的无损数据嵌入容量，将图像的自身信息和认证信息嵌入到 其中。在提取信息时，无损地恢复高层位平面。 ( 3 ) 基于无损自嵌入的图像和视频修复方法。在原始压缩j p e g 图像和 m p e g 2 视频中实现自嵌入，为减少图像或视频自身的信息量，使用减采样和 半色调化的方法将图像或视频帧转换为二值图像；并使用无损数据隐藏的方法， 嵌入到图像或视频中；当图像或视频在保存和传输时被损坏时，无损恢复未受 损部分，并通过提取隐藏信息修复受损部位。 ( 4 ) 二值图像中的数据隐藏方法研究。对图像交叉分块后，计算每块的可 修改分数，选择适合修改的点，组成宿主数据。使用矩阵嵌入的方法，将隐秘 数据嵌入到图像中。将二值图像的数据隐藏方法扩展到彩色图像中，使得数据 嵌入可在图像的多个位平面上进行。另外，在郭志川等人的嵌入矩阵方法的基 础上，总结了矩阵嵌入算法中矩阵的选择方法。 本文在以下几个方面有所创新： ( 1 ) 空域图像自嵌入方法的创新。基于图像压缩的自嵌入算法在f d d r i c h 和张等人的基础上作了改进，该方法与另外两种方法相比，自嵌入图像质降更 小，但有更好的图像恢复质量，在篡改定位方面更方便准确。基于l s b 扩展的 图像自嵌入方法，在保证自嵌入图像质量的同时，进一步提高了使用嵌入数据 第一章绪论 恢复的图像质量。提出使用高层位平面的无损数据嵌入容量扩充后l s b 后的数 据嵌入容量，这是一种较大数据嵌入容量的嵌入方法。 ( 2 ) 压缩与图像自嵌入方法的创新。基于无损自嵌入的图像和视频修复方 法，在a d s u m i l l i 等人方法的基础上，提高了嵌入图像的质量。同时提出使用无 损的嵌入方法，原图像或视频可以被无损地恢复。在视频自嵌入中，提出将各 帧的压缩信息，采用s d l 成帧，嵌入到其他帧中，使得各帧的数据在空间域被 损坏的时候，从时间域的其他帧中提取数据，可更好地恢复受损的视频帧。该 方法除可用在m p e g 2 视频中，还可用于多种其他类型的视频中。在医学、军 事等领域中，对图像或视频要求较高的时候，可使用这种无损自嵌入方法。 ( 3 ) 提出一种二值图像中的数据隐藏算法，该算法对二值图像的修改较少， 同时嵌入容量较大。另外该方法被拓展到了彩色图像之中，嵌入者可选择任意 位平面进行数据嵌入，而图像的质降很小，使得彩色图像的数据隐藏具有更好 的隐秘性。 6 第二章空域图像自嵌入研究 第二章空域图像自嵌入研究 2 1f n d d c h 自嵌入方法与改进 2 1 1f d d d c h 自嵌入方法 1 9 9 9 年，j f r i d d c h 博士等人提出自嵌入( s e l f - e m b e d d i n g ) 概念【7 2 1 ，提 出将图像信息嵌入到自身中，用于图像的保护和修复。 f d d r i c h 将图像8 x 8 分块后，分别作d c t 及取整运算，以z i g z a g 的顺序 选择d c t 系数中的前1 1 个系数，并给出了一个码长分配表( 式2 1 ) ，按编码 程码长表对所选的每个系数分配长度，每个8 x 8 子块编码后长度为6 4b t 。 l = 7 7 7 6 65 55 4 4 3 2 21 10 75 5 5 54 43 31 lo oo 0o 43 4 2 3l 1o 0 0 o o 00 0 o 21 1o o o oo o o o o 0 0 o o ( 2 1 ) 将每个图像子块b ( l s b 置零后) 经d c t 变换及压缩编码后的数据比特， 取代图像子块8 + 置的l s b ，其中多是块偏移值。在偏移值面的选取上，使用0 3 r 作为偏移量，其中r 是图像子块的块数。 图2 1 图像验证和恢复示例 f i g u r e2 1e x a m p l e o fi m a g ea u t h e n u c a t l o n & r e c o v e r y 在图像检测和恢复时，通过对比图像予块b ( l s b 置零后) 的编码和图像 第二章空域图像自嵌入研究 子块8 + 多中l s b 上的数据来判断图像子块8 是否被篡改，若被篡改，还可以 通过b + i 中l s b 上的数据来恢复8 ，如图2 1 所示。 