偏置型像素預(yù)測的航拍圖像可逆信息隱藏

項洪印，苑津莎，侯思祖

(華北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河北 保定071000)

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偏置型像素預(yù)測的航拍圖像可逆信息隱藏

項洪印，苑津莎，侯思祖

(華北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河北 保定071000)

航拍絕緣子圖像在電力線路設(shè)備巡檢中具有重要意義，無人機一般使用電荷藕合器件圖像傳感器，拍出的絕緣子圖像通常分辨率低、噪點多、背景復(fù)雜度差別大，因此對信息嵌入容量和圖像保真度要求高。針對上述特點，提出了一種基于偏置型像素預(yù)測的可逆信息隱藏方法。新方法標識了動態(tài)窗口像素塊內(nèi)的像素，設(shè)計了偏置型預(yù)測像素選擇策略，結(jié)合均衡型方案對SIPI標準圖像庫的Lena和Airplane以及3幅航拍工況絕緣子圖像進行了實驗分析。結(jié)果表明，偏置型方案可以在不降低嵌入質(zhì)量的前提下，獲得更高的嵌入容量。

可逆信息隱藏；偏置型預(yù)測像素；像素排序；航拍圖像；絕緣子圖像

1　可逆信息隱藏

可逆信息隱藏是一種脆弱水印，不僅可以傳輸隱藏信息，還可以實現(xiàn)圖像的自我認證[1]，廣泛應(yīng)用于軍事、衛(wèi)星、醫(yī)學(xué)和法律證據(jù)數(shù)字圖像[1-2]的數(shù)字信號處理中。電力設(shè)備圖像特別是故障圖像也是一種敏感圖像，研究可逆信息隱藏在行業(yè)中的應(yīng)用可提高信息安全水平。絕緣子主要用來保證絕緣性能，是輸配電線路中的關(guān)鍵元器件[3]，同時也容易發(fā)生污閃、裂紋[4]、掉串和破損[5]等嚴重故障，因此工況絕緣子圖像在電力系統(tǒng)中應(yīng)用頻繁，本文將研究基于航拍絕緣子圖像的可逆信息隱藏方法。

現(xiàn)有的數(shù)字圖像可逆信息隱藏主要有兩大類方法：

1)空間域類，即計算像素灰度值及其分布，利用某種可逆運算嵌入信息比特。典型算法有差值擴展類、直方圖平移類、預(yù)測類和排序類。差值擴展技術(shù)最早由Tian提出，利用相鄰兩個像素的灰度差值來嵌入數(shù)據(jù)[6]。隨后，差值擴展和調(diào)整的改進方法[7-9]不斷涌現(xiàn)，改進了嵌入容量和峰值信噪比(Peak Signal To Noise Ratio，PSNR)。Ni最早利用直方圖平移方法在峰值比例像素處嵌入數(shù)據(jù)[10]，進一步提升了PSNR。Thodi提出了預(yù)測誤差擴展(Prediction Error Expansion，PEE)方法[11]，Sachnev則引入了排序技術(shù)來減少灰度值變化引起的失真[12]，Li[1]結(jié)合像素值排序(Pixel Value Ordering，PVO)和PEE提出了高保真度的信息隱藏方法。隨后，歐博充分利用像素塊中同等差值的灰度像素，嵌入同樣信息比特，提出了PVO-k算法，提高了嵌入容量[13]。Qu利用動態(tài)預(yù)測像素活動窗口預(yù)測目標像素，提出了逐像素預(yù)測排序算法(Pixel-based Pixel Value Ordering，PPVO)[14]，大大提升了圖像嵌入容量。

2)變換域類，即將圖像先通過離散余弦變換(Discrete Cosine Transform，DCT)[15]、小波變換[16]或奇異值分解(Singular Value Decomposition，SVD)[17]，再嵌入信息的方法。這類方法具有一定的抗縮放、旋轉(zhuǎn)等攻擊能力，但嵌入容量和嵌入質(zhì)量有待提高。

