失真代價動態(tài)更新條件下的彩色圖像隱寫分割技術

廖克順

(南寧職業(yè)技術學院，廣西 南寧 530008)

0 引言

大數(shù)據(jù)環(huán)境下互聯(lián)網(wǎng)技術飛速發(fā)展，有效提高了人們?nèi)粘９ぷ餍剩o人們生活帶來極大便利的同時，也給個人隱私帶來安全隱患.數(shù)字圖像隱寫技術是信息隱藏領域的重要研究方向，通過圖像載體冗余特性進行消息嵌入，可實現(xiàn)在公開信道中的隱秘通信.[1]在人類所接收信息中，大部分來自視覺圖像信息，圖像分割作為圖像分析基礎，需將圖像劃分為不同區(qū)域，使得每個區(qū)域像素之間都保持一致性.[2]目前大部分圖像隱寫分割技術只針對灰度圖像，假設對灰度圖像隱寫分割可直接擴展到彩色圖像上，那么彩色圖像就可視為三幅灰度圖像進行相應處理，通常采用以LSB嵌入法為代表的空間域分割技術，該方法忽略了彩色圖像顏色通道間相關性，導致圖像隱寫分割效果較差.

為了提高隱寫分割效果，目前自適應隱寫方法主要基于最小失真代價動態(tài)更新進行設計，即通過失真函數(shù)分配元素，利用隱寫編碼生成加密體，再通過聚類思想，實現(xiàn)彩色圖像隱寫分割.

1 彩色圖像隱寫分割技術研究

圖像分割技術是圖像分析重要處理技術，決定圖像最終分析質(zhì)量和判別結果.彩色圖像分割與灰度圖像分割差別較大，其中灰色圖像只需采集灰度紋理特征就能實現(xiàn)圖像分割，而彩色圖像具有多種顏色和紋理特征，其分割效果良好在很大程度上取決于特征的選擇.[3]

1.1 顏色空間選取

顏色是人腦對于外界刺激的反應，在物理學角度將顏色用三個相對獨立屬性進行描述，三個獨立變量所構成的三維立體結構為一個顏色空間，用公式(1)來表達：

f=A(a)+B(b)+C(c)

(1)

公式(1)中：(a)、(b)、(c)表示三基色量，A、B、C之間關系如下：①A>0、B>0、C>0；②B數(shù)值與彩色光亮度值一致；③A=B=C代表標準光值.[4]

通過描述三基色量不同屬性，就會產(chǎn)生不同顏色空間，在不同空間內(nèi)對彩色圖像進行分割具有不同效果.[5]通過R紅、G綠、B藍三色元素構建RGB顏色空間如圖1所示.

只要R紅、G綠、B藍三個分量中任一分量出現(xiàn)變化，那么整個顏色空間就會發(fā)生轉變.[6]

圖1 RGB三維顏色空間

1.2 顏色聚類處理

基于RGB三維顏色空間進行顏色聚類處理，具體步驟為：

將圖像分成若干個同等大小子圖像塊，設定視覺一致性距離為D1，將子圖像塊第一個像素點作為一個集合Wi初始聚類中心Oi；在RGB三維顏色空間內(nèi)，計算子圖像塊中每個像素點與O1顏色距離D2，如果D2小于設定D1，需修正O1聚類中心像素點數(shù)量.否則，以該像素點為新集合聚類中心O2，繼續(xù)修正該中心像素點數(shù)量；重復上述步驟，直到每個集合聚類中心不再發(fā)生變化為止，顏色聚類結束.[7]

1.3 安全隱寫

經(jīng)過聚類處理的子塊中含有顏色種類較少，但仍受到外界干擾，具有較多噪點，影響分割效果，為了減少噪點，保證隱藏信息具有不可見性，需采用自適應隱寫算法進行圖像安全隱寫.[8]

(1)根據(jù)上述子圖像塊，將一個矩陣劃分為互不重合的子圖像塊.

(2)基于子圖像塊生成圖像嵌入子塊.

(3)將若干個秘密信息比特分為若干個部分，具體分配方式為：依據(jù)不同初始失真函數(shù)，按照設定嵌入率對圖像進行預嵌入，在應用失真代價動態(tài)更新方案下，計算秘密信息比特值.

(4)確定嵌入子塊順序，并重新標記聚類中心.

(6)更新失真代價qx,y.

