夏婷婷

(武夷學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院，福建 武夷山 354300)

由于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和傳播，目前互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為最為重要的通訊方式之一，然而在互聯(lián)網(wǎng)中傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，卻存在一定的網(wǎng)絡(luò)安全問題，如：偽造、侵犯版權(quán)、欺詐等。因此，為了保護(hù)數(shù)據(jù)安全，尤其是敏感數(shù)據(jù)，有幾種技術(shù)被設(shè)計(jì)出來，其中數(shù)據(jù)隱藏技術(shù)(又稱信息隱藏技術(shù))就是其中之一，近年來數(shù)據(jù)隱藏技術(shù)受到了學(xué)者們的廣泛關(guān)注。

數(shù)據(jù)隱藏技術(shù)依據(jù)封面圖像是否可以被恢復(fù)分為可逆和不可逆兩大方向[1-2]。前者指接收方收到隱寫圖像后，在提取出秘密信息后，可以完全恢復(fù)出原始圖像。而后者，在提取出秘密信息后，卻無法恢復(fù)原始圖像。

數(shù)據(jù)隱藏技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于空間域、頻域和壓縮域這3個(gè)領(lǐng)域。空間域是通過修改原始圖像的像素值來嵌入秘密信息，最低有效位LSB算法是空間域經(jīng)典算法之一[3]。頻域是通過頻域變換后的系數(shù)將秘密信息進(jìn)行隱藏，典型方法有離散小波變換(DWT) 、離散余弦變換(DTC)。壓縮域是利用壓縮算法的特征進(jìn)行秘密信息嵌入，典型方法有向量量化VQ，聯(lián)合圖像專家組JPEG，塊截?cái)嗑幋aBTC，自適應(yīng)塊截?cái)嗑幋aAMBTC等[4-5]。 其中AMBTC具有壓縮后圖像視覺品質(zhì)高、方法簡單、傳輸效率高等優(yōu)點(diǎn)[6-7]。

本文提出的算法是基于AMBTC壓縮領(lǐng)域的信息隱藏，這一領(lǐng)域中，利用(7,4)漢明碼進(jìn)行信息隱藏算法，在秘密信息提取后，原始圖像通常是無法被恢復(fù)的，但是本文采取的算法是將峰值位圖和(7,4)漢明碼有機(jī)結(jié)合，從而達(dá)到數(shù)據(jù)完全可逆的目的。為了進(jìn)一步提升圖像品質(zhì)和信息隱藏能力，文章將采取兩類峰值位圖進(jìn)行信息隱藏。

1 矩陣編碼

1.1 (7,4)漢明碼構(gòu)成

圖1 (7，4)漢明碼Fig.1 (7，4)Hamming coding

1950年，理查德·衛(wèi)斯里·漢明提出一種線性分組碼，并命名為(7,4)漢明碼，之后被廣泛的應(yīng)用于信息隱藏領(lǐng)域，來達(dá)到滿意的隱寫圖像視覺效果[8-10]。(7,4)漢明碼的碼長為7比特，4位信息位d1,d2,d3,d4，3位監(jiān)督位p1,p2,p3，因此，構(gòu)成的碼字為[p1p2d1p3d2d3d4]，其中，信息位元與監(jiān)督位元的關(guān)系，如圖1所示。

1.2 (7,4)漢明碼糾錯(cuò)原理及應(yīng)用

接收方可以通過監(jiān)督矩陣H糾正(7,4)漢明碼的一位錯(cuò)誤，具體如式(1)、式(2)所示。Z表明了收到的碼字RCW,發(fā)生錯(cuò)誤的位置。假設(shè)發(fā)送碼字CW =(0100101),收到碼字RCW=(0110101),則校驗(yàn)子Z=(011)T與監(jiān)督矩陣第三列一樣，這意味著接收到的碼字第三位發(fā)生了錯(cuò)誤，具體如圖2所示。

(7,4)漢明碼的監(jiān)督矩陣:

(1)

Z=(H×RCWT)T

(2)

圖2 基于(7,4)漢明碼檢錯(cuò)的案例Fig.2 The error detection example based on (7,4)Hamming code