絕緣子一般安裝于鐵塔上，位置較高，無人機巡檢逐漸成為絕緣子狀態(tài)檢修的重要方法。無人機一般使用電荷藕合器件(Charge Coupled Device，CCD)傳感器，為保證實時性，航拍圖像一般分辨率較低，并且噪點較多，因此嵌入容量一般較小。預(yù)測排序類算法一般能提供較大的嵌入容量，本文針對背景復(fù)雜程度不一的航拍絕緣子圖像，提出一種基于偏置型預(yù)測像素選擇的預(yù)測排序算法。

2　逐像素預(yù)測排序算法

PVO，PVO-k和IPVO都采用了“逐塊”處理方法，即基于圖像分塊處理的方法，實現(xiàn)了像素的預(yù)測和信息的嵌入，而PPVO則是“逐像素”處理方法，它將特定數(shù)量、特定分布的像素作為活動窗口，以左上第一個像素為目標像素，以窗口內(nèi)其他像素為預(yù)測像素來實現(xiàn)像素預(yù)測。

2.1預(yù)測像素

預(yù)測像素通常位于目標像素附近，是目標像素的預(yù)測依據(jù)，其位置和數(shù)量直接影響預(yù)測結(jié)果。PVO算法先確定預(yù)測像素，后確定預(yù)測目標像素，而且確定預(yù)測像素不是直接的，而是經(jīng)過了兩個步驟過濾。首先將固定分塊內(nèi)所有像素(x1,…,xn)從小到大排序，形成有序像素序列(xσ(1),…,xσ(n))，滿足xσ(1)≤…≤xσ(n)，如果xσ(i)=xσ(j)，i

2.2均衡型預(yù)測像素

如圖1所示，文獻[14]選取的集中預(yù)測像素方案都位于以目標像素為圓心，以相應(yīng)分塊的寬度或長度尺寸為半徑的四分之一圓的內(nèi)部，具有非常好的均衡性，適用于像素變化緩慢的數(shù)字圖像。稱為均衡型預(yù)測像素。事實上，文獻[14]PPVO的動態(tài)像素塊中，仍有多種預(yù)測像素方案可選，如果選擇得當(dāng)，將能有效提升算法整體性能。

圖1　均衡型預(yù)測像素方案

2.3偏置型預(yù)測像素

為便于說明，用圖2說明6種預(yù)測像素的可選方案。不難發(fā)現(xiàn)，與均衡型方案相比，預(yù)測像素的數(shù)量與分布均有明顯不同，像素在橫向和縱向位置上各有側(cè)重，為此稱之為偏置型預(yù)測像素。從分布來看，這種預(yù)測像素將采集更多的橫向或縱向的像素變化信息，因此更有利于描述圖像在不同方向上的灰度值變化。

圖2　偏置型預(yù)測像素方案

將動態(tài)像素分塊按圖3方式標記位置，并與預(yù)測像素矢量一一對應(yīng)。

如圖3所示，將動態(tài)像素塊的左上像素確定為目標像素，標記為o(0,0)，將右側(cè)像素和下側(cè)像素位置標記為p(i,j)。由此可建立不同類型像素塊的關(guān)聯(lián)關(guān)系，如圖4所示。

圖3　動態(tài)像素塊像素標記

圖4　不同類型方案中預(yù)測像素的對應(yīng)關(guān)系

此外，偏置型方案打亂了預(yù)測像素和標記像素之間的對應(yīng)關(guān)系，于是同一標記像素可能對應(yīng)不同偏置方案中的水平或垂直像素。對應(yīng)水平像素的有c4→c4h，c6→c5h，c9→c6h/c9h，c11→c7h/c10h，c13→c11h，對應(yīng)垂直像素的有c5→c4v，c7→c5v/c6v，c10→c5v/c9v，c12→c7v/c10v，c14→c11v。對比均衡型方案，偏置型方案的預(yù)測像素數(shù)量并不占優(yōu)，或許這種獨特的像素分布能帶來嵌入容量和嵌入質(zhì)量的提升。

3　信息隱藏算法

3.1像素預(yù)測

預(yù)測算法為

(1)

(2)

