基于雙評(píng)價(jià)值的二值圖像分塊隱藏算法

何佳，陳勇，陳登

（重慶師范大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)學(xué)院，重慶 401331）

0 引言

二值圖像存儲(chǔ)簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)傳真、文字識(shí)別、條碼識(shí)別和數(shù)字簽名中得到廣泛應(yīng)用。通過(guò)在二值圖像中嵌入秘密信息，達(dá)到隱蔽傳輸目的，是信息隱藏方法的研究熱點(diǎn)?；诙祱D像的信息隱藏技術(shù)在商業(yè)及軍事等領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注。二值圖像信息隱藏的基本思想是利用載體圖像中的冗余信息來(lái)嵌入秘密信息，相關(guān)研究大都圍繞不可感知性、魯棒性、嵌入量來(lái)展開(kāi)。一般而言，在秘密信息嵌入載體圖像的過(guò)程中，往往要修改載體圖形的部分信息，因此如果能夠修改較少的載體圖像信息，而嵌入較多的秘密信息，在一定程度上便可達(dá)到較好的不可感知性、較強(qiáng)的魯棒性和較大的嵌入量。二值圖像的信息隱藏研究，現(xiàn)階段的方法主要可分為以下幾類：基于分塊方式嵌入法[1-5]，基于半色調(diào)圖像的嵌入法[6]、對(duì)大塊圖像進(jìn)行結(jié)構(gòu)微調(diào)法[7]，頻域嵌入法等。

在現(xiàn)有的各種二值圖像隱藏算法中，采用分塊方法進(jìn)行隱藏信息嵌入的算法，由于其操作相對(duì)簡(jiǎn)單，并且信息嵌入的容量也比較大，該類算法(文獻(xiàn)[1-5])是二值圖像信息隱藏的當(dāng)前主流算法。該算法的核心是，將載體圖像Im×n進(jìn)行規(guī)則劃分，得到個(gè)大小為k×k的子塊；依據(jù)一定的評(píng)價(jià)指標(biāo)，如利用小塊中心像素修改帶來(lái)的連通度和平滑度影響為指標(biāo)，對(duì)所有個(gè)子塊進(jìn)行分析，選定評(píng)價(jià)值較好的圖像塊；將要嵌入的秘密信息先轉(zhuǎn)化為比特流信息，依據(jù)要嵌入的比特流信息，修改塊中某點(diǎn)的黑白像素，因是二值圖像，修改就簡(jiǎn)化為像素值的反轉(zhuǎn)。隱藏信息提取時(shí)，依據(jù)分塊的大小k，和相同的塊評(píng)價(jià)指標(biāo)，可以依序找到嵌入了比特信息的塊，據(jù)此可以恢復(fù)出當(dāng)時(shí)嵌入的秘密信息。

在現(xiàn)有算法的圖像塊的獲取中，如文獻(xiàn)[1,2]，為了提取的高效簡(jiǎn)單，圖像子塊的獲取是按規(guī)則劃分方式對(duì)載體圖像進(jìn)行分塊。

現(xiàn)有的按分塊方法進(jìn)行信息隱藏的算法，塊的選擇沒(méi)有考慮圖像自身的像素變化特性。對(duì)現(xiàn)有的算法分析可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)片狀全黑和全白區(qū)域是不能嵌入信息的，否則會(huì)對(duì)圖像視覺(jué)效果帶來(lái)較大的影響，載體圖像嵌入前后有較大的視覺(jué)差異。通常選出的嵌入塊會(huì)出現(xiàn)在圖像的邊緣和其附近區(qū)域，而圖像邊緣是依圖而變，極不規(guī)則，若按傳統(tǒng)的塊劃分和選取方法，大量可嵌入信息的邊緣不能取到，使得載體圖像可嵌入的信息量較少。本文將在現(xiàn)有分塊比特信息嵌入的思想上，設(shè)計(jì)基于雙評(píng)價(jià)值的改進(jìn)二值圖像分塊隱藏算法，通過(guò)對(duì)載體圖像自身變化的邊緣分塊的雙向評(píng)價(jià)分析，獲取比傳統(tǒng)算法更多的可嵌入塊，提升比特信息嵌入量，同時(shí)在相同的嵌入信息量時(shí)，對(duì)載體圖像的視覺(jué)效果影響更小，更不易被察覺(jué)出圖像的改變。

1 改進(jìn)的基于塊中心評(píng)價(jià)值的二值圖像隱藏算法

本文將以圖像中所有可能的嵌入像素點(diǎn)按塊進(jìn)行評(píng)價(jià)，被評(píng)價(jià)像素點(diǎn)處于k×k塊的中心，所設(shè)計(jì)的算法將利用評(píng)價(jià)置函數(shù),選出評(píng)價(jià)值相對(duì)較高的塊的中心作為嵌入候選點(diǎn)集進(jìn)行篩選，以確定比特信息隱藏位置。

1.1 評(píng)價(jià)函數(shù)的定義

二值圖像像素點(diǎn)的修改是黑白的反轉(zhuǎn)，嵌入隱藏信息帶來(lái)的對(duì)載體圖像的修改，將對(duì)原圖造成較大的視覺(jué)影響差異。因此，對(duì)二值圖像嵌入點(diǎn)的選擇要慎重的多。文本將應(yīng)用文獻(xiàn)[4]中給出的點(diǎn)平滑度和連通性函數(shù)作為評(píng)價(jià)函數(shù)。其定義如下：