②當時間大于1 s時，計算初始失真函數(shù)不基于邊信息的失真代價：

(2)

計算初始失真函數(shù)基于邊信息的失真代價：

(3)

公式(2)、(3)中：λ為控制參數(shù)；Nkl表示dkl鄰域中離散余弦轉換系數(shù)修改方式；Nkn表示dkn鄰域中離散余弦轉換系數(shù)修改方式；Tkl表示dkl與相對應位置量化步長，同理Tkn也是；︳vkl︳,︳vkh︳表示相關量化離散余弦轉換系數(shù)絕對值；α表示量化步長變化參數(shù)；β表示嵌入波動度.[12-13]

(7)根據(jù)動態(tài)更新后失真代價，按照嵌入順序依次在子圖像塊中嵌入秘密信息.

(8)重復該操作，直到完成所有秘密信息達到最大比特值，輸出隱秘結果.

1.4 顏色、紋理特征提取

將不同種類顏色按照由大到小順序排列，確定每個子塊主、次色調(diào)作為特征進行提取，兩個視覺相似子塊不僅顏色相近，其空間分布也極為相似，依據(jù)子圖像塊中水平方向和垂直方向兩個紋理參數(shù)，判別顏色分布位置.[14]具體提取流程如圖2所示. 通過圖2所示流程，可得到一個分塊基本顏色和紋理特征.

1.5 基于子塊區(qū)域生長

確定子圖像塊顏色與紋理特征后，采用基于子塊區(qū)域生長方式，研究不同數(shù)量色彩圖像下子圖像塊區(qū)域生長形式.[15]

(1)當圖像色彩為一種時，按照顏色值生長；

(2)當圖像色彩為兩種時，按照紋理快生長；

(3)當圖像色彩為三種或三種以上時，依據(jù)主、次色調(diào)生長，具體生長準則為：相鄰子圖像塊顏色一致、紋理參數(shù)大于設定閾值、紋理參數(shù)相似、主次色調(diào)相似，如果滿足該標準，可按照鄰域方式生長.

1.6 分割方案的實現(xiàn)

分割方案具體流程如圖3所示.將顏色量視為一個單獨處理過程，提出將圖像塊內(nèi)顏色特征和紋理特征相結合分割方法，依據(jù)特征融合原理，添加隱寫處理步驟，達到一定抗噪效果，提取顏色、紋理特征，以此反映全局特性.依據(jù)子圖像塊區(qū)域生長方式，在失真代價動態(tài)更新條件下，采用基于視覺特征圖像分割方法對不同子圖像塊進行分割.

圖2 顏色、紋理特征提取流程

圖3 基于視覺特征圖像分割流程

2 實驗

為了對比LSB嵌入法為代表空間域技術和失真代價動態(tài)更新條件下的彩色圖像隱寫分割效果，從圖像庫中選取200幅BMP格式彩色圖像進行測試.

2.1 實驗參數(shù)設置

實驗環(huán)境為：MATLAB平臺、Intel Core TM2OPU6320硬件.

實驗參數(shù)：200幅BMP格式彩色圖像包括風景、人物、建筑等，將所有圖像統(tǒng)一剪裁成512×512大小，將200幅原始圖像的R、G、B通道按照0.05 bpp，0.10 bpp，0.15 bpp，0.20 bpp，0.25 bpp嵌入率模擬加密信息，生成彩色載密體.從200幅圖像中隨機選取100幅用于訓練，剩下100幅用于測試.

2.2 實驗結果與分析

不同圖像在侵入信息后數(shù)據(jù)效果存在一定差別，收集到的彩色圖像中嵌入信息后峰值信噪比和視覺質(zhì)量，如表1所示.

當信息嵌入率小于0.6 bpp時，峰值信噪比保持在45 dB以上，視覺質(zhì)量無明顯變化，不能察覺失真.隨著信息嵌入率不斷增加，視覺質(zhì)量出現(xiàn)變化，峰值信噪比持續(xù)下降.

表1 收集結果

圖4(a)是原始彩色圖像，(b)和(c)分別是嵌入率為0.8 bpp和1.2 bpp情況下的圖像.

(a)原始彩色圖像

(b)0.8bpp嵌入率

(c)1.2bpp嵌入率

由圖4可知：在每個圖像左下角給出頂部放大圖，原始彩色圖像為清晰圖像，無噪點；0.8 bpp嵌入率彩色圖像并沒有明顯視覺質(zhì)量下降，但在放大圖像中發(fā)現(xiàn)少量噪點；1.2 bpp嵌入率彩色圖像部分區(qū)域出現(xiàn)圖像質(zhì)量下降情況，并在放大圖像中發(fā)現(xiàn)大量噪點.依據(jù)不同嵌入率對圖像質(zhì)量影響情況，對不同隱寫分割技術進行對比分析.

(1)原始彩色圖像.

