一種ＤＣＴ域穩(wěn)健的彩色圖像隱藏方法

摘要：基于YCbCr色彩系統(tǒng)，提出了一種穩(wěn)健的DCT域彩色圖像隱藏方法，可以將一幅彩色圖像隱藏在另一幅公開的彩色載體圖像中，并與JPEG壓縮標(biāo)準(zhǔn)相兼容。在嵌入過程中，通過對彩色圖像各分量值進(jìn)行合理分配和標(biāo)志性嵌入，可以有效地克服DCT域秘密圖像提取時的嚴(yán)重失真問題；并根據(jù)HVS特征和模糊理論對DCT圖像塊進(jìn)行模糊分類，實(shí)現(xiàn)嵌入強(qiáng)度的自適應(yīng)變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提出的方法對嵌入過程中產(chǎn)生的噪聲具有很強(qiáng)的穩(wěn)健性，恢復(fù)的秘密圖像的像素值最大失真誤差在±1之內(nèi)，在保證隱秘圖像視覺質(zhì)量的前提下，載體圖像具有較大的數(shù)據(jù)隱藏量。

關(guān)鍵詞：信息隱藏； 彩色圖像；JPEG壓縮； 模糊分類

中圖法分類號：TP391； TP309．2文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001－3695(2007)01-0188－03

1引言

數(shù)字和Internet技術(shù)的迅猛發(fā)展為信息的數(shù)字化傳播開辟了道路，許多信息可以迅速方便地在網(wǎng)上發(fā)布和傳輸，但這同時也帶來了安全隱患。圖像隱藏技術(shù)以數(shù)字圖像為載體，將要傳輸?shù)拿孛苄畔⒁圆豢梢姷姆绞角度氲捷d體圖像中，然后在網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)對秘密圖像的隱蔽傳輸。因?yàn)殡[藏信息后的隱蔽圖像與原始載體圖像相比，在視覺上看不出變化，因此不會引起攻擊者懷疑，從而能夠保證秘密信息的安全傳輸。

在目前的圖像隱藏技術(shù)研究中，大多數(shù)的隱藏算法是以灰度圖像或彩色圖像為載體，在其中隱藏灰度圖像信息或水印信息等， 而在彩色載體圖像中隱藏彩色圖像的研究卻相對較少。 例如，文獻(xiàn)[1，2]利用彩色載體圖像的亮度分量來隱藏信息，這些彩色圖像隱藏方法的缺點(diǎn)是嵌入的信息量較少，隱藏的圖像只是二值圖形或灰度圖像，在應(yīng)用上有一定的局限性。彩色圖像由于數(shù)據(jù)量大，在網(wǎng)上傳輸時將對其隱藏比較困難，所以對其隱藏方法的研究已經(jīng)引起各國研究者的重視[3]。

目前的圖像隱藏算法多采用變換域法[4]，其原因是在變換域中嵌入的信息可以分布到空間域的所有像素上，有利于圖像隱藏的不可見性，并且可充分利用人類視覺系統(tǒng)（HVS）的特性，提高穩(wěn)健性和嵌入量，對濾波以及JPEG壓縮等信號處理操作具有較好的穩(wěn)健性。但是，目前DCT域內(nèi)的信息隱藏算法都必須基于一個前提，即載體圖像嵌入信息后的DCT變換系數(shù)必須與隱藏信息后圖像的DCT變換系數(shù)完全一致，否則很小的誤差都會造成提取的秘密圖像存在很大的失真誤差。在DCT 域內(nèi)的隱藏過程中，嵌入信息后的DCT系數(shù)在經(jīng)過DCT反變換后形成隱藏后的顯示圖像過程中，存在不可避免的取整運(yùn)算，而這種取整誤差會使得隱蔽圖像前后的DCT變換系數(shù)出現(xiàn)誤差，并進(jìn)一步造成提取的秘密圖像存在很大的失真誤差。目前DCT域內(nèi)的信息隱藏算法都沒能很好地解決這個問題。

針對上述存在的問題，本文對DCT域內(nèi)彩色載體圖像隱藏彩色秘密圖像的算法進(jìn)行了研究。

2基于YCbCr色彩空間的彩色圖像隱藏方法

RGB色彩空間主要用于彩色圖像的顯示及計算機(jī)圖形技術(shù)，而傳輸與壓縮一般都采用JPEG的壓縮格式。根據(jù)JPEG標(biāo)準(zhǔn)，RGB色彩空間要轉(zhuǎn)換為亮度與色度（YCbCr）空間。因此為了增強(qiáng)隱藏算法在JPEG壓縮下的穩(wěn)健性，本文提出的彩色圖像隱藏方法是在YCbCr 色彩空間下進(jìn)行的。RGB色彩空間和YCbCr色彩空間之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：

