互補(bǔ)型單像素成像信息隱藏方法

王倩

（樂山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 樂山 614000）

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，數(shù)字傳輸和存儲(chǔ)變得非常便捷，信息的交流也日益活躍。但是隨著圖像處理技術(shù)的發(fā)展，圖像的篡改和盜用也越來越簡(jiǎn)便，門檻越來越低。因此，圖像被盜用和篡改的事件層出不窮，造成了嚴(yán)重的社會(huì)不良影響。圖像的安全性越來越受到人們的重視，如何提高數(shù)字圖像的安全性，研究數(shù)字圖像安全保護(hù)的方法成為科學(xué)界關(guān)注的重點(diǎn)。目前安全問題已經(jīng)上升為國(guó)家層面的戰(zhàn)略，中央就成立了國(guó)家安全委員會(huì)，由習(xí)近平總書記擔(dān)任主任。可見該委員會(huì)規(guī)格之高，安全問題之重要。由此也可以看出，提高數(shù)字圖像的安全性已經(jīng)迫在眉睫，數(shù)字圖像安全性的研究不僅具有較強(qiáng)的學(xué)術(shù)意義，也具有較好的實(shí)際應(yīng)用意義[1]。

為了提高數(shù)字圖像的安全性，學(xué)者們已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，提出了許多方法。數(shù)字水印就是其中之一。數(shù)字水印是將一些信息作為水印嵌入到數(shù)字圖像中，主動(dòng)對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。接受者接收到數(shù)字圖像以后，根據(jù)密鑰提取出原始水印信息并解密。通過解密的水印信息驗(yàn)證圖像是否被篡改或者盜用，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字圖像的版權(quán)保護(hù)。數(shù)字水印技術(shù)屬于主動(dòng)取證方法，主動(dòng)在數(shù)字圖像嵌入信息以提高數(shù)字圖像的安全性。數(shù)字水印方法一經(jīng)提出變得到了學(xué)者們的關(guān)注，眾多學(xué)者分別從水印容量、水印嵌入方法、加密方法等方面對(duì)其進(jìn)行分析和改進(jìn)，分別從含水印圖像的質(zhì)量、水印圖像提取質(zhì)量和安全性等方面對(duì)數(shù)字水印方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。水印容量只是嵌入到數(shù)字圖像中的水印比特?cái)?shù)的多少。一般計(jì)算方法是水印總比特?cái)?shù)除以數(shù)字圖像的像素總個(gè)數(shù)，單位是bpp(bit per pixel)，平均每個(gè)像素嵌入的比特?cái)?shù)。水印容量越高，嵌入的水印信息越多，安全性越好。含水印圖像的質(zhì)量是評(píng)價(jià)水印的不可見性?？梢娦运∏度雸D像之后要盡量不影響原始圖像的質(zhì)量。圖像質(zhì)量越好，不可見性越好。含水印圖像的質(zhì)量計(jì)算方式是將原始圖像作為基準(zhǔn)，計(jì)算含水印圖像與原始圖像之間的峰值信噪比或者均方誤差。峰值信噪比越高，均方誤差越小，含水印圖像質(zhì)量越高，水印的不可見性越好。安全性是指攻擊者不能獲取正確的密鑰篡改潛入的水印信息以滿足攻擊者的目的。

為了提高安全性，現(xiàn)有方法通過隨機(jī)置亂，如貓臉置亂、混沌置亂等方法對(duì)水印圖像進(jìn)行加密。為了提高圖像的水印容量，算法從水印嵌入方法入手，改進(jìn)水印潛入方法提高水印容量。但是傳統(tǒng)的數(shù)字圖像水印方法只是從嵌入方法入手改進(jìn)嵌入容量。水印嵌入方法實(shí)際上是利用了人眼對(duì)數(shù)字圖像冗余的不敏感性，利用冗余信息嵌入水印。但是數(shù)字圖像的冗余是優(yōu)先的，如果一直增加水印容量，嵌入總會(huì)引起含水印圖像質(zhì)量的下降。所以，應(yīng)該從水印圖像入手，在保證水印圖像信息的前提下盡量對(duì)其壓縮之后再嵌入。同時(shí)現(xiàn)有數(shù)字水印方法將一個(gè)共同可知的有意義的標(biāo)志作為水印圖像，攻擊者可以很容易獲取水印圖像，有可能利用水印圖像信息進(jìn)行攻擊。同時(shí)有些情況下，我們需要利用實(shí)際生活中的實(shí)際目標(biāo)物體作為水印信息。因此，學(xué)者們就提出了基于單像素成像的圖像信息隱藏方法[2]。該方法利用單像素成像對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行壓縮采樣，將壓縮采樣后的信息作為水印信息嵌入到數(shù)字圖像中，并將壓縮采樣的測(cè)量矩陣作為密鑰。接受者接收到密鑰和含水印圖像之后，首先提取出水印信息，并利用密鑰重構(gòu)出原始水印信息。但是該方法利用隨機(jī)二值測(cè)量矩陣對(duì)目標(biāo)物體圖像進(jìn)行壓縮采樣，噪聲情況下水印圖像重構(gòu)質(zhì)量還不夠好。

本文提出了基于互補(bǔ)測(cè)量矩陣的單像素成像信息隱藏方法。該方法利用-1/1互補(bǔ)測(cè)量矩陣對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行單像素成像，并將互補(bǔ)測(cè)量矩陣作為密鑰，將測(cè)量值作為水印信息嵌入到數(shù)字圖像中。接受者首先提取出測(cè)量值，并利用壓縮感知重構(gòu)方法重構(gòu)目標(biāo)物體圖像。該方法進(jìn)一步降低了水印容量，且提高重構(gòu)質(zhì)量。另一方面，本文的方法既實(shí)現(xiàn)了信息隱藏，又能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)字圖像的版權(quán)保護(hù)。

