廖克順

(南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530008)

0 引言

大數(shù)據(jù)環(huán)境下互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展，有效提高了人們?nèi)粘９ぷ餍?，給人們生活帶來極大便利的同時(shí)，也給個(gè)人隱私帶來安全隱患.數(shù)字圖像隱寫技術(shù)是信息隱藏領(lǐng)域的重要研究方向，通過圖像載體冗余特性進(jìn)行消息嵌入，可實(shí)現(xiàn)在公開信道中的隱秘通信.[1]在人類所接收信息中，大部分來自視覺圖像信息，圖像分割作為圖像分析基礎(chǔ)，需將圖像劃分為不同區(qū)域，使得每個(gè)區(qū)域像素之間都保持一致性.[2]目前大部分圖像隱寫分割技術(shù)只針對灰度圖像，假設(shè)對灰度圖像隱寫分割可直接擴(kuò)展到彩色圖像上，那么彩色圖像就可視為三幅灰度圖像進(jìn)行相應(yīng)處理，通常采用以LSB嵌入法為代表的空間域分割技術(shù)，該方法忽略了彩色圖像顏色通道間相關(guān)性，導(dǎo)致圖像隱寫分割效果較差.

為了提高隱寫分割效果，目前自適應(yīng)隱寫方法主要基于最小失真代價(jià)動態(tài)更新進(jìn)行設(shè)計(jì)，即通過失真函數(shù)分配元素，利用隱寫編碼生成加密體，再通過聚類思想，實(shí)現(xiàn)彩色圖像隱寫分割.

1 彩色圖像隱寫分割技術(shù)研究

圖像分割技術(shù)是圖像分析重要處理技術(shù)，決定圖像最終分析質(zhì)量和判別結(jié)果.彩色圖像分割與灰度圖像分割差別較大，其中灰色圖像只需采集灰度紋理特征就能實(shí)現(xiàn)圖像分割，而彩色圖像具有多種顏色和紋理特征，其分割效果良好在很大程度上取決于特征的選擇.[3]

1.1 顏色空間選取

顏色是人腦對于外界刺激的反應(yīng)，在物理學(xué)角度將顏色用三個(gè)相對獨(dú)立屬性進(jìn)行描述，三個(gè)獨(dú)立變量所構(gòu)成的三維立體結(jié)構(gòu)為一個(gè)顏色空間，用公式(1)來表達(dá)：

f=A(a)+B(b)+C(c)

(1)

公式(1)中：(a)、(b)、(c)表示三基色量，A、B、C之間關(guān)系如下：①A>0、B>0、C>0；②B數(shù)值與彩色光亮度值一致；③A=B=C代表標(biāo)準(zhǔn)光值.[4]

通過描述三基色量不同屬性，就會產(chǎn)生不同顏色空間，在不同空間內(nèi)對彩色圖像進(jìn)行分割具有不同效果.[5]通過R紅、G綠、B藍(lán)三色元素構(gòu)建RGB顏色空間如圖1所示.

只要R紅、G綠、B藍(lán)三個(gè)分量中任一分量出現(xiàn)變化，那么整個(gè)顏色空間就會發(fā)生轉(zhuǎn)變.[6]

圖1 RGB三維顏色空間

1.2 顏色聚類處理

基于RGB三維顏色空間進(jìn)行顏色聚類處理，具體步驟為：

將圖像分成若干個(gè)同等大小子圖像塊，設(shè)定視覺一致性距離為D1，將子圖像塊第一個(gè)像素點(diǎn)作為一個(gè)集合Wi初始聚類中心Oi；在RGB三維顏色空間內(nèi)，計(jì)算子圖像塊中每個(gè)像素點(diǎn)與O1顏色距離D2，如果D2小于設(shè)定D1，需修正O1聚類中心像素點(diǎn)數(shù)量.否則，以該像素點(diǎn)為新集合聚類中心O2，繼續(xù)修正該中心像素點(diǎn)數(shù)量；重復(fù)上述步驟，直到每個(gè)集合聚類中心不再發(fā)生變化為止，顏色聚類結(jié)束.[7]

1.3 安全隱寫

經(jīng)過聚類處理的子塊中含有顏色種類較少，但仍受到外界干擾，具有較多噪點(diǎn)，影響分割效果，為了減少噪點(diǎn)，保證隱藏信息具有不可見性，需采用自適應(yīng)隱寫算法進(jìn)行圖像安全隱寫.[8]

(1)根據(jù)上述子圖像塊，將一個(gè)矩陣劃分為互不重合的子圖像塊.

