基于最优DCT频段嵌入的JPEG图像可逆信息隐藏方法.pdf
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1、2023 年 8 月 Chinese Journal of Network and Information Security August 2023 第 9 卷第 4 期 网络与信息安全学报 Vol.9 No.4 基于最优 DCT 频段嵌入的 JPEG 图像可逆信息隐藏方法 周子扬,谭云,秦姣华,向旭宇(中南林业科技大学,湖南 长沙 410004)摘 要:JPEG(joint photographic experts group)图像不仅能够保证良好的画质,且所需存储空间较小,是目前互联网应用最广泛的图像格式。JPEG 图像可逆信息隐藏(RDH,reversible data hiding)方
2、法可以隐藏和提取秘密信息,并无损恢复原始图像,被广泛用于文件管理和图像认证,具有非常重要的意义。现有的大多数RDH 方法在嵌入秘密信息后会明显增加载密图像的存储空间,对基于离散余弦变换(DCT,discrete cosine transform)系数嵌入的方法来说,如何选择频段位置是影响 JPEG 图像可逆信息隐藏性能的关键问题。提出一种基于最优 DCT 频段嵌入的 JPEG 图像可逆信息隐藏方法。将熵解码后的 JPEG 图像分割成大小为 88 非重叠的 DCT 块,计算每个 DCT 块的平均纹理复杂度并进行升序排序,并将相邻 DCT 块中相同频段的交流系数(AC,alternating cu
3、rrent)进行两两配对,在满足待嵌入信息容量的条件下,根据 AC 系数频段的失真代价函数求出最优 AC 系数频段位置集合。根据所设计的二维直方图映射策略嵌入秘密信息。实验结果表明,与现有方法相比,所提方法不仅降低了载密图像文件存储大小的扩展,且载密图像能够保持良好的视觉质量。关键词:JPEG 图像;可逆信息隐藏;二维直方图;平均纹理复杂度 中图分类号:TP393 文献标志码:A DOI:10.11959/j.issn.2096109x.2023061 JPEG reversible data hiding method based on optimal DCT frequency embed
4、ding ZHOU Ziyang,TAN Yun,QIN Jiaohua,XIANG Xuyu Central South University of Forestry and Technology,Changsha 410004,China Abstract:Joint photographic experts group(JPEG)images are widely used on the Internet due to their ability to maintain good picture quality while requiring less storage space.Rev
5、ersible data hiding(RDH)techniques for JPEG images enable the hiding and extraction of secret information while allowing for lossless restoration of the original image.RDH is of great significance in file management and image authentication.However,many existing RDH 收稿日期:20221128;修回日期:20230130 通信作者:
6、谭云, 基金项目:国家自然科学基金(62002392);湖南省自然科学基金(2020JJ4140,2020JJ4141,2022JJ31019)Foundation Items:The National Natural Science Foundation of China(62002392),The Natural Science Foundation of HunanProvince(2020JJ4140,2020JJ4141,2022JJ31019)引用格式:周子扬,谭云,秦姣华,等.基于最优 DCT 频段嵌入的 JPEG 图像可逆信息隐藏方法J.网络与信息安全学报,2023,9(4):
7、166-177.Citation Format:ZHOU Z Y,TAN Y,QIN J H,et al.JPEG reversible data hiding method based on optimal DCT frequencyembeddingJ.Chinese Journal of Network and Information Security,2023,9(4):166-177.第 4 期 周子扬等:基于最优 DCT 频段嵌入的 JPEG 图像可逆信息隐藏方法 167 methods result in a significant increase in the storage
8、 space of the encoded image after embedding secret information.For methods based on discrete cosine transform(DCT)coefficient embedding,the key issue that affects the performance of reversible information hiding in JPEG images is how to select the frequency band position.A reversible information hid