若图像子块8 ( 1 被篡改，替换为不同的图像，则从b ( 2 ) = b 【1 ) + i 中提取出 信息) ，它将与8 ( 1 所产生的压缩编码c 不同。但同时，从b ( 1 中提取出的 信息也与图像子块b ( 0 ) = 8 ( 一多的压缩编码不同，因此在检测子块砂) 是否被 篡改的时候，还需要借助于8 ( 3 ) 如果从8 ( 封中提取出的信息与8 ( 2 ) 的压缩编码相同，并且8 ( 1 中提取的 信息与8 ( o 的压缩编码不同，则表明被篡改，可以从8 ( 2 中提取信息) 并重构8 ( ) ：如果白p 中的信息与8 2 的压缩编码不同。则表明日f 2 ) 被篡改。 需要指出，在判别的时候，很多情况下需要通过人眼来判别图像子块是否 被篡改；另外如果图像子块8 ( 1 1 和b ( 2 都被篡改，则无法恢复出子块b ( 们。 此外，还可以在图像子块最低两位中隐藏数据，使每个子块可隐藏1 2 8 b i t 数据，在d c t 系数压缩编码的时候可以选取更多的系数，使得恢复出的图像质 量更好，但同时也降低了原图像的质量。 2 0 0 4 年，张等人在f r i d d c h 等人方法的基础上上做了一些改进p 3 】，主要 改进在于以下几个方面： ( 1 ) 码长分配表的调整。增加矩阵l 中使用的系数的个数到1 4 个，根据 量化系数的统计结果，重新确定了每个系数所使用的位数，使得1 4 个系数所占 用的位数仍然为6 4 b i t 。 ( 2 ) 偏移值的选择。偏移值的大小要尽量的大，这样两块同时被修改的可 能性就会减小；偏移值p 和总块数，要满足： g c d ( p ，r ) = 1 ( 2 2 ) 式中，g c d ( ) 为最大公约数。如果不满足这个条件，假设r = ，p ，t i r ，则经过 n r 次偏移后，有( i n p ) m o d r = ，。印n 卜， 个块形成了一个小认证链( 循环) ， 而不是所有r 个图像子块形成认证链。 ( 3 ) 偏移值的加密。偏移值应该由用户密钥控制，可增加系统的安全性， 使用两个常数密钥来控制嵌入位置。将第，块的主要内容嵌在第k i ) = ( k o + k l x i ) m o dr 子块，且g c d ( k f ，= 1 ，式中常数鳓，幻是用户掌握的密钥。 第二章空域图像自嵌入研究 f r i d r i c h 方法是一种基于l s b 的自嵌入方法，本节在f d d d c h 的基础上给 出一种图像自嵌入方法，主要原理是：产生图像各予块的压缩编码，选取一定 的偏移值，并生成每个子块自身的认证信息，将原图像子块编码与原图像子块 自身的认证信息合成为待嵌入信息，将加密后的待嵌入信息嵌入到原图像中， 完成自嵌入。下面从以下三个方面来阐述改进的方法：自嵌入信息处理、偏移 位置选择、数据隐藏方法。 2 1 2 自嵌入信息处理方法 自嵌入信息的处理主要由图像数据的压缩、认证信息的生成、待嵌入信息 合成三部分组成。 ( 1 ) 图像数据的压缩 将大小为州t ，l 的原图像为x 划分为8 x 8 的子块，得到子块五，五，z ， ，= 所月6 4 ，即块的总数。分别对每个子块做d c t 变换，对d c t 系数进行量 化并取整，得到对应的d c t 系数矩阵，分别为q i ，q ，q r 。 对子块置的d c t 量化系数矩阵q f 作压缩编码：将d c 系数直接转换为8 位的二进制数，设为n ；对a c 系数，采用无损压缩编码，如r l e 编码及h f m a n 编码或算术编码【8 1 1 等。结合d c 系数和a c 系数的编码，调整其长度，若总长 小于5 0 b i t ，则添0 补足；若大于5 0 b i t ，则舍去多余位。子块置的o c t 量化 系数矩阵q 压缩后的编码为b i ，其长度为5 0 b i t 。 