一种JPEG图像的可逆信息隐藏算法

苏佳（1.桂林电子科技大学计算机科学与工程学院，桂林　541004；2.广西师范大学网络中心，桂林　541004）



一种JPEG图像的可逆信息隐藏算法

苏佳1，2
（1.桂林电子科技大学计算机科学与工程学院，桂林541004；2.广西师范大学网络中心，桂林541004）

摘要：

关键词：

0　引言

可逆信息隐藏算法是当前研究的热点问题之一，大致可以分为基于BMP图像和JPEG图像的无损信息隐藏算法，而目前基于BMP图像的算法较多，在BMP图像可逆隐藏算法中，2003年，Tian[1]提出一种基于差分扩展的无损信息隐藏算法，首先计算两相邻像素的均值和差值，将所得的差值乘2再加上一位秘密信息得到新的差值，将均值分别加减新的差值得到隐藏后两像素值。提取时计算两相邻像素差值的最低位即可得到秘密信息，两像素分别减加上差值就可无损恢复原始载体图像像素值，实现可逆隐藏。Wien[2]提出了一种基于直方图转移和预测误差修改的可逆信息隐藏算法，文中运用正交投影的方法计算最优权值，将由最优权值得到的像素与原始图像像素做差值，统计差值直方图，将秘密信息隐藏在预测差值中。Li[3]的S型扫描整幅图像得到一维序列，计算一维序列前后两个元素的差值，统计差值序列的直方图，利用直方图平移将秘密信息隐藏到出现频率最大的差值中。Chang[4]提出一种使用互补策略，通过将偶数像素值加一或奇数像素值减一将秘密信息水平或垂直嵌入到载体图像中。

对于基于JPEG图像的无损信息隐藏算法的研究较少，Xuan[5]提出一种基于直方图对的无损JPEG信息隐藏算法，首先统计量化后的DCT系数的直方图，将直方图平移产生原位和扩展位，将秘密信息嵌入到直方图对中。Qian[6]将秘密信息隐藏在JEPG图像存储的二进制流中，根据JPEG定义162种不同的变长编码的AC系数，但在压缩过程中较多编码没有被使用，统计JPEG图像中AC系数的变长编码，根据秘密信息将未使用的变长编码替换已使用的变长编码，实现秘密信息的隐藏。文献[7]对8×8量化后的系数块求和，将所得和对待隐藏数据的最大值求余，将两个相邻块的DC系数带入的提取函数得到一值，该值为块结束标记（EOB）后移的位数，将所得的余数随机的分配到EOB后移后空出的位置，实现隐藏，文献[7]修改块结束标记的后几位可能修改高频系数，对载体图像影响较大且隐藏容量较小。

本文提出一种JPEG图像的可逆信息隐藏算法，在正确提取秘密信息的同时还能无损的恢复原始图像相比较其他可逆算法具有较大的隐藏容量和较好的峰值性噪比。第2节介绍了信息的嵌入和提取算法，第3节是实验结果，第4节是总结。

1　可逆信息隐藏算法

JPEG编码是将原始图像划分成若干8×8的块，对每一个分块编码，首先进行离散余弦变换得到DCT系数，根据量化表Q再对DCT系数进行量化，得到一个8×8的量化后的系数矩阵D。该矩阵D（0，0）代表直流分量DC（Direct Current）系数和D（i，j）（i和j不能同时为0）代表交流分量AC（Altenate Current）系数组成，然后将变换AC系数按照“之”字形（zigzag）扫描顺序如图1所示，对AC系数采用行程和Huffman编码成二进制位流得到JPEG文件，由于改变DC系数的值对图像质量影响较大，因此DC系数中不隐藏秘密信息，秘密信息隐藏在AC系数中。