(2)基于子圖像塊生成圖像嵌入子塊.

(3)將若干個(gè)秘密信息比特分為若干個(gè)部分，具體分配方式為：依據(jù)不同初始失真函數(shù)，按照設(shè)定嵌入率對圖像進(jìn)行預(yù)嵌入，在應(yīng)用失真代價(jià)動態(tài)更新方案下，計(jì)算秘密信息比特值.

(4)確定嵌入子塊順序，并重新標(biāo)記聚類中心.

(6)更新失真代價(jià)qx,y.

②當(dāng)時(shí)間大于1 s時(shí)，計(jì)算初始失真函數(shù)不基于邊信息的失真代價(jià)：

(2)

計(jì)算初始失真函數(shù)基于邊信息的失真代價(jià)：

(3)

公式(2)、(3)中：λ為控制參數(shù)；Nkl表示dkl鄰域中離散余弦轉(zhuǎn)換系數(shù)修改方式；Nkn表示dkn鄰域中離散余弦轉(zhuǎn)換系數(shù)修改方式；Tkl表示dkl與相對應(yīng)位置量化步長，同理Tkn也是；︳vkl︳,︳vkh︳表示相關(guān)量化離散余弦轉(zhuǎn)換系數(shù)絕對值；α表示量化步長變化參數(shù)；β表示嵌入波動度.[12-13]

(7)根據(jù)動態(tài)更新后失真代價(jià)，按照嵌入順序依次在子圖像塊中嵌入秘密信息.

(8)重復(fù)該操作，直到完成所有秘密信息達(dá)到最大比特值，輸出隱秘結(jié)果.

1.4 顏色、紋理特征提取

將不同種類顏色按照由大到小順序排列，確定每個(gè)子塊主、次色調(diào)作為特征進(jìn)行提取，兩個(gè)視覺相似子塊不僅顏色相近，其空間分布也極為相似，依據(jù)子圖像塊中水平方向和垂直方向兩個(gè)紋理參數(shù)，判別顏色分布位置.[14]具體提取流程如圖2所示. 通過圖2所示流程，可得到一個(gè)分塊基本顏色和紋理特征.

1.5 基于子塊區(qū)域生長

確定子圖像塊顏色與紋理特征后，采用基于子塊區(qū)域生長方式，研究不同數(shù)量色彩圖像下子圖像塊區(qū)域生長形式.[15]

(1)當(dāng)圖像色彩為一種時(shí)，按照顏色值生長；

(2)當(dāng)圖像色彩為兩種時(shí)，按照紋理快生長；

(3)當(dāng)圖像色彩為三種或三種以上時(shí)，依據(jù)主、次色調(diào)生長，具體生長準(zhǔn)則為：相鄰子圖像塊顏色一致、紋理參數(shù)大于設(shè)定閾值、紋理參數(shù)相似、主次色調(diào)相似，如果滿足該標(biāo)準(zhǔn)，可按照鄰域方式生長.

1.6 分割方案的實(shí)現(xiàn)

分割方案具體流程如圖3所示.將顏色量視為一個(gè)單獨(dú)處理過程，提出將圖像塊內(nèi)顏色特征和紋理特征相結(jié)合分割方法，依據(jù)特征融合原理，添加隱寫處理步驟，達(dá)到一定抗噪效果，提取顏色、紋理特征，以此反映全局特性.依據(jù)子圖像塊區(qū)域生長方式，在失真代價(jià)動態(tài)更新條件下，采用基于視覺特征圖像分割方法對不同子圖像塊進(jìn)行分割.