9、ing method for JPEG images was proposed,based on optimal DCT frequency embedding.The entropy decoded JPEG image was divided into 88 non-overlapping DCT blocks.The average texture complexity of each DCT block was calculated and ordered in ascending order.Then the alternating current(AC)in adjacent DC
10、T blocks was paired pairwise.By satisfying the capacity of the information to be embedded,the optimal AC coefficient frequency position set was obtained from the distortion cost function of the AC coefficient frequency.The secret information was embedded according to the designed two-dimensional his
11、togram mapping strategy.Experimental results demonstrate that the proposed method can reduce the expansion of the loaded image files storage size compared to existing methods,while maintaining good visual quality of the cover image.Keywords:JPEG image,reversible data hiding,two-dimensional histogram
12、,average texture complexity 0 引言 可逆信息隐藏1是信息隐藏领域中一个非常重要的分支。1997 年,Barton2首次在一项专利中提出,可逆信息隐藏方法可以将秘密信息嵌入载体中(如图像、视频、文本等),目标用户可以从嵌入信息后的载体中提取信息。近年来,研究者开发了许多可逆信息隐藏技术的新型应用,如可逆对抗样本、可逆视觉转换和可逆图像处理等,由此可见,可逆信息隐藏已经成为信息隐藏领域非常热门的研究方向。JPEG 是一种压缩图像格式,在压缩率和图像视觉质量之间提供了一个很好的权衡,被广泛使用于数码相机和其他摄影设备。图像压缩的原理是通过压缩原始图像中存在的冗余空间来降
13、低存储大小。JPEG 图像的可逆信息隐藏技术在对内容敏感的医学、法律、军事等领域中得到了广泛应用。除此之外,JPEG 图像嵌入秘密信息后,不仅会降低图像的视觉质量,而且会造成文件存储大小的增长。因此,与空域可逆信息隐藏相比,压缩域可逆信息隐藏的评价标准除了视觉质量和嵌入容量之外,还有载密图像的文件存储大小。然而,这 3 个方面是互斥的,提高某个方面的性能,会对其他两个方面的性能有负面影响,如何平衡这 3 个方面的性能是目前研究者关注的方向。按照对 JPEG 图像修改位置的不同,基于 JPEG 图像的可逆信息隐藏方法主要分 3 种:第一种是基于修改量化表的可逆信息隐藏方法3-5,第二种是基于修改
14、哈夫曼表的可逆信息隐藏方法6-13,第三种是基于修改量化 DCT 系数的可逆信息隐藏(主要是修改 AC 系数)方法14-27。(1)基于修改量化表的可逆信息隐藏 2002 年,Fridrich 等3首次提出了修改量化表中的步长系数来实现 JPEG 图像的可逆信息隐藏,将量化表中的步长系数修改为原来的 1/2,并向下取整,将 DCT 系数修改为原来的 2 倍,然后通过最低有效位替换的方法将秘密信息嵌入 DCT 系数中来实现信息隐藏,每个修改后的 DCT 系数都可以嵌入 1 bit 的信息。随后,Wang 等4在此基础上进行了扩展,将量化表修改为原来的 1/K,以此来嵌入更多的秘密信息。Chen
15、等5认为不同 DCT 频段的系数变化会因量化步长的不同对图像的失真产生不一样的效果,因此将不同 DCT 频段的系数根据待嵌入的秘密信息和量化步长的不同来设置不同的缩放系数 K,该方法能得到更好的视觉质量。但是不同质量因子的 JPEG 图像有标准的量化表,修改量化表后相当于采用了非标准的量化表,因此在嵌入数据后进行哈夫曼编码时压缩性能会变差,导致载密图像的文件大小显著增加。(2)基于修改哈夫曼表的可逆信息隐藏 2010 年,Mobasseri 等6首次提出了变长编码(VLC,variable length code)映射,他们通过建立已使用的变长编码和未使用的变长编码的映射来嵌入秘密信息,此类方
16、法可以使载密图像的文件大小不变,但是嵌入的容量较少。随后,Qian等7和 Du 等8-9在此方向上做出了改进,Du 等9通过建立通用 VLC 映射模型并且使用非等长VLC 映射提高嵌入容量。Qiu 等10提出了一种根168 网络与信息安全学报 第 9 卷 据待嵌入秘密信息的大小来合理选择嵌入方法的方法,将 VLC 重排列和 VLC 映射结合起来根据秘密信息的大小选择其中较好的方法。虽然此类方法能够保证载密图像的大小不变,但是能够嵌入的秘密信息非常有限。Du 等13提出了一种自适应创建哈夫曼表来重新定义映射关系,而不是从原始哈夫曼表中未使用的代码中进行选择,该方法显著降低了载密图像文件大小的扩展
17、。(3)基于修改量化 DCT 系数的可逆信息隐藏 2007 年,Xuan 等14将对直方图修改的方式应用在 JPEG 图像的 RDH 中,对量化后的 DCT系数直方图进行多轮嵌入。2016 年,Huang 等15提出了一种非常经典的基于直方图平移的方法,该方法只将量化后的值为1 的 AC 系数嵌入秘密信息,而值为 0 的 AC 系数保持不变,剩余的 AC系数为了确保可逆性进行相应的移动,该方法有效增加了图像的容量,在视觉质量上有不错的性能。随后,Wedaj 等16求得 AC 系数频段的嵌入效率来嵌入秘密信息。Hou 等17通过计算出每个AC 系数频段的嵌入失真来选择合适的频段嵌入秘密信息。Yi