其中Y代表亮度信息，Cb，Cr是兩個彩色分量，代表色度信息。

為了與彩色圖像的JPEG標(biāo)準(zhǔn)相兼容，本文提出的彩色圖像隱藏算法流程如圖1 所示。

彩色圖像的嵌入過程如下：

根據(jù)式（1）首先將彩色載體圖像由RGB空間轉(zhuǎn)換到適合JPEG壓縮的YCbCr空間；然后對Y，Cb，Cr各分量進(jìn)行分塊DCT變換，同時根據(jù)子塊DCT系數(shù)的直流系數(shù)dc值和高頻交流ac系數(shù)的能量，對子塊進(jìn)行模糊分類并確定其嵌入強(qiáng)度；對DCT系數(shù)進(jìn)行量化，再對所得到的整數(shù)值進(jìn)行反量化，然后在已提供反量化后的ac系數(shù)中嵌入秘密圖像信息；由式（1）將彩色秘密圖像從RGB空間轉(zhuǎn)換到Y(jié)CbCr空間；隨后根據(jù)新的嵌入策略將秘密圖像像素的Y，Cb，Cr分量分別嵌入到載體圖像對應(yīng)Y，Cb，Cr分量DCT變換后的ac系數(shù)中，從而完成秘密圖像的嵌入。下面具體介紹以上流程中DCT子塊模糊分類方法和新的秘密信息嵌入策略。

2．1DCT塊的模糊分類與嵌入強(qiáng)度的確定

對于彩色圖像，每個DCT子塊Y，Cb，Cr三個分量的嵌入強(qiáng)度應(yīng)根據(jù)HVS特性自適應(yīng)確定。對于灰度圖像，研究表明HVS對圖像所具有的亮度掩蔽、邊界掩蔽和紋理掩蔽等效應(yīng)為[5]：①人類視覺通常對中等亮度最為敏感，而且向低亮度和高亮度兩個方向非線性下降，即對亮度的兩個極端變化區(qū)域不敏感；②對圖像平滑區(qū)的變化比較敏感，而對紋理區(qū)的變化則相對不敏感。因此亮度分量Y的嵌入強(qiáng)度可完全按照以上HVS特性來確定。對于另外兩個彩色分量，本文也根據(jù)以上類似的HVS特性確定其嵌入強(qiáng)度，即HVS對顏色分量的中等色度區(qū)域的變化比較敏感，而對色度的高、低兩個極端變化區(qū)域不敏感，這也符合HVS對顏色感知的特點(diǎn)；此外，HVS對色度的平滑區(qū)也比較敏感，而對色度變化的紋理區(qū)或邊緣區(qū)具有較好的掩蔽效應(yīng)。

各分量進(jìn)行DCT變換后包括一個直流系數(shù)dc和63個交流系數(shù)ac。其中直流系數(shù)dc代表了塊的平均亮度或色度，通過實(shí)驗(yàn)可知交流系數(shù)ac的高頻部分能夠反映亮度或色度的紋理變化程度，ac高頻能量值較小對應(yīng)于圖像的平滑區(qū)域，能量值較大則表示是紋理復(fù)雜區(qū)域。因此，可將dc和高頻ac的能量大小作為塊分類的依據(jù)。

由于人的視覺感知具有模糊性，因此本文采用模糊理論實(shí)現(xiàn)各分量DCT塊的分類，然后根據(jù)塊的類型自適應(yīng)調(diào)節(jié)各塊秘密信息的嵌入強(qiáng)度因子，以得到更好的視覺掩蔽性。

將DCT塊各分量的直流系數(shù)dc和高頻系數(shù)ac38～ac64的能量值歸一化處理后進(jìn)行模糊化，根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定的隸屬度函數(shù)如圖2（a）、圖2(b)所示。圖中三個模糊子集大、中、小分別用B，M，S表示。根據(jù)HVS確定的模糊分類規(guī)則如圖2（c）所示。圖中X代表dc的各模糊子集，Y代表高頻系數(shù)能量的各模糊子集，Z代表塊分類的類別號。根據(jù)圖2（c），以亮度分量為例，模糊分類規(guī)則可描述為：

