基于二次差值的彩色图像可逆隐藏

重庆电子工程职业学院计算机学院 杨玉平

一、前言

图像信息隐藏是指把秘密图像隐藏于载体图像之中，秘密图像要比载体图像小[1]。图像信息隐藏一般分为两大类，一是图像可逆数据隐藏，一是图像不可逆数据隐藏[2]。图像可逆数据隐藏的研究对一些特殊领域有着重要的作用，比如将图像作为证物。对图像的可逆数据隐藏的研究在很早时候就有了，比较经典的算法是Tian差值扩展[3]。之后的许多算法都是在它的基础上进行改进，祝玉新[4]等人提出的基于Haar小波的彩色图像可逆水印算法，周璐[5]等人提出的用于矢量数字地图的可逆数据隐藏算法。

二、二次差值可逆算法

1.经典的Tian差值扩展算法

文献[3]是基于Haar小波变换进行的。首先用图像相邻的两个像素作差运算，把要隐藏的数据转成二进制数据，再把二进制数据按位嵌入两相邻像素的差值中。例如，设p1，p2是两相邻的像素值，h为它们的差值，h'为嵌入秘密数据后的新差值，p为它们的均值，b是需要隐藏的二进制数据，p1'，p2'为载体图像新像素值，嵌入秘密数据后可得新差值h'=2h+b，在提取时用b=lsb(h')，lsb(·)是取数据的二进制信息的最低位。载体图像恢复时通过h'-b求得原始差值.通过(2.1)式恢复原始载体图像。

2.二次差值思想

本算法基于彩色图像，由于彩色图像可以分成RGB三种颜色的灰度图像，所以我们计算差值时只取其中两种颜色的灰度图像，如从RG、GB或BR中选择一种组合即可，这里我们选择RB组合，首先作防止溢出的预处理运算，把产生的数据作为辅助信息与秘密数据一起构成欲嵌入的信息。分别计算R和B灰度图像各像素的预测误差，再求它们各自的差值，最后将它们各自的差值作差运算求得需要嵌入秘密数据的二次差值。把秘密数据嵌入二次差值后，再作求载体图像像素值的逆运算，求得嵌入秘密数据的载体图像。在提取秘密数据时，同样取RB组合，同嵌入时的运算一样，计算二次差值，lsb(·)函数提出二次差值的最低位，即为嵌入时的数据，把提取出来的数据分成辅助信息和秘密数据，用辅助信息恢复原始的载体图像。下面的(2.2)式与(2.3)式是数据嵌入的核心公式。

其中△cz表示二次差值，△cz'表示嵌入数据b后或扩展后的差值，p1'、p2'分别表示嵌入数据后的载体图像像素值。下面(2.4)式和(2.5)式是恢复载体图像的核心公式，

图1 Greens

图2 Pears

图3 ORL人脸库

3.数据嵌入

(1)载体图像初始化，将载体图像RB灰度图像按相同的方式分成两组，以使上下左右相邻像素不同时进行数据嵌入，设定T值。

(2)在数据嵌入前，要用T+1和对所有像素进行预处理，用adjst0记录像素值小于等于T+1的个数，用adjust1记录像素值大于等于255-(T+1)的个数，再通过adjust0和adjust1的大小得出sd的值是0还是1.最终达到载体像素调整的目的，防止嵌入数据后发生数据溢出。在运算时会产生辅助信息，此辅助信息将与秘密数据一起构成嵌入信息，并且此辅助信息将作为数据提取端的载体图像恢复时的依据。

(3)通过(2.2)式与(2.3)式把嵌入信息嵌入到载体图像中，(2.3)式是将嵌入数据后的差值变化修改到载体图像中。

4.数据提取

(1)在数据提取端提取数据。首先从数据发送端取得RB两个灰度分量分别进行差值运算，再用两个差值做差运算求得二次差值△cz'。

(2)在-2T≤△cz'≤2T+1范围内，用infob=lsb(abs(△cz'))提取嵌入信息，并分离出辅助信息和秘密信息。并用△cz=(△cz'-infoi)/2求得初始差值。

(3)用(2)中得到的差值通过(2.4)式修改载体图像。

(4)用(2.5)式结合辅助信息恢复原始的载体图像。

三、实验结果与分析

1.人脸库

如图1-3所示，在实验过程中，我们采用的仿真工具是matlab7.0，载体图像采用了matlab7.0中自带的Pears(732×486)图像和Greens(500×300)图像，用ORL人脸库的八张图像作为秘密图像。

本算法对嵌入数据后载体图像质量下降的评价方法采用的是通用的PSNR值进行。

2.效果分析

表3.1 本算法和文献[4][5]在相同阀值T=2下嵌入率与PSNR值的比较

在实验进行时，为了减少所选秘密图像的特殊性带来的误差，所以在选择秘密图像时是从ORL人脸库中随机选择的八张图像，通过采用本算法和文献[4]、文献[5]的算法嵌入到Greens和Pears载体图像中，表3.1所列数据是八张图像嵌入后所得到的平均数据。

从表3.1中可以看出本算法的嵌入率是比文献[4]和文献[5]的嵌入率都要高，而通过对RB两个分量的PSNR值对比来看，本算法的PSNR值只比文献[4]和文献[5]的PSNR值稍小一点；可以看出嵌入率的提高数值远比PSNR值下降数值高很多，可以说是在损失少量的载体图像质量的情况下，较大地提高了嵌入率。

四、结束语

本文提出的二次差值算法是基于Tian差值扩展的，为了更具有适用性，采用彩色图像进行实验。经过实验数据对比分析，本算法的嵌入率在对载体图像较小损失的情况下有很大提高，明显优于其他一些算法，因此本算法是具有一定的适用价值。

[1]孙锐,孙洪.数字图像信息隐藏技术[C].武汉:武汉大学出版社,2001,5.

[2]杨玉平,陈勇,尹丽花.基于坐标轴的双重置乱数字图像隐藏算法与实现[J].重庆电子工程职业学院学报,2011,5(3):149-151.

[3]TIAN Jun.Reversible data embedding using a difference expansion[J].IEEE Transaction on circui ts and Systems for Video Technology,2003,13(8):890-896.

[4]祝玉新,孙星明,杨恒伏.基于Haar小波的彩色图像可逆水印算法[J].计算机应用研究,2007,24(6):165-169.

[5]周璐,胡永健,曾华飞.用于矢量数字地图的可逆数据隐藏算法[J].计算机应用,2009,29(4):990-993.