18、n 等18提出了多目标优化的新方法,该方法同时考虑了载密图像的视觉质量和文件大小的扩展,进一步提高了载体图像的视觉质量并降低了载密图像文件大小的扩展。He 等19建立了一种信息嵌入的负面影响模型,其中用参数a控制倾向程度。当a为 0 时,则只对载密图像的视觉质量进行优化,当a为 1 时,则只考虑对载密图像的存储大小的扩展进行优化。该方法找到嵌入失真较低位置的同时,计算复杂度明显提高。为了提高 JPEG 图像的嵌密容量,Di 等20将值为0 的 AC 系数嵌入秘密信息,而 Yao 等21引入双重 JPEG 图像策略来提高容量。Lyu 等22则通过在 DCT 系数域和熵编码域同时嵌入秘密信息,并通
19、过优化载荷分配算法求得最优分配解。Zhan 等23使用了类似方法,但只是将辅助信息嵌入熵编码域中。在空域图像中,Ou 等28使用预测误差方法实现可逆信息隐藏时,为了更好地利用预测误差的相关性,将两个相邻的预测误差配对得到二维预测误差直方图,然后设计一种更有效的嵌入策略来嵌入信息,该方法取得了显著效果。随后,文献25-27将这种方法引入变换域图像中并进行了改进,提出了各种基于二维直方图修改 JPEG图像可逆信息隐藏的方法来提高性能。综上所述,对于 JPEG 图像的 RDH,除了考虑载体图像的嵌入容量和图像质量之外,文件存储大小的扩展程度也是十分重要的评价指标之一。因此,本文提出了一种新的基于最优
20、 DCT 频段嵌入的 JPEG 图像可逆信息隐藏方法,根据 AC系数频段的失真代价函数来构造最优 AC 系数频段位置集合,并设计了一种新的二维直方图映射策略来嵌入秘密信息。与现有方法相比15-19,所提方法不仅能够保持良好的视觉质量,而且明显降低了载密图像存储大小的扩展。1 本文方法 1.1 块选择策略 目前提出的RDH方法大多根据零AC系数的数量进行块选择,零系数多的块优先嵌入秘密信息。但是一个具有更多零系数的 DCT 块并不意味着当前块在嵌入信息后能产生更小的失真17且不能代表块之间有较强的相关性。考虑以上问题,本文提出一种根据 DCT 块的平均纹理复杂度进行块选择的方法,平均纹理复杂度越
21、小的块,越先嵌入秘密信息,如式(1)、式(2)所示。iiiRGX(1)其中 123(163)iiiiikRQQQQk(2)式中,iG表示第i个块的平均纹理复杂度,iR表示第i个块的纹理复杂度,iX表示第i个块中非零 AC 系数的个数,ikQ表示第i个块中第k个非零 AC 系数频段对应量化表中的量化步长。该块选择方法有以下优点。1)由于iR和iX在秘密信息嵌入过程和提取过程中不会改变,因此块选择时不需要辅助信息进行标记。2)通过计算块的平均纹理复杂度可以更好地体现 DCT 块之间的相关性,在排序过程中相关性越强的块越靠近。如图 1 所示,将每个 88 的DCT 矩阵块通过 Zig-Zag 转化为
22、 641 的向量,并去掉直流(DC,direct current)系数,蓝点表第 4 期 周子扬等:基于最优 DCT 频段嵌入的 JPEG 图像可逆信息隐藏方法 169 示该频段 AC 系数不为 0。其中图 1(a)图 1(c)根据零系数的数量进行排序,图 1(d)图 1(f)根据本方法进行排序。1.2 二维直方图映射策略 量化操作导致每个DCT块内相邻AC系数的相关性较弱,而每个块相同频段的 AC 系数相关性较强。因此,本文采用相邻 DCT 块中相同频段AC 系数进行两两配对,如图 2 所示。系数对记作1(,)(1163)nniixxnNi ,N表示 DCT 块的总数,系数对中的一个AC 系
23、数可以为0。本文提出 图 1 Lena 图像排序后的部分 DCT 块(QF=70)Figure 1 Partial DCT blocks of Lena after sorting(QF=70)图 2 相邻 DCT 块系数配对过程 Figure 2 Matching process of adjacent DCT block coefficients 170 网络与信息安全学报 第 9 卷 的AC 系数配对策略中的系数对有6 种类型,如下。类型 A:11(,)(|=1|=1)nnnniiiixxxx,类型 B:11(,)(|1,|2)nnnniiiixxxx 类型 C:11(,)(|2,|1)
24、nnnniiiixxxx 类型 D:11(,)(|=0|1)nnnniiiixxxx,=或 1(|1|=)nniixx=,0 类型 E:11(,)(|=0|1)nnnniiiixxxx,或 1(|1|=)nniixx,0 类型 F:11(,)(|2|2)nnnniiiixxxx,其中,属于类型 A、B、C、D 的系数对(统称为嵌入系数对)用于信息嵌入,而属于类型 E、F 的系数对仅对其进行平移以保证可逆性(统称为移位系数对)。与 Li 等26的二维映射策略不同的是:本文设计添加类型 D(注:与 Li 等所设计的类型 D 不同)来提高图像载密容量,同时类型 A 的数量会减少(注:这里的提高载密容
25、量只是相对基于二维直方图嵌入信息的方法),相应地需要添加类型 E 进行平移来保证可逆性;通过实验发现属于11(,)(|=2|=2)nnnniiiixxxx,的系数对(记作类型 B*)明显小于类型 B 的系数对,为了使属于类型 B 的系数对在嵌入秘密信息时减少位移,本文将属于类型 B*的系数对用作平移来保证可逆性。图 3 列举了质量因子(QF)分别为 70 和 90 的 Lena 和 Boat 图像在进行 AC 系数配对后这 6 种类型所占的比例。本文所提二维直方图映射策略如图 4 所示。(0,1)m表示秘密信息,当m=1 时,其中属于类型 D 系数对的信息嵌入过程用式(3)和式(4)表示。11
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