3.2嵌入信息

如果目標像素可以獲得預(yù)測值，那么就計算預(yù)測誤差并擴展；否則，如果像素?zé)o法獲得預(yù)測值，則直接跳過。當(dāng)max(C)≠min(C)時，只在預(yù)測誤差為0，即預(yù)測值和當(dāng)前像素值相等的情況下嵌入數(shù)據(jù)；預(yù)測誤差不為0時，則選擇灰度值平移。當(dāng)用max(C)作為預(yù)測值時，嵌入數(shù)據(jù)0時，當(dāng)前像素值保持不變；嵌入數(shù)據(jù)1時，當(dāng)前像素值增加1。當(dāng)用min(C)作為預(yù)測值時，嵌入數(shù)據(jù)0時，當(dāng)前像素值保持不變；嵌入數(shù)據(jù)1時，當(dāng)前像素值減少1。因此，擴展后的預(yù)測誤差可表示為

(4)

嵌入信息后，像素值變?yōu)?/p>

(5)

由式(1)～(4)可見，預(yù)測和嵌入過程中，只擴展零預(yù)測誤差。像素預(yù)測、誤差擴展和信息嵌入的所有過程中，對同一目標像素而言，預(yù)測像素矢量內(nèi)的像素大小、數(shù)量和分布都是不變的，因此，保證了唯一性。這兩點保證了像素值變化的唯一性識別，從而可以無失真地實現(xiàn)信息提取和像素灰度值恢復(fù)。

3.3逆向信息提取和像素恢復(fù)

從嵌入圖像中提取信息比特，恢復(fù)原始像素值，這是信息嵌入的逆過程。這雖然是兩個步驟，但其實是一個統(tǒng)一的過程。為了嵌入信息比特而先進行像素值預(yù)測，同樣，為了提取像素也需要先進行預(yù)測，而且需要使用同樣的預(yù)測方法。因而，預(yù)測方法和預(yù)測像素必須具有唯一性。嵌入過程中，從前到后進行按照光柵順序掃描像素，所以，為保證過程可逆，信息提取和像素恢復(fù)必須按照相反的從后到前的逆光柵順序掃描像素。

(6)

綜上，提取端的解擴展預(yù)測誤差可表示為

(7)

于是，恢復(fù)后的像素值為

(8)

4　算法方案和實驗結(jié)果

可逆信息隱藏算法包含比特嵌入和信息提取兩個過程，二者互為逆過程。2.1、2.2和2.3節(jié)已分別闡述了像素的預(yù)測、嵌入和信息提取方法。簡節(jié)明起見，本方案只說明比特嵌入過程。

4.1算法步驟

步驟1：載體圖像預(yù)處理。產(chǎn)生溢出位置圖并壓縮。為防止像素上溢和下溢，應(yīng)先檢測載體圖像的像素范圍。不妨考察8位灰度圖像，分辨率為W×H，則像素值區(qū)間為[0，255]。由于嵌入過程最大增加或減小1，所以必須將先進行可能的逆運算，即將255修改為254，0修改為1，其他像素不需要修改。用位置圖LM記錄下修改位置，并與凈荷一起嵌入圖像，便于提取信息和恢復(fù)像素時使用。為保證完全提取和圖像恢復(fù)，提高嵌入質(zhì)量，一般使用數(shù)學(xué)編碼方法進行大幅壓縮，記為CLM，長度為lCLM，提取端再進行解壓縮。

步驟2：選擇預(yù)測像素方案。此步驟有3項選擇，分別定義為均衡型嵌入、偏置型嵌入和混合型嵌入。

1)均衡型嵌入，選擇預(yù)測像素個數(shù)CN，即可選定相應(yīng)方案。

2)偏置型嵌入，先選擇像素個數(shù)CN，再選擇偏置方式，確定是水平還是垂直，才可選定方案。

3)混合型嵌入，先選擇預(yù)測像素個數(shù)CN，再依次確定嵌入類型，最后選定方案。

步驟3：確定噪聲水平控制閾值NL，像素預(yù)測。NL表示動態(tài)像素塊的平滑程度，NL越小，表示像素灰度值越平緩，可獲得更高的嵌入質(zhì)量，反之則降低嵌入質(zhì)量。滿足嵌入容量的前提下，迭代產(chǎn)生多個NL值，選取最低的NL值作為閾值，以提供最高的嵌入質(zhì)量。