以原始彩色圖像為參照組，對比LSB嵌入法為代表空間域技術和失真代價動態(tài)更新技術的彩色圖像隱寫分割效果，結果如圖5所示.

①LSB嵌入法為代表空間域技術：最初分割效果為87%，隨著實驗次數(shù)增加，分割效果降低，最終為50%.

②失真代價動態(tài)更新條件下的彩色圖像隱寫分割技術：最初分割效果為90%，隨著實驗次數(shù)增加，分割效果也逐漸降低，但最終也高于70%.

對比兩種技術在無嵌入率信息條件下，對原始彩色圖像進行分割，失真代價動態(tài)更新條件下的彩色圖像隱寫分割技術分割效果較好.

圖5 原始彩色圖像下兩種技術分割效果對比分析

(2)0.8 bpp嵌入率彩色圖像.

在0.8 bpp嵌入率彩色圖像為參照組條件下，對比兩種技術分割效果，結果如圖6所示.

圖6 0.8 bpp嵌入率圖像下兩種技術分割效果對比分析

①LSB嵌入法為代表空間域技術：最初分割效果為69%，其嵌入式方法對彩色圖像分割起到一定促進作用，保護圖像短期內(nèi)不會出現(xiàn)噪點，但隨著實驗次數(shù)增多，噪點數(shù)量也急劇增加，該技術無法抵抗彩色圖像受到外界干擾，導致分割效果變差，當實驗次數(shù)為14次時，分割效果達到最低為35%.

②失真代價動態(tài)更新條件下的彩色圖像隱寫分割技術：最初分割效果為90%，添加的隱寫方式為圖像分割帶來有效抑制噪點增多的作用.雖然隨著實驗次數(shù)增加，分割效果逐漸降低，但當實驗次數(shù)為8次時，分割效果有一定回升，達到81%.即使分割效果不斷下降，但最終也穩(wěn)定在70%左右.

兩種技術在0.8 bpp嵌入率信息條件下進行彩色圖像分割，失真代價動態(tài)更新條件下的彩色圖像隱寫分割技術分割效果較好.

(3)1.2 bpp嵌入率彩色圖像.

對比兩種技術在1.2 bpp嵌入率彩色圖像為參照組條件下的分割效果，結果如圖7所示.

圖7 1.2 bpp嵌入率圖像下兩種技術分割效果對比分析

①LSB嵌入法為代表空間域技術：最初分割效果為49%，當實驗次數(shù)為4次時，分割效果為29%，此時在0～4次實驗次數(shù)范圍內(nèi)，分割效果達到最低點.但當實驗次數(shù)為6次時，分割效果曲線又呈緩升趨勢達到39%.然而，隨著實驗次數(shù)增加，分割效果曲線一直呈下降趨勢，最終達到18%.

②失真代價動態(tài)更新條件下的彩色圖像隱寫分割技術：最初分割效果為82%，隨著實驗次數(shù)增加，分割效果有所降低，但最終也保持在70%以上.

在1.2 bpp嵌入率嵌入率信息條件下，對比兩種技術彩色圖像分割效果，并由對比結果可知，失真代價動態(tài)更新條件下的彩色圖像隱寫分割技術分割效果較好.

2.3 實驗結論

依據(jù)上述實驗數(shù)據(jù)，可得出實驗結論，如表2所示.由表2可知：當嵌入率為0 bpp，即原始彩色圖像時，失真代價動態(tài)更新隱寫分割技術比LSB嵌入法為代表空間域技術分割效果最大值高3%；當嵌入率為0.8 bpp，失真代價動態(tài)更新隱寫分割技術比LSB嵌入法為代表空間域技術分割效果最大值高21%；當嵌入率為1.2 bpp，失真代價動態(tài)更新隱寫分割技術比LSB嵌入法為代表空間域技術分割效果最大值高33%.

表2 實驗結論

通過分析結果可知，失真代價動態(tài)更新技術彩色圖像隱寫分割效果較好.

3 結語

提出的失真代價動態(tài)更新條件下的彩色圖像隱寫分割技術，該技術思路清晰，易于實現(xiàn)，將其作為二值圖像進行隱寫分割，在隱秘信息安全存儲基礎上，按照相鄰分量動態(tài)調(diào)整失真情況，對含有加密圖像進行分割.由實驗結果表明，該方法能夠有效提高彩色圖像隱寫分割效果.

雖然在彩色圖像隱寫與分割方面采取了一定拓展行為，但受限于時間問題，需對該領域做出深入研究.如何設計更具有通用性隱寫分割方法，實現(xiàn)真正意義上通用，是該技術需要進一步研究的主要問題.