這里塊的大小設(shè)定為3×3。水平方向、豎直方向、正對(duì)角方向和逆對(duì)角方向的四個(gè)平滑度指標(biāo)和的計(jì)算公式如下：

1.2 基于雙評(píng)價(jià)值的隱藏信息嵌入和提取算法

基于雙評(píng)價(jià)值的二值圖像分塊隱藏算法的嵌入算法（3×3分塊）如下：

（1）讀入原始載體圖像，圖像大小為m×n的二值矩陣，為其處像素值；讀入隱藏比特序列H,的向量為其第k個(gè)需嵌入的比特值；設(shè)定評(píng)價(jià)值閾值為T。

（3）對(duì)候選嵌入點(diǎn)集S1中的每個(gè)點(diǎn)，置反該像素點(diǎn)的值，重新按公式（5）計(jì)算評(píng)價(jià)值，對(duì)和皆大于某閾值T的中心點(diǎn)，構(gòu)成新的候選嵌入點(diǎn)集

（4）按行優(yōu)先的順序，逐點(diǎn)修改點(diǎn)集S2，即若確定了嵌入點(diǎn)為時(shí)，其對(duì)應(yīng)的3×3大小的塊內(nèi)的8個(gè)鄰域點(diǎn)，排除在S2之外，得到實(shí)際可嵌入點(diǎn)集S3。

（5）利用實(shí)際嵌入點(diǎn)集S3，嵌入比特序列H。若嵌入點(diǎn)為即可，完成后嵌入后，獲得的修改載體圖像記為HI，與載體圖像I大小相同。

基于雙評(píng)價(jià)值的二值圖像分塊隱藏算法的信息提取算法（3×3分塊）如下：

（1）讀入嵌入隱藏信息后的圖像HI，隱藏比特序列的長(zhǎng)度L，評(píng)價(jià)值閾值T。

（2）對(duì)HI，按行優(yōu)先序，逐點(diǎn)按公式（5）計(jì)算評(píng)價(jià)值和，若該點(diǎn)滿足和都大于T，則該點(diǎn)像素值即為嵌入的比特信息；每提取出一個(gè)比特信息，該點(diǎn)所處的3×3子塊的其余鄰域點(diǎn)不再做提取信息操作。

（3）提取的比特序列長(zhǎng)度達(dá)到L時(shí)，所有隱藏信息提取完成。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 基于雙評(píng)價(jià)值的嵌入點(diǎn)選取

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)算法的有效性和性能，對(duì)1.2節(jié)所設(shè)計(jì)的二值圖像信息隱藏與提取算法，在MATLAB平臺(tái)上進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。仿真實(shí)驗(yàn)所用的圖例如圖1，有6幅不同類型的二值圖像，有人物、動(dòng)物、文本、水果，圖標(biāo)等圖像，所有圖像大小都是256×256。

圖1 測(cè)試用的6幅二值圖像

圖2 Cameraman圖像對(duì)應(yīng)的嵌入點(diǎn)集

為了進(jìn)一步了解嵌入點(diǎn)集的選取情況，表1對(duì)嵌入候選點(diǎn)集與實(shí)際可嵌入點(diǎn)集的差異進(jìn)行了數(shù)量描述。從表1中可見(jiàn)，S3?S2?S1?？傮w上，S2比S1有減少，但并不顯著；而S3相比S1或S2而言，有較顯著的減少。平均看，S2的點(diǎn)數(shù)占S1的83.65%，S3的點(diǎn)數(shù)僅占S1的 35.61%。

表1 測(cè)試圖像對(duì)應(yīng)的候選點(diǎn)集與實(shí)際可嵌入點(diǎn)集

2.2 隱藏信息的嵌入效果

在獲得實(shí)際可嵌入點(diǎn)集S3后，就可以實(shí)施隱藏信息的嵌入了。仿真實(shí)驗(yàn)嵌入的信息為圖3所示的一幅文本二值圖像，當(dāng)大小為19×86時(shí)，需嵌入1634個(gè)比特。

圖3 待嵌入的隱藏圖像,大小19×86

對(duì)大小為19×86時(shí)的待嵌入的隱藏圖像，需嵌入1634個(gè)比特。Cameraman圖像能夠滿足嵌入比特長(zhǎng)度要求，嵌入隱藏信息后的載體圖像修改圖像與原圖的對(duì)比效果見(jiàn)圖4所示。在嵌入的信息較多時(shí)，由于邊緣點(diǎn)變化沒(méi)有規(guī)則，所以嵌入前后，變化不明顯。對(duì)隱藏圖像，提取算法獲得的信息圖像見(jiàn)圖5沒(méi)有任何失真，可以完全恢復(fù)嵌入信息。

圖4 測(cè)試Cameraman圖像嵌入隱藏信息前后對(duì)比圖

圖5 提取隱藏信息后構(gòu)建的圖像

2.3 嵌入容量分析

總體看，不同類型的分塊二值圖像信息隱藏算法的嵌入容量，主要取決于可嵌入單元的數(shù)量，這與具體的嵌入分塊的選取方式有關(guān)。隨著評(píng)價(jià)閾值的提高，對(duì)所選嵌入點(diǎn)的要求也就越高，嵌入容量會(huì)下降，但選出的嵌入點(diǎn)的修改，對(duì)圖像視覺(jué)效果的影響也越小。邊緣較多的圖像，其蘊(yùn)含的嵌入點(diǎn)相對(duì)也越多。

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的分塊二值圖像嵌入和提取算法。該算法側(cè)重于在圖像邊緣尋找滿足閾值條件的較好嵌入點(diǎn)，能夠獲取較多的可嵌入點(diǎn)，且嵌入圖像的視覺(jué)效果較好。MATLAB平臺(tái)上的仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)算法的正確性和有效性。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)分析，進(jìn)一步揭示了所設(shè)計(jì)的算法具有較高的嵌入容量和較好的隱藏效果，嵌入后的圖像失真較少。

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