2 ) 认证信息的生成 将各子块墨，五，z 的最低位置零，得到子块置，冠，z ，选择单向哈 希函数对当前块置作单向哈希运算【8 2 ，8 3 ，得到加密后的数据流q ， = h ( 置) = ( 硝，区，) ( 2 3 ) 其中表示加密后的数据b 1 选取其中某些位置上的共1 2 b i t ( 选取位置可作 密钥使用) ，作为子块的自身信息。 分别对每个子块x 的位置编码，获得位置信息码i ，以及它所对应的偏移 9 第二苹空域图像自嵌入研究 子块的位置信息码w ，若，= 聊，则子块墨所对应的偏移位置上的子块为 乃= 五+ 。，每个子块的编码方法见2 1 3 节。 将子块五的位鼍信息码m 与该子块对应的偏移子块的自身信息码一， 组合成子块一的认证信息4 ， 4 = 蟛o ( 2 4 ) 其中。是异或运算。 ( 3 ) 嵌入信息的合成 综合子块的认证信息4 与子块五的子块编码信息墨，得到待嵌入到子 块中的信息乃， 叼= 4 1 | 骂 ( 2 5 ) 其中f l 是连接符。彬的总长度为6 2 b i t ，则每个子块都有对应的待嵌入信息 乃。 用密钥七将乃加密后得到嘭【8 3 】， 嘭= 最( 乃) ( 2 6 ) 嘭为加密后的待嵌入到子块中的信息。 2 1 3 偏移位置选取方法 子块中存放有块五的压缩编码信息蜀，玛= 五。，其中e 是子块五的 偏移值，在本文中使用偏移幅度来确定偏移值。由于偏移幅度决定了子块编码 信息嵌入的位置以及可恢复图像面积的大小，因此偏移幅度应当尽可能大一些， 并且其选取应当使其不易被探知。 在偏移幅度的选取上使用如下方法，首先把大小为m 玎图像分成4 x 4 个子 图像，并分别编码为 ，鸩，m 。( 每一编码为4 b 牡二值数据) ，则m ，2 ，m s 为个完备的向量空间，编码方法如图2 2 所示。 1 0 第二章空域图像自嵌) k l i f 究 幽2 2 倔移位置编码方法 f i g u r e2 2o f f s e tp o s i t i o nc o d i n g 从 ，2 ，m 。中选取一个编码m ，用位置偏移函数厂( m ，以) = m o m 来作为每个子图像的偏移位置码，其中。表示异或运算。则每个子图像的偏移 位置码分别为州= f ( n i ，以) ，州= f ( n 2 ，机) ，砣= f ( n l 。，以) 。对每大小为 旦4 旦4 子图像，重复以上的操作，则经过c 次操作后，每一大小为署暑的图像 块( 该子块由若干个8 x 8 子块组成) 都有一长为4 c 的偏移位置编码 研，孵， 备，作为该图像块的偏移位置编码，即该子图像的压缩编码信 息的嵌入位置，同时每个署x 暑图像块还有一个位置编码l ，f ，- 一，1 ，。 整个图像有一个长为，= 4 c 的偏移幅值码，有1 酽种可能，c 应当由用户 自己设定，作密钥使用。c c 可以通过计算每个詈素图像块的位置信息码和偏 移位置码的模二和得到，即：= 研0 f 。 由于每个大小为孑暑的图像块中争含了若干个8 8 的子块，故每个8 8 的子块对应偏移位置码都有一个偏移值0 ，可以通过计算子块的个数得到，= ， + e ，式中u 分别对应子块五和x ，上文已提到图像共有，个子块。每个子块 的偏移位置码表明了该子块信息的待嵌入位置，将该子块的位置信息码嵌入到 偏移位置码所对应的子块中；在认证时，根据每个子块中所提取出的编码可以 确认该子块中嵌入的d c t 压缩编码信息所对应的子块；将其与该子块的位置信 息编码与作异或运算，得到整个图像的偏移位置码，可以用来验证子块是否有 缺损或被篡改。 第二章空域图像自嵌入研究 2 - 1 4 数据隐藏算法 本文在嵌入信息时采用了基于宿主可修改信息中数位信息的嵌入，提取方 法 a 4 ，a s 。基于数位信息的数据隐藏方法，利用宿主矢量的位置信息，使用单 位增广矩阵，将秘密数据矢量嵌入到宿主矢量中。 ioo o 口i 0l0 00l 0 0l o ol 0 oo lo1 o o0 oll ( 2 7 ) 若a = ( q ，a 2 ，吃。) 