基于DCT域的菱形編碼圖像隱寫改進(jìn)算法

高紅霞

(河南工程學(xué)院 計算機(jī)學(xué)院，河南 鄭州 450007)

基于DCT域的菱形編碼圖像隱寫改進(jìn)算法

高紅霞

(河南工程學(xué)院 計算機(jī)學(xué)院，河南 鄭州 450007)

為提高嵌入秘密圖像的信息量和嵌入后載體圖像的質(zhì)量，在行程編碼、菱形編碼和DCT域的基礎(chǔ)上，提出了基于DCT域的菱形編碼圖像隱寫改進(jìn)算法。采用菱形編碼有效地提高了嵌入率，對JPEG標(biāo)準(zhǔn)化量化表進(jìn)行了改進(jìn)，更有利于秘密信息的嵌入。對行程編碼進(jìn)行了改進(jìn)，使秘密圖像的壓縮效率更大。經(jīng)過與F5隱寫算法對比實驗表明，F(xiàn)5隱寫算法只能嵌入一幅尺寸為64×64的灰度圖像，而改進(jìn)算法能夠嵌入一幅尺寸為240×240的灰度圖像，且PSNR>30 dB，大大提高了加密信息的嵌入量，并保持了嵌入后載體圖像的質(zhì)量。

行程編碼；菱形編碼；離散余弦變換；JPEG標(biāo)準(zhǔn)量化表

圖像通信發(fā)展迅速，且圖像通信的范圍在日益擴(kuò)大，安全問題也日益嚴(yán)重。有很多的軍事地圖、重要的商業(yè)資料或者機(jī)密設(shè)備制造的圖紙等，在存儲和傳輸?shù)倪^程中都需要進(jìn)行保密處理[1]。因此針對圖像信息秘密傳輸?shù)碾[寫方法是非常有必要的。目前改變較少的載體數(shù)據(jù)來嵌入較多的秘密信息的隱寫編碼技術(shù)最為常用[2]。文獻(xiàn)[3]提出了一種基于方向調(diào)整的隱寫方法，利用不同的調(diào)整方向表示不同的秘密信息，提高了嵌入效率。變換域隱寫抗攻擊能力強(qiáng)，嵌入容量有待提高，本文將菱形編碼應(yīng)用于DCT域隱寫中能夠很好地提高DCT域隱寫容量，同時對行程編碼和JPEG量化表進(jìn)行了改進(jìn)，壓縮了秘密信息圖像，而且更有利于秘密信息圖像的嵌入。由于菱形編碼的嵌入率比方向編碼更大，而且算法易于實現(xiàn)，具有很大的實際應(yīng)用價值。

1 隱寫算法的改進(jìn)

菱形編碼(Diamond Encoding)能夠在兩個像素之中最多以幅度K改動一個像素值來隱藏一個2K2+2K+1進(jìn)制數(shù)，與方向編碼相比，具有更高的嵌入率。菱形編碼的具體算法如下。

假設(shè)A=(a1，a2)為一幅灰度圖像的兩個像素值，記L=2K2+2K+1，對于這一組像素值。計算如下

(1)

假設(shè)秘密信息為二進(jìn)制的數(shù)據(jù)流，則在接下來的計算中需要將秘密信息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為L進(jìn)制的數(shù)據(jù)[4]。假設(shè)秘密信息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化之后為s，則s是一個L進(jìn)制的數(shù)據(jù)，即s的范圍為[0，(L-1)]，計算如下

P=[s-f(a1,a2)]modL

(2)

由式(2)可知，P的范圍也為[0，(L-1)]，是對載體信息進(jìn)行改變的參數(shù)。根據(jù)不同的K以及不同的P，對載體信息進(jìn)行不同的改變。假設(shè)K=1，L=5。如圖1和圖2所示。