图1　Zigzag扫描

在JPEG图像解码的过程中，首先重构DCT系数，设分块重构后的系数矩阵为F，则：

再将重构后的系数进行IDCT变换得到图像像素。设秘密信息为s，根据公式（2）隐藏秘密信息：

为了隐藏后的重构DCT系数与隐藏前的DCT系数接近，提高载密图像质量，本文新增一量化表Q'，计算方法如下：

计算隐藏后的重构DCT系数：

将公式（2）和公式（3）代入公式（4），进一步可得：

图2　图像非隐藏区域和隐藏区域

从隐藏区域提取信息即D'（i，j）的LSB位，s=LSB （D'（i，j）），得到非隐藏区域的LSB位和秘密信息组合。根据公式（6）恢复隐藏区域的原始DCT系数

根据载密图像非隐藏区域的LSB位即可恢复原始的量化表，将从载密图像提取到非隐藏区域的LSB位替换非隐藏区域的LSB可恢复非隐藏区域的原始DCT系数。

2　实验结果和分析

应用本文算法进行了大量的实验都取得了较好的效果，限于篇幅以512×512压缩因子0.2的Lena灰度图像进行说明。图3（a）为Lena原始图，图3（b）为嵌入0.78bpp（k=6）效果图，图3（c）为嵌入0.16bpp（k=11）的效果图，图3（d）为嵌入0.31bpp（k=21）效果图。bpp为一个像素的平均隐藏bit数。

对JPEG压缩量化因子为0.2的boats灰度图时，本文算法的隐藏容量和隐秘图像的PSNR值与文献[5]和文献[7]进行了比较，如表1所示。在嵌入容量相同时，本文算法的PSNR值较好。

图3　lena图像的隐藏效果图

表1　不同算法的隐藏容量与PSNR值的比较

3　结语

本文对量化后的DCT系数乘2再加上秘密信息值，得到隐藏后的系数，实现对秘密秘密信息的隐藏。并修改量化表提高载密图像的质量，存储原始量化表数据用于恢复原始载体图像。提取秘密信息时，只需计算载密图像DCT系数的LSB位，载密图像DCT系数对2取整，即可恢复载体图像。

参考文献：

[1]Tian jun.Reversible Data Embedding Using a Difference Expansion.IEEE Transaction on Circuits and Systems for Video Technology，2003，13（8）：890-896.

[2]Wien Hong，Tung-Shou Chen，Yu-Ping Chang，Chih-Wei Shiu.A High Capacity Reversible Data Hiding Scheme Using Orthogonal Projection and Prediction Error Modification.Signal Processing，2010，90：2911-2922.

[3]Yu-Chiang Li.Data Hiding Based on the Similarity Between Neighboring Pixels with Reversibility，Signal Processing，2010，90：1116-1128.

[4]Chin-Chen Chang.The Duc Kieu.A Reversible Data Hiding Scheme Using Complementary Embedding Strategy，2010，180：3045-3058.

[5]Guo-rong Xuan.Reversible Data Hiding for JPEG Images Based on Histogram Pairs.ICIAR 2007，LNCS 4633：715-727.

[6]Zhen-xing Qian，Xin-peng Zhang.Lossless Data Hiding in JPEG bitstream.The Journal of Systems and Software，2012，85：309-313.

[7]Wen-Chung Kuo，Shao-Hung Kuo.Reversible Data Hiding for JPEG Based on EMD.2012 Seventh Asia Joint Conference on Information Security.

A Reversible Information Hiding Method for JPEG Image

SU Jia1，2
（1.Department of Computer Science and Engineering，Guilin University of Electronic of Technology，Guilin 541004；2．Network Center，Guangxi Normal University，Guilin 541004）

Abstract：

Proposes a reversible data hiding method for JPEG images.Data hiding is realized by modifying quantification DCT coefficients and quantization table.The original quantization table is stored in non-embedding region for recovering the original cover JPEG images.The experimental results show that the capacity of our method is high and the PSNR is good.

Keywords：

提出一种基于JPEG图像的可逆信息隐藏算法，修改量化后的DCT系数和量化表实现秘密信息隐藏，将原始量化表存在非隐藏区域，用于恢复原始载体JPEG图像。实验结果表明本文算法具有较高容量和较好的峰值信噪比（PSNR）。

JPEG图像；DCT系数；可逆信息隐藏

基金项目：

广西教育厅立项项目（No.LX2014056）

文章编号：1007-1423（2016）14-0077-04

DOI：10.3969/j.issn.1007-1423.2016.14.017

作者简介：

苏佳（1980-），男，广西桂林人，本科，助理工程师，研究方向为计算机网络、信息隐藏

收稿日期：2016-03-22修稿日期：2016-05-10

JPEG Images；DCT Coefficients；Reversible Data Hiding