圖2 顏色、紋理特征提取流程

圖3 基于視覺特征圖像分割流程

2 實(shí)驗(yàn)

為了對比LSB嵌入法為代表空間域技術(shù)和失真代價(jià)動態(tài)更新條件下的彩色圖像隱寫分割效果，從圖像庫中選取200幅BMP格式彩色圖像進(jìn)行測試.

2.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)環(huán)境為：MATLAB平臺、Intel Core TM2OPU6320硬件.

實(shí)驗(yàn)參數(shù)：200幅BMP格式彩色圖像包括風(fēng)景、人物、建筑等，將所有圖像統(tǒng)一剪裁成512×512大小，將200幅原始圖像的R、G、B通道按照0.05 bpp，0.10 bpp，0.15 bpp，0.20 bpp，0.25 bpp嵌入率模擬加密信息，生成彩色載密體.從200幅圖像中隨機(jī)選取100幅用于訓(xùn)練，剩下100幅用于測試.

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

不同圖像在侵入信息后數(shù)據(jù)效果存在一定差別，收集到的彩色圖像中嵌入信息后峰值信噪比和視覺質(zhì)量，如表1所示.

當(dāng)信息嵌入率小于0.6 bpp時(shí)，峰值信噪比保持在45 dB以上，視覺質(zhì)量無明顯變化，不能察覺失真.隨著信息嵌入率不斷增加，視覺質(zhì)量出現(xiàn)變化，峰值信噪比持續(xù)下降.

表1 收集結(jié)果

圖4(a)是原始彩色圖像，(b)和(c)分別是嵌入率為0.8 bpp和1.2 bpp情況下的圖像.

(a)原始彩色圖像

(b)0.8bpp嵌入率

(c)1.2bpp嵌入率

由圖4可知：在每個(gè)圖像左下角給出頂部放大圖，原始彩色圖像為清晰圖像，無噪點(diǎn)；0.8 bpp嵌入率彩色圖像并沒有明顯視覺質(zhì)量下降，但在放大圖像中發(fā)現(xiàn)少量噪點(diǎn)；1.2 bpp嵌入率彩色圖像部分區(qū)域出現(xiàn)圖像質(zhì)量下降情況，并在放大圖像中發(fā)現(xiàn)大量噪點(diǎn).依據(jù)不同嵌入率對圖像質(zhì)量影響情況，對不同隱寫分割技術(shù)進(jìn)行對比分析.

(1)原始彩色圖像.

以原始彩色圖像為參照組，對比LSB嵌入法為代表空間域技術(shù)和失真代價(jià)動態(tài)更新技術(shù)的彩色圖像隱寫分割效果，結(jié)果如圖5所示.

①LSB嵌入法為代表空間域技術(shù)：最初分割效果為87%，隨著實(shí)驗(yàn)次數(shù)增加，分割效果降低，最終為50%.

②失真代價(jià)動態(tài)更新條件下的彩色圖像隱寫分割技術(shù)：最初分割效果為90%，隨著實(shí)驗(yàn)次數(shù)增加，分割效果也逐漸降低，但最終也高于70%.

對比兩種技術(shù)在無嵌入率信息條件下，對原始彩色圖像進(jìn)行分割，失真代價(jià)動態(tài)更新條件下的彩色圖像隱寫分割技術(shù)分割效果較好.

圖5 原始彩色圖像下兩種技術(shù)分割效果對比分析

(2)0.8 bpp嵌入率彩色圖像.

在0.8 bpp嵌入率彩色圖像為參照組條件下，對比兩種技術(shù)分割效果，結(jié)果如圖6所示.

圖6 0.8 bpp嵌入率圖像下兩種技術(shù)分割效果對比分析

①LSB嵌入法為代表空間域技術(shù)：最初分割效果為69%，其嵌入式方法對彩色圖像分割起到一定促進(jìn)作用，保護(hù)圖像短期內(nèi)不會出現(xiàn)噪點(diǎn)，但隨著實(shí)驗(yàn)次數(shù)增多，噪點(diǎn)數(shù)量也急劇增加，該技術(shù)無法抵抗彩色圖像受到外界干擾，導(dǎo)致分割效果變差，當(dāng)實(shí)驗(yàn)次數(shù)為14次時(shí)，分割效果達(dá)到最低為35%.