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 總體框架

本文提出的可逆信息隱藏，主要基于AMBTC壓縮技術(shù)和(7,4)漢明碼。信息隱藏方式采取兩種，一類將秘密信息隱藏于高、低量化值相等的位圖中，采取的方式為直接提取16比特秘密信息，然后替換相應(yīng)的全“1”位圖；一類通過(7,4)漢明碼“改一藏三”的方式，將6比特信息隱藏于峰值位圖中。為了方便后續(xù)的信息提取，要將峰值位圖的高、低量化值的前后順序進(jìn)行前后對(duì)調(diào)，起到標(biāo)識(shí)的作用。具體如圖3所示。

圖3 整體方案的流程框圖Fig.3 Flow diagram of the overall scheme

2.2 (7,4)漢明碼嵌入秘密信息策略

Z=(H×BMT)T⊕S

(3)

圖4 (7,4)漢明碼藏秘策略Fig.4 (7,4) Hamming code hiding secret strategy

3 秘密信息的嵌入和提取

3.1 秘密信息嵌入過程

1)將512×512像素的灰度圖像Q，按4×4大小分割成圖像塊。

2)對(duì)每個(gè)圖像塊經(jīng)過AMBTC壓縮后，得到一組(h,l,B)，其中h為高量化值、l為低量化值，B為位圖。

3)取出每個(gè)圖像塊的位圖中16比特的“0”和“1”位元值，形成二進(jìn)制數(shù)值，并將其轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)值，統(tǒng)計(jì)每個(gè)十進(jìn)制數(shù)值出現(xiàn)的頻數(shù)ai，其中頻數(shù)最大的十進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)的位圖稱為第一類峰值位圖，頻數(shù)第二大的十進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)的位圖稱為第二類峰值位圖。

4)搜索到所有第一類峰值和第二類峰值，然后對(duì)第一類峰值和第二類峰值進(jìn)行標(biāo)記區(qū)別，做法如下：

將第一類峰值位圖的高量化值的最低位LSB，用“0”代替，將第二類峰值位圖的高量化值得最低位LSB，用“1”代替，然后將兩類峰值位圖對(duì)應(yīng)的原高量化值的最低位數(shù)值記錄到標(biāo)記圖(location map)里，為了后續(xù)原始圖像的恢復(fù)。

5)將兩類峰值位圖的其高、低量值進(jìn)行前后對(duì)調(diào)。其中有一種特殊情況，當(dāng)?shù)谝活惙逯滴粓D的高量化值的最低位，用“0”代替后，替換后的高量化值恰巧跟低量化值相等，如圖5所示，這個(gè)峰值位圖的高低量化值將不進(jìn)行對(duì)調(diào)，保持原樣，意味著該峰值位圖被舍棄，不做任何信息隱藏。

圖5 特殊情況的一個(gè)例子Fig.5 An example of exceptional cases

6)將標(biāo)記圖里的信息流接在真正秘密信息流前端，將一同作為需嵌入的秘密信息。

7)搜索到第一個(gè)高、低量化值相等的位圖塊，從秘密信息流中提取16比特信息直接嵌入到相應(yīng)位圖中。重復(fù)這個(gè)過程，直到所有的高、低量化值相等的位圖塊都完成秘密信息的嵌入。

8)搜索到第一類峰值里的第二個(gè)峰值位圖，根據(jù)(7,4)漢明碼的信息隱藏原理，如2.2所述，提取秘密信息中6比特信息，然后修改其峰值位圖里的2比特，將秘密信息嵌入其中。重復(fù)這個(gè)步驟，直到最后第一類峰值的最后一個(gè)峰值位圖都完成了秘密信息嵌入。同理，將第二類峰值位圖也進(jìn)行秘密信息嵌入。

9)對(duì)AMBTC壓縮碼進(jìn)行重構(gòu)，可得到藏有秘密信息的AMBTC壓縮圖像。

3.2 秘密信息提取過程

1)對(duì)隱寫圖像進(jìn)行AMBTC壓縮，得到每一塊圖像的壓縮碼。

2)搜索高低量化值前后順序?qū)φ{(diào)的塊個(gè)數(shù)P。

3)檢索高、低量化值相等的壓縮塊時(shí)，直接從相應(yīng)位圖中提取出秘密信息，并將全“1”位圖覆蓋。檢索出高、低量化值前后順序?qū)φ{(diào)的位圖，通過高量化值的最低位標(biāo)記“1”或“0”可以區(qū)分出第一類峰值和第二類峰值，根據(jù)(7,4)漢明碼的嵌入原理，可以提取出第一類峰值里所藏的秘密信息，接著同理提取出第二類峰值位圖里的秘密信息。此時(shí)，完成了所有秘密信息的提取。