圖1 K=1時P的值所在位置圖

圖2 K=1時(a1，a2)改變方式圖

由圖1及圖2可知：

1)當(dāng)P=0時，嵌入后的載體數(shù)據(jù)依然為B=A=(a1，a2)；

2)當(dāng)P=1時，嵌入后的載體數(shù)據(jù)為B=(a1，a2+1)；

3)當(dāng)P=2時，嵌入后的載體數(shù)據(jù)為B=(a1+1，a2)；

4)當(dāng)P=3時，嵌入后的載體數(shù)據(jù)為B=(a1-1，a2)；

5)當(dāng)P=4時，嵌入后的載體數(shù)據(jù)為B=(a1，a2-1)。

對于不同的K值對應(yīng)有不同的菱形編碼算法模型，給出K=2時的算法模型，如圖3和圖4所示。

圖3 K=2時P的位置圖

圖4 K=2時P的位置圖

由于(a1，a2)的改變方式很容易根據(jù)P的位置得到，下面只列出K=3時P的位置，如圖5所示。

圖5 K=3時P的位置圖

假設(shè)嵌入后的一組像素值為B=(b1，b2)，s即為所求秘密信息數(shù)據(jù)，再將秘密數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)據(jù)，即可得到原始秘密信息。

(3)

s=[P-f(b1,b2)]modL

(4)

2 JPEG標(biāo)準(zhǔn)量化表及行程編碼的改進(jìn)

2.1 JPEG標(biāo)準(zhǔn)量化表的改進(jìn)

由于DCT域隱寫通過對DCT系數(shù)的改變來隱藏秘密信息，而DCT系數(shù)在經(jīng)過ZigZag掃描之后從第一個數(shù)開始，所聚集的能量是依次遞減，而第一個數(shù)，也就是DCT能量最多的，因此一般不會改變DCT的值。為了使秘密信息能夠得到較高的保護(hù)，一般都是選取中低頻分量進(jìn)行秘密信息的嵌入[5]。參考已有量化表的改進(jìn)方式對量化表進(jìn)行改進(jìn)，文獻(xiàn)[6]采用了改進(jìn)的量化表進(jìn)行了秘密信息的嵌入，證明了這種方法的可行性，本算法用到改進(jìn)的量化表如圖6所示。

圖6 改進(jìn)后的量化表圖

由于越靠前面的系數(shù)承載了越多的能量，因此對前面的系數(shù)多做一些保留，使量化表中的數(shù)字小一點，后面的可以變大一點，但是為了更多地嵌入信息，使這些數(shù)字都保持在一定的范圍之內(nèi)，這樣的量化表更有利于秘密信息的嵌入，也能夠得到擁有較好質(zhì)量的載密圖像。

2.2 行程編碼的改進(jìn)

行程編碼[7]能夠有效地壓縮量化后的DCT系數(shù)，原理就是對于DCT系數(shù)來說，經(jīng)過ZigZag排序之后相鄰的系數(shù)為0的情況非常多，根據(jù)這一現(xiàn)象，行程編碼只是將出現(xiàn)的數(shù)字以及出現(xiàn)次數(shù)列出來，從而減少了數(shù)據(jù)量。然而，DCT系數(shù)ZigZag排序之后，其中前面的低頻系數(shù)并不都是連續(xù)出現(xiàn)相同的數(shù)字，因此，對于排在前面的數(shù)據(jù)來說，行程編碼非但沒有壓縮數(shù)據(jù)，反而使數(shù)據(jù)量增多，針對這種情況，提出了一種新的行程編碼，就是對于不是連續(xù)出現(xiàn)兩次或者兩次以上的數(shù)據(jù)，只是照寫數(shù)據(jù)，而不標(biāo)注數(shù)據(jù)個數(shù)[8]。

如對于一串?dāng)?shù)字：123444555555，傳統(tǒng)行程編碼編碼后為：1121314356，改進(jìn)的行程編碼編碼后為：1234956，改進(jìn)之后的數(shù)字串明顯比改進(jìn)之前的數(shù)字個數(shù)少。還可以發(fā)現(xiàn)，4的個數(shù)應(yīng)該是3，但是改進(jìn)的行程編碼卻用9來表示，原因在于解碼的時候可以準(zhǔn)確地區(qū)分哪個是數(shù)據(jù)，哪個是數(shù)據(jù)的個數(shù)。為了在實際中應(yīng)用，取的是被壓縮數(shù)據(jù)流中最大的那一個數(shù)作為門限值。在上面的例子中就是取最大值6，然后在6上加3，得到了表示數(shù)據(jù)個數(shù)的數(shù)字9。經(jīng)過實驗證明，新的行程編碼比傳統(tǒng)的行程編碼在秘密圖像的壓縮中效率更高，壓縮率更大。傳統(tǒng)行程編碼與改進(jìn)行程編碼的比較如表1所示。