②失真代價(jià)動態(tài)更新條件下的彩色圖像隱寫分割技術(shù)：最初分割效果為90%，添加的隱寫方式為圖像分割帶來有效抑制噪點(diǎn)增多的作用.雖然隨著實(shí)驗(yàn)次數(shù)增加，分割效果逐漸降低，但當(dāng)實(shí)驗(yàn)次數(shù)為8次時(shí)，分割效果有一定回升，達(dá)到81%.即使分割效果不斷下降，但最終也穩(wěn)定在70%左右.

兩種技術(shù)在0.8 bpp嵌入率信息條件下進(jìn)行彩色圖像分割，失真代價(jià)動態(tài)更新條件下的彩色圖像隱寫分割技術(shù)分割效果較好.

(3)1.2 bpp嵌入率彩色圖像.

對比兩種技術(shù)在1.2 bpp嵌入率彩色圖像為參照組條件下的分割效果，結(jié)果如圖7所示.

圖7 1.2 bpp嵌入率圖像下兩種技術(shù)分割效果對比分析

①LSB嵌入法為代表空間域技術(shù)：最初分割效果為49%，當(dāng)實(shí)驗(yàn)次數(shù)為4次時(shí)，分割效果為29%，此時(shí)在0～4次實(shí)驗(yàn)次數(shù)范圍內(nèi)，分割效果達(dá)到最低點(diǎn).但當(dāng)實(shí)驗(yàn)次數(shù)為6次時(shí)，分割效果曲線又呈緩升趨勢達(dá)到39%.然而，隨著實(shí)驗(yàn)次數(shù)增加，分割效果曲線一直呈下降趨勢，最終達(dá)到18%.

②失真代價(jià)動態(tài)更新條件下的彩色圖像隱寫分割技術(shù)：最初分割效果為82%，隨著實(shí)驗(yàn)次數(shù)增加，分割效果有所降低，但最終也保持在70%以上.

在1.2 bpp嵌入率嵌入率信息條件下，對比兩種技術(shù)彩色圖像分割效果，并由對比結(jié)果可知，失真代價(jià)動態(tài)更新條件下的彩色圖像隱寫分割技術(shù)分割效果較好.

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

依據(jù)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，如表2所示.由表2可知：當(dāng)嵌入率為0 bpp，即原始彩色圖像時(shí)，失真代價(jià)動態(tài)更新隱寫分割技術(shù)比LSB嵌入法為代表空間域技術(shù)分割效果最大值高3%；當(dāng)嵌入率為0.8 bpp，失真代價(jià)動態(tài)更新隱寫分割技術(shù)比LSB嵌入法為代表空間域技術(shù)分割效果最大值高21%；當(dāng)嵌入率為1.2 bpp，失真代價(jià)動態(tài)更新隱寫分割技術(shù)比LSB嵌入法為代表空間域技術(shù)分割效果最大值高33%.

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過分析結(jié)果可知，失真代價(jià)動態(tài)更新技術(shù)彩色圖像隱寫分割效果較好.

3 結(jié)語

提出的失真代價(jià)動態(tài)更新條件下的彩色圖像隱寫分割技術(shù)，該技術(shù)思路清晰，易于實(shí)現(xiàn)，將其作為二值圖像進(jìn)行隱寫分割，在隱秘信息安全存儲基礎(chǔ)上，按照相鄰分量動態(tài)調(diào)整失真情況，對含有加密圖像進(jìn)行分割.由實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠有效提高彩色圖像隱寫分割效果.

雖然在彩色圖像隱寫與分割方面采取了一定拓展行為，但受限于時(shí)間問題，需對該領(lǐng)域做出深入研究.如何設(shè)計(jì)更具有通用性隱寫分割方法，實(shí)現(xiàn)真正意義上通用，是該技術(shù)需要進(jìn)一步研究的主要問題.