4)檢索到兩類峰值位圖的各自第一個(gè)位圖，并恢復(fù)其類對(duì)應(yīng)的其他峰值位圖。然后，將所有提取的秘密信息的前P個(gè)比特信息用來恢復(fù)原始兩類峰值位圖高量化值的最低位信息。最后，利用此時(shí)的AMBTC壓縮碼，完全恢復(fù)出原始的灰度圖像。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了進(jìn)一步觀察提出方案的實(shí)驗(yàn)效果，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試和分析。所有實(shí)驗(yàn)運(yùn)行在Matlab 2015a下，并從USC-SIPI數(shù)據(jù)庫中選取了6張經(jīng)典的灰度圖進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試，其灰度圖像素大小為512×512，具體圖像如圖6所示。

圖6 6張灰度圖Fig.6 Six grayscale images

采用3種評(píng)估指標(biāo)：信息隱藏能力HC、信息嵌入率ER、峰值信噪比(PSNR)、參數(shù)。

信息隱藏能力是指嵌入到封面圖像中的秘密信息總比特?cái)?shù)，較高的信息隱藏能力表明有更多的秘密信息被進(jìn)行了信息傳輸。

信息嵌入率指而被嵌入到AMBTC壓縮碼中的秘密信息所占的百分比，具體公式如下：

(4)

其中，‖CF‖ 是AMBTC壓縮碼的總比特?cái)?shù)。

圖像的視覺品質(zhì)是通過PSNR來測(cè)量，PSNR越大意味著被測(cè)量的圖像視覺質(zhì)量越接近原始圖像，PSNR的公式如式(5)、式(6)所示，其中，xi、yi分別原始像素值、隱寫圖像的像素值，MSE表示平均誤差，M、N分別是封面圖像的長、寬。

(5)

(6)

通過表1可知，原始圖像經(jīng)過AMBTC壓縮后，圖像的品質(zhì)PSNR平均值為32.23 dB，而隱寫圖像的PSNR平均為32.00 dB，總體平均下降了0.23 dB，這表明在本方案下的隱寫圖像具有較高的圖像品質(zhì)。第一類峰值位圖平均個(gè)數(shù)為297，第二類峰值位圖平均個(gè)數(shù)為241，可見前兩類峰值位圖個(gè)數(shù)比較接近，具有較明顯的峰值現(xiàn)象。本方案下的信息隱藏能力平均值為3 248 bits，其主要依賴于矩陣嵌入策略。

表1 方案的實(shí)驗(yàn)效果

為了進(jìn)一步評(píng)估本方案的實(shí)驗(yàn)效果，將本方案與采用一類峰值位圖的信息隱藏方案進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比。由表2觀察6張測(cè)試圖的隱寫圖像PSNR值可以發(fā)現(xiàn)，本文提出可逆信息的隱寫方案，與采用一類峰值位圖的隱寫方案，具有同樣高的圖像視頻品質(zhì)。采用第一類峰值位圖信息隱藏方案，平均信息隱藏能力和平均嵌入率分別為1 808比特、0.003 4，本方案的平均信息隱藏能力和平均嵌入率，分別為3 248比特、0.006 2，可見本方案是前者的1.82倍。

表2 采用不同峰值位圖的信息隱藏方案的數(shù)據(jù)對(duì)比

5 結(jié)論

本文提出的方法是對(duì)一類峰值位圖信息隱藏方案進(jìn)行方法改良，利用AMBTC技術(shù)壓縮原始圖像，通過高量化值的最低位LSB對(duì)兩類峰值位圖進(jìn)行標(biāo)記，并采用將標(biāo)記圖信息作為秘密信息回藏入位圖的方式，為后續(xù)圖像信息的完全可逆提供保障。與一類峰值位圖信息隱藏方法比，該方法在保障了較高的圖像品質(zhì)的前提下，信息隱藏力得到了大幅度提升。