表1 改進(jìn)后行程編碼與行程編碼比較 個

由表1的實驗結(jié)果可以明顯看出改進(jìn)后的行程編碼對數(shù)據(jù)的壓縮效率更高，壓縮率達(dá)到了35%。

3 隱寫算法的嵌入與提取模型

3.1 嵌入算法模型

基于菱形編碼的DCT域隱寫算法的基本思想與傳統(tǒng)的DCT域隱寫算法的不同之處就在于兩個方面，一方面是針對傳統(tǒng)DCT域隱寫算法的嵌入量小的特點，提出了一種改進(jìn)后的量化表，針對菱形編碼的特點，改進(jìn)的量化表的使用既能夠使量化后的DCT系數(shù)中可嵌位增多，也可以使載密圖像視覺質(zhì)量比較好；另一方面就是對秘密圖像的壓縮處理過程，由于傳統(tǒng)的行程編碼已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，因此，對于秘密圖像的壓縮可以使需要被嵌入載體圖像中的秘密數(shù)據(jù)量大幅度減少。

但是傳統(tǒng)的行程編碼也存在一定的不足之處，因此對傳統(tǒng)的行程編碼也進(jìn)行了改進(jìn)，在嵌入量上具有更大的優(yōu)勢。秘密信息嵌入算法主要可以分為幾個步驟：首先對載體圖像進(jìn)行8×8分塊，然后對每塊進(jìn)行DCT變換；再對秘密圖像進(jìn)行8×8分塊，然后對每塊進(jìn)行DCT變換；然后用改進(jìn)的量化表對載體圖像DCT系數(shù)進(jìn)行量化，用JPEG標(biāo)準(zhǔn)量化表對秘密圖像DCT系數(shù)進(jìn)行量化[9]；用改進(jìn)的行程編碼對秘密圖像量化后的DCT系數(shù)進(jìn)行編碼，并進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為嵌入時需要的數(shù)據(jù)類型；利用菱形編碼將秘密數(shù)據(jù)嵌入到載體圖像數(shù)據(jù)中；最后對載體數(shù)據(jù)進(jìn)行反量化，然后進(jìn)行后續(xù)處理，完成隱寫過程。

3.2 提取算法模型

秘密信息提取過程：首先讀取已經(jīng)加密的載體圖像，根據(jù)事先確定的系統(tǒng)參數(shù)K，按照與嵌入過程一樣的順序，首先對含密載體圖像進(jìn)行8×8塊DCT變換[10]，然后對DCT系數(shù)用改進(jìn)的JPEG量化表進(jìn)行量化，接著對每一塊的每一組數(shù)據(jù)利用式(4)計算s，提取成2K2+2K+1進(jìn)制秘密數(shù)據(jù)序列，然后轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)據(jù)。將十進(jìn)制數(shù)據(jù)序列經(jīng)過反行程編碼還原成DCT系數(shù)，再將DCT系數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)JPEG反量化以及反余弦變換，最終得到經(jīng)過JPEG壓縮后的秘密圖像[11]。該提取算法提取出來的也是經(jīng)過壓縮后的秘密圖像，但是由于對秘密圖像采用的是JPEG標(biāo)準(zhǔn)量化表進(jìn)行量化，因此秘密圖像仍然具有很好的視覺效果。

4 實驗結(jié)果及分析

衡量隱寫效果的最直觀的標(biāo)準(zhǔn)是視覺效果，對提出的隱寫方法都做了大量的實驗來證實隱寫方法的可行性，并通過實驗觀察不同參數(shù)條件下的隱寫效果以及性能。

4.1 實驗結(jié)果

以大小512×512的Lena和Baby灰度圖像作為載體圖像，以一張240×240的攝影師圖像作為秘密圖像，設(shè)參數(shù)K=1。 實驗結(jié)果如圖7和8所示。

圖7 Lena和Baby嵌入前后對比

圖8 原始秘密圖像和提取出的秘密圖像

在DCT域中，DCT系數(shù)并不能全部用來嵌入秘密信息，該算法對于秘密數(shù)據(jù)的壓縮可以彌補(bǔ)一些這方面的缺陷，使得嵌入量間接增大，可見本文的算法在嵌入量上具有很好的提升效果，載密圖像的視覺效果也沒有出現(xiàn)大幅度下降的情況。通過實驗驗證，本文的隱寫方法能夠得到好的隱寫效果，含密圖像PSNR>35 dB，提取出的圖像PSNR>35 dB。從視覺上和客觀上，都能夠得到好的質(zhì)量效果。