2 互補(bǔ)型單像素成像信息隱藏方法

為了降低水印容量，本文利用單像素成像方法對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行壓縮采樣。同時(shí)我們利用互補(bǔ)測(cè)量矩陣能夠進(jìn)一步降低測(cè)量值的幅值，進(jìn)一步降低水印容量。

方法的第一步是目標(biāo)物體的單像素成像。本文對(duì)實(shí)際物體進(jìn)行單像素成像。根據(jù)Rice大學(xué)的單像素相機(jī)，選擇具有標(biāo)志性的物體進(jìn)行成像。與現(xiàn)有方法不一致的地方是，本文利用互補(bǔ)測(cè)量矩陣進(jìn)行測(cè)量。為了實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)測(cè)量矩陣，本文利用兩個(gè)單像素探測(cè)器分別置于數(shù)數(shù)字微鏡器件的正負(fù)12度方向，分別探測(cè)兩個(gè)方向的光線強(qiáng)度值，再做差得到最終的測(cè)量值?；パa(bǔ)測(cè)量矩陣可以更好地滿足壓縮重構(gòu)的條件，能夠進(jìn)一步提高重構(gòu)質(zhì)量。由于是壓縮采樣，測(cè)量值的數(shù)目要遠(yuǎn)小于目標(biāo)物體圖像的像素總個(gè)數(shù)。水印容量變小。同時(shí)互補(bǔ)測(cè)量矩陣的探測(cè)值是做差之后的值，測(cè)量值的絕對(duì)值會(huì)大大減小，相當(dāng)于水印容量進(jìn)一步減小?；パa(bǔ)測(cè)量矩陣是利用隨機(jī)矩陣生成的，所以我們可以將該測(cè)量矩陣作為密鑰，在私密通道傳輸給接受者，保證安全性。

方法的第二步是信息隱藏。本文將第一步采樣的測(cè)量值嵌入到數(shù)字圖像中。首先，將測(cè)量值轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制，如果是負(fù)數(shù)，前面添加一個(gè)比特0，如果是正數(shù)添加一個(gè)比特1。我們可以得到一個(gè)二值水印序列。為了提高水印的魯棒性，本文方法將二值水印序列嵌入到數(shù)字圖像的離散余弦系數(shù)的最低位中。先把數(shù)字圖像分成8*8的圖像塊，并對(duì)其進(jìn)行離散余弦變換得到余弦系數(shù)。然后分配嵌入的比特?cái)?shù)。如果水印信息比特?cái)?shù)小于圖像塊數(shù)，從所有圖像塊中隨機(jī)選取相同數(shù)量的圖像塊進(jìn)行水印嵌入，每個(gè)圖像塊嵌入一個(gè)比特。根據(jù)給定的量化矩陣，選取量化步長(zhǎng)最小的系數(shù)進(jìn)行量化，然后嵌入到量化系數(shù)的最低有效位。如果水印序列比特?cái)?shù)大于圖像塊數(shù)，首先每個(gè)圖像塊嵌入相應(yīng)數(shù)目的比特，剩余的水印序列選擇復(fù)雜圖像塊進(jìn)行嵌入。將含水印量化余弦系數(shù)進(jìn)行反量化和反余弦變換得到含水印圖像。

將測(cè)量矩陣、水印嵌入位置生成密鑰等信息作為密鑰發(fā)送給接收者。

第三步是提取水印信息。將含水印圖像進(jìn)行分塊、余弦變換和量化，從相應(yīng)的系數(shù)上提取水印信息。

第四步是重構(gòu)原始水印圖像。利用提取的水印信息和測(cè)量矩陣，利用OMP方法重構(gòu)原始目標(biāo)圖像。根據(jù)重構(gòu)的水印圖像與已知的水印圖像進(jìn)行對(duì)比，判斷含水印圖像是否遭到盜用。

下面對(duì)本文進(jìn)行理論分析。本文利用量化DCT系數(shù)嵌入測(cè)量值水印信息，提高了水印信息的魯棒性。本文算法將目標(biāo)物體圖像通過水印的方式嵌入到含水印圖像，實(shí)現(xiàn)了秘密傳輸。同時(shí)該方法利用測(cè)量矩陣作為密鑰，還可以進(jìn)行圖像的版權(quán)保護(hù)。

相對(duì)于現(xiàn)有單像素成像信息隱藏方法，本文利用互補(bǔ)測(cè)量矩陣能夠更好地滿足壓縮重構(gòu)條件，提高重構(gòu)質(zhì)量。最重要的一點(diǎn)是互補(bǔ)測(cè)量矩陣具有做差的操作，可以減小測(cè)量值的幅值范圍，進(jìn)一步降低了水印容量，提高了含水印圖像的質(zhì)量。

3 結(jié)語(yǔ)

本文利用互補(bǔ)測(cè)量矩陣提出了一種單像素成像信息隱藏方法?；パa(bǔ)測(cè)量矩陣不但提高了目標(biāo)物體圖像的重構(gòu)質(zhì)量，還進(jìn)一步降低了水印容量。在保證水印圖像重構(gòu)質(zhì)量的前提下，提高了含水印圖像的質(zhì)量。利用壓縮感知和DCT系數(shù)量化嵌入水印，本文方法能夠更好地抵抗剪切、噪聲等攻擊，水印的魯棒性更高。