步驟4：嵌入凈荷和位置圖，確定輔助信息長度，提取相應(yīng)長度LSB，記為lLSB。按光柵順序預(yù)測像素和嵌入凈荷和位置圖，記錄最后嵌入位置，確定部分輔助信息。

1)噪聲水平控制閾值NL(8 bit)；

2)凈荷和壓縮位置圖的最后嵌入行數(shù)rLP(9 bit)

lbW；

3)凈荷和壓縮位置圖的最后嵌入列數(shù)cLP(9 bit)

lbH；

4)凈荷容量(18 bit)lb(W×H)；

6)預(yù)測像素矢量長度和類型(8 bit)CN。

步驟5：嵌入LSB，補充輔助信息，并將完整的輔助信息替換到LSB位置。從緊鄰凈荷和位置圖的最后嵌入位置的后部，順序嵌入LSB數(shù)據(jù)流，并記錄下相應(yīng)的最后嵌入位置，將數(shù)值補充到輔助信息，長度記為lAI=2×lb(W×H)+2×(lbW+lbH)+16。將完整的輔助信息替換到LSB序列的原像素的最低位，以便在提取端獲取相應(yīng)的提取方法。

1)LSB最后嵌入行數(shù)(9 bit)lbW；

2)LSB最后嵌入列數(shù)(9 bit)lbH。

4.2實驗結(jié)果與分析

4.2.1標準圖像

為便于比較，選擇SIPI圖像庫中的標準圖像Lena.bmp和Airplane.bmp進行實驗，重點比較相同或接近預(yù)測像素數(shù)量時的嵌入容量和PSNR值，分別如圖5和圖6所示。就嵌入容量而言，偏置嵌入性能提升比較明顯。表1～表3給出了不同預(yù)測像素矢量方案對應(yīng)的圖像嵌入容量，對比相同數(shù)量像素的方案，Lena圖像，“5h”和“5v”方案分別比“5”方案提高1 600 bit和1 974 bit；Airplane圖像則提高更多，分別達到2 948 bit和3 687 bit。對比其他兩種相近數(shù)量像素方案，即也得出類似結(jié)果?！?h”和“7v”方案分別比“8”方案的提高值，以及“11h”和“11v”方案分別比“12”方案具體數(shù)據(jù)詳見表1。相對而言，Lena為一般平滑圖像，Airplane為比較平滑圖像，表1內(nèi)數(shù)據(jù)顯示平滑圖像中偏置型方案均衡型方案可獲得更高的嵌入容量。

圖5　不同嵌入方案的嵌入容量

就嵌入質(zhì)量而言，如圖6顯示，對于相同或相近預(yù)測像素數(shù)量，小容量信息嵌入時，偏置型方案與均衡型方案的PSNR值互有高低，性能提高不明顯；但中等容量特別在較大容量信息嵌入時，偏置型方案可獲得更高的峰值信噪比。對于一般圖像Lena和較平滑圖像Airplane而言，具有相似的性能提升，二者相差不大。