为可修改矢量，b = ，吃，k ) 为待嵌入数据， 。矩阵为如式( 2 7 ) 的2 l 阶二值单位增广矩阵。，计算： c = y 御a = ，尸口l o 尸口2 o h 巴口2 l “ ( 2 8 ) 其中，c 为2 己维二值矢量。 令 d = b o c ( 2 9 ) d 也为一2 三维矢量，若d 值为零，则b = c ，4 不作任何变化；若d 不 为零，在2 阶二值单位增广矩阵中，找到不超过列，使得： d 宣k o o o h k ， 1 sj i s ( 2 1 0 ) 只需将4 中，与式( 2 1 0 ) 中列向量对应的，不超过个元素取反，即 口= ( o l ，q i 国l ，a 1 20 1 ，口琏o l ，嘞“i ) ( 2 1 1 ) 这样最多修改三b n 就可将2 lb i t 秘密数据嵌x ( 2 l + i ) b i t 宿主可修改信息中。 在提取秘密数据时，当d 为零时，b c ， 所以 阡7 甜口7 = f y 删4 = 口l o p 口2 o h ：，4 2 “i 霉c 拦西 ( 2 1 2 ) 当d 不为零时， 矿= 啪 o # 晦0 1 ) 9 o 雠鸽2 毋1 ) ) 移o ：瓴0 1 ) ) o e 屹， = 衅q o 嵋4 2 0 o 蜕。吼“j o 睇毋嵋0 o 吆 ( 2 1 3 ) 1 2 第二章空域图像自嵌入研究 由式( 2 8 ) 、式( 2 9 ) 、式( 2 10 ) 知，这时， 4 4 = c e ) d = f 0 6 0 c = b ( 2 1 4 ) 使用多数位矩阵，可有效地减少宿主中需修改的数据位置，嵌入矩阵由使 用者自定义，有多种排列方法，使得数据隐藏更为隐秘。在引文 8 4 ，8 s 中有关 于这方面的详细论述。 2 1 5 小结 本节主要介绍了f r i d d c h 等人的方法，在此基础上提出了一种自嵌入方法， 主要从自嵌入信息生成、偏移位置选取研究、数据隐藏方法几方面给出了新的 处理方法。该方法的方案与实现，在本文的第四章中将进行详细的论述，并有 相关比较。 2 2 图像自嵌入中的l s b 嵌入容量扩展 2 2 1 基于差量扩展的无损数据隐藏 2 0 0 3 年，t i a nj 给出了一种基于图像的大容量的无损信息隐藏方法 6 4 ，6 5 】，提取出所嵌入信息后，原宿主数据可以无损恢复。是目前嵌入容量较 高的一种方法【6 1 】，该方法得到了较广泛的引用。他的基本思想是采用 d e ( d i f f e r e n c ee x p a n s i o n ) 的方法在保证逆变换后不溢出的条件下在差值信号 中嵌入机密数据。该算法中采用如下的整数变换，对于任意x , y e z ，o y 2 5 5 ， 正变换为： ，4 半j ，h = x - y 仁 逆变换为： 州+ 嘲州一引 仁 2 0 0 4 年，a l a t t a r 对1 1 a n 的算法进行了扩展和改进【6 6 ，6 7 】，该方法采用整 数变换，将宿主数据分类，依据宿主数据的类别，采用不同的嵌入方法，进一 步增加了算法的嵌入容量。a l a t t a r 算法中的整数变换为 r i a n 算法中的整数变换 的扩展和改进。a l a t t a r 方法采用了如下整数变换，正变换y = f ( v ) 为： 1 3 惨l - ojl 僻研 f 坼蚱f = i 景广l ( 2 1 7 ) i ql l 一酬 仁埘 其中，u = ( ，m ，j 一1 ) 为维整数宿主矢量，o 珥 2 5 5 ，a = l 一2 ，一1 ) 墨、岛、是三部分，并形成隐秘数据置= 墨u 垦u 马，( u 为连接符号) ，计 差量扩展，同时只记录位置信息。 t du l 啦u 2 图2 32 x 2 数据单元 f i g u r e2 3d i a g r a mo f2 x 2d a t au n i t 令2 2 数据单元为u = f ，甜l ，2 ，岣】( 如图2 3 ) ，将u 整数变