4.2 嵌入性能分析與比較

菱形編碼最大的特點是具有很高的嵌入率。對于菱形編碼來說，K值決定了其嵌入率和嵌入效率，對于秘密信息來說，是一個L=2K2+2K+1進(jìn)制數(shù)，代表了lb(2K2+2K+1)比特的信息量，而載體信息長度是2，因此可以得到嵌入率為

(5)

同時，K值也決定了嵌入后載體圖像的視覺質(zhì)量，通過PSNR可看出圖像的質(zhì)量隨著K值的變化情況。表2列出了其中3幅圖像(大小均為512×512)在不同K值之下PSNR的變化情況。

表2 不同K值對PSNR影響

由于K=2時圖像的質(zhì)量都有比較明顯的下降，如圖9和圖10所示。

圖9 不同K值下Lena圖像嵌入后對比

圖10 不同K值下圖像質(zhì)量對比

因此最佳的K值應(yīng)該取1。與DCT域方向編碼隱寫算法一樣，也將本算法與F5隱寫算法進(jìn)行了比較，對于一幅尺寸為512×512的灰度圖像來說，當(dāng)使用本文算法時，能夠嵌入一幅尺寸為240×240的灰度圖像，而使用F5隱寫算法的時候，只能嵌入一幅尺寸為64×64的灰度圖像，單純從菱形編碼的嵌入率來計算，本文算法的嵌入率已經(jīng)超過了1，加上對秘密圖像的壓縮處理，嵌入量更大。

如圖11所示，圖11a是原始灰度圖像，圖11b是本文算法嵌入尺寸為240×240的灰度圖像所得，嵌入率已經(jīng)大于1，圖11c是使用F5隱寫算法嵌入尺寸為64×64的灰度圖像所得。

圖11 本文算法與F5隱寫算法比較結(jié)果

由圖11可知，本文算法K=1時的嵌入率大于1，而F5隱寫算法的嵌入率為0.42，雖然從圖像視覺效果上來看，兩者載密圖像的質(zhì)量相差不大，但是通過PSNR的值依然看出本文算法PSNR大于F5隱寫算法。不僅如此，在嵌入量上本算法也遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于F5隱寫算法，同時還保證了圖像的視覺效果。

5 結(jié)束語

提出的基于DCT域菱形編碼圖像隱寫算法是一種比較新的空間域隱寫算法，其思想與方向編碼非常類似，都是通過編碼的方式以較小的改變量來嵌入較多的秘密信息，在嵌入量與抗攻擊性能方面都具有較強(qiáng)的優(yōu)勢。將這樣的一種算法用于DCT域，不僅能夠更好地發(fā)揮這一優(yōu)勢，還能夠彌補(bǔ)DCT域隱寫算法的缺陷。通過對載體信息以及秘密信息的預(yù)處理使得原有算法在嵌入率和抗攻擊性能兩個方面都得到了比較好效果。

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Improved Image Steganographic Algorithm Based on Diamond Coding in DCT Domain

GAO Hongxia

(CollegeofComputer，HenanInstituteofEngineering，Zhengzhou450007，China)

To improve the amount of information embedded secret image and the image quality after embedding， the improved image steganographic algorithm based on diamond coding is proposed on the basic of the length encoding， diamond coding and DCT domain. The embedding rate is improved by diamond coding， and the JPEG quantization tables for standardization is improved so that the secret information can be embedded easily. The length encoding is also improved so that the compression efficiency of secret image is greater. The comparing experiments with F5 steganographic algorithm show that the F5 steganographic algorithm can only embed one grayscale image with the size of 64×64， and the improved algorithm can embed a grayscale image with the size of 240×240， whosePSNR>30 dB， which can greatly increase the amount of encrypted information embedding and maintain a quality of the image carrier after embedding.

length encoding； diamond encoding； discrete cosine transform； JPEG standard equalization table

【本文獻(xiàn)信息】高紅霞.基于DCT域的菱形編碼圖像隱寫改進(jìn)算法[J].電視技術(shù),2015，39(11).

國家自然科學(xué)基金項目(71173248)

TP309+.2

A

10.16280/j.videoe.2015.11.005

高紅霞(1978— )，女，講師，碩士，主要研究方向為圖像處理與多媒體技術(shù)。

責(zé)任編輯：時 雯

2014-06-12