圖6　不同嵌入方案的峰值信噪比

表1　不同預(yù)測像素矢量方案對應(yīng)的圖像嵌入容量(CN=5)bit

表2不同預(yù)測像素矢量方案對應(yīng)的圖像嵌入容量(CN=7/8)bit

圖像87h7v7h-87v-8Lena28533305063042419731891Airplane45647478984932922513682

表3不同預(yù)測像素矢量方案對應(yīng)的圖像嵌入容量(CN=11/12)bit

圖像1211h11v11h-1211v-12Lena22184241712377819871594Airplane35412380453881926333407

4.2.2航拍絕緣子圖像

測試圖像選取多種背景下的工況絕緣子航拍圖像，分辨率均為355×288。圖7a絕緣子1為近景圖像，主體突出，線條簡單，灰度變化較小，背景相對簡潔。圖7b絕緣子2為一般距離圖像，主體顯示基本清晰，環(huán)境相對變化較大，灰度起伏范圍也分布整個圖像，背景復(fù)雜的多。圖7c絕緣子3為遠景圖像，主體與背景融為一體，載體、地面和環(huán)境等背景信息最為復(fù)雜。圖7d～圖7f為不同預(yù)測像素數(shù)量和分布方案時的嵌入容量，3幅圖像呈現(xiàn)同一個突出特點：偏置型方案高于同等數(shù)量或相近數(shù)量預(yù)測像素的均衡型方案容量。簡明起見，對應(yīng)只用均衡型方案和結(jié)合偏置型的綜合型預(yù)測像素方案，用圖7g～圖7i給出了3幅圖像對應(yīng)的峰值信噪比-嵌入容量曲線，結(jié)果表明：絕緣子1在低嵌入容量下對嵌入質(zhì)量有較明顯提高，這說明簡單背景圖像中，偏置型方案的大預(yù)測像素數(shù)量如CN=11比均衡型方案的CN=12提供更高的嵌入保真度；絕緣子2在中低嵌入容量下都對嵌入質(zhì)量有較明顯提高，這說明一般復(fù)雜度背景的圖像中，偏置型方案的中大預(yù)測像素數(shù)量如CN=7/11比均衡型方案的CN=8/12提供更高的嵌入保真度；絕緣子3只在中等嵌入容量下都對嵌入質(zhì)量有一些提高且不明顯，這說明當(dāng)背景過于復(fù)雜時，預(yù)測像素選擇對嵌入質(zhì)量的性能提升非常有限。

圖7　航拍工況絕緣子圖像及信息隱藏性能

5　結(jié)論

本文基于PPVO算法分析了均衡型預(yù)測像素選擇方法，建立了動態(tài)窗口像素塊內(nèi)的像素標識映射，設(shè)計了偏置型預(yù)測像素選擇策略，結(jié)合均衡型方案對SIPI標準圖像庫和航拍工況絕緣子圖像進行了實驗分析。結(jié)果表明，應(yīng)用偏置型方案可以在不降低嵌入質(zhì)量的前提下獲得更高的嵌入容量，并且標準圖像和航拍圖像性能提升規(guī)律稍有不同。

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項洪印(1979— )，講師，博士，主研數(shù)字圖像信號處理、信息隱藏與信息安全；

苑津莎(1957— )，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事圖像處理、信息隱藏方法與安全、電力信息技術(shù)、電工理論新技術(shù)以及先進無線信號處理技術(shù)等領(lǐng)域的教學(xué)與科研工作；

侯思祖(1962— )，教授，主要研究圖像處理、多媒體信息隱藏與安全、電力通信網(wǎng)絡(luò)與信息技術(shù)。

責(zé)任編輯：時雯

Reversible information hiding for aerial image based on bias-field pixel prediction

XIANG Hongyin，YUAN Jinsha，HOU Sizu

(InstituteofElectricalandElectronicEngineering，NorthChinaElectricPowerUniversity，HebeiBaoding071000，China)

Aerial insulator image is helpful to inspection and survey of transmission line. Unmanned aerial vehicle， equipped with image sensor of charge coupled device， is usually used to take photos. In this fashion， insulator images behave low resolutions， a lot of noises and complex backgrounds. These features demand for high requirement of embedding capacity and image fidelity. In view of the above characteristics， a new reversible information hiding method is proposed based on bias-field context pixels. This approach identifies pixels within certain image block and selects context pixels for prediction combining equalizing and offset styles. Not only standard images of Lena and Airplane from SIPI image library are tested， but also other three aerial working conditional insulator image are analyzed. Experiment results show that the proposed offset type scheme makes higher embedding capacity without reducing the embedding quality.

reversible data hiding； bias-field context pixels； pixel-value-ordering； aerial image； insulator image

TN919.73

A

10.16280/j.videoe.2016.09.002

國家自然科學(xué)基金項目(61302016)；河北省自然科學(xué)青年基金序號(E2013502267)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金項目(2014MS105)

2015-12-13

文獻引用格式：項洪印，苑津莎，侯思祖.偏置型像素預(yù)測的航拍圖像可逆信息隱藏[J].電視技術(shù)，2016，40(9)：10-15.

XIANG H Y，YUAN J S，HOU S Z.Reversible information hiding for aerial image based on bias-field pixel prediction[J].Video engineering，2016,40(9)：10-15.