子塊平均亮度低且高頻系數(shù)能量高，或亮度高且高頻系數(shù)能量高的塊，其類別為3，因紋理復(fù)雜且處在低亮或高亮?xí)r，信息嵌入強(qiáng)度應(yīng)最大；亮度中等且高頻系數(shù)能量低，說明為中亮平滑塊，根據(jù)HVS， 這些區(qū)域不能嵌入信息， 類別為0；其余兩種類別不再敘述。

對于任意一個DCT的塊，根據(jù)變換得到的dc能量值和高頻ac能量值，按照式（3）可計算出屬于各類的隸屬度值，然后根據(jù)最大隸屬度原則即可得到該塊的類別。各類的嵌入強(qiáng)度在保證視覺不可見的前提下，可由嵌入實(shí)驗(yàn)確定。由此根據(jù)HVS實(shí)現(xiàn)了彩色圖像各DCT塊三個分量嵌入強(qiáng)度的自適應(yīng)確定。

2．2嵌入像素各分量值的分配與標(biāo)志性嵌入策略

下面以亮度分量Y為例介紹本文提出的信息嵌入策略，其余兩個彩色分量的嵌入策略與分量Y完全相同。

在圖1中，秘密圖像的各個分量是按如下規(guī)則嵌入到載體圖像各分量DCT變換的ac系數(shù)中：

其中P代表載體圖像各分量反量化后的ac系數(shù)，F(xiàn)代表秘密圖像像素的各分量值，S是嵌入信息后的ac系數(shù)，t代表嵌入強(qiáng)度因子。

當(dāng)秘密圖像嵌入完成后，對式（4）所得到的結(jié)果進(jìn)行反DCT變換，得到隱秘圖像的Y，Cb，Cr值，然后再根據(jù)式（2）轉(zhuǎn)換到RGB色彩空間，顯示出彩色隱秘圖像。

本文提出的新的嵌入策略主要是針對式（4）進(jìn)行的。傳統(tǒng)的信息嵌入是根據(jù)式（4），將秘密圖像的像素各分量值直接代替公式中的F并嵌入到一個ac系數(shù)中。但這種嵌入算法必須基于一個前提，就是載體圖像嵌入信息后，各分量的ac系數(shù)必須與隱秘圖像的各分量DCT變換系數(shù)完全一致，否則很小的誤差都會造成提取的秘密圖像有很大的失真誤差。由圖1可知，進(jìn)行反DCT變換后經(jīng)式（2）得到隱秘圖像，就必須對式（2）得到的結(jié)果進(jìn)行取整。大量試驗(yàn)表明：這種取整誤差會造成秘密圖像提取時，對隱秘圖像各分量進(jìn)行DCT變換得到的ac系數(shù)S′與該圖像對應(yīng)分量原來的ac系數(shù)相比，存在±1的隨機(jī)誤差，這種隨機(jī)誤差是由反DCT變換中的取整造成的，顯然是不可避免的。例如，根據(jù)嵌入式（4），若秘密圖像提取時，對隱秘圖像各分量進(jìn)行DCT變換得到的S′與信息嵌入時的S存在±1的誤差，設(shè)嵌入強(qiáng)度為t=0．1，則會使提取的秘密圖像像素在這個分量上的值F產(chǎn)生±10的失真誤差。隨著嵌入強(qiáng)度變小，F(xiàn)產(chǎn)生的失真誤差會越大，如當(dāng)t=0．01時，失真誤差竟達(dá)到±100。

為克服此問題，本文提出了新的嵌入像素分量值分配與標(biāo)志性嵌入策略。因?yàn)殡[藏的像素分量值在0～255之內(nèi)，故可將一個這樣的值進(jìn)行合理分配，再進(jìn)行標(biāo)志性嵌入。下面以將一個嵌入像素Y分量值分成四部分，分別嵌入到四個Y分量的ac系數(shù)中為例，說明具體實(shí)現(xiàn)過程。

第一部分為百位數(shù)標(biāo)志嵌入，對任意像素Y分量的取值范圍為0～255，百位數(shù)值只可能為0，1，2。因此可取三個相差較大的固定值分別作為以上三種情況的標(biāo)志嵌入到Y(jié)分量的一個ac系數(shù)中，各嵌入強(qiáng)度因子的確定應(yīng)保證在此分量上隱秘圖像的不可見性。在百位數(shù)標(biāo)志提取時，只要提取的值在一個范圍中，就可得到百位數(shù)的準(zhǔn)確值。例如只要提取值在150～200的范圍中，就可判定百位數(shù)為1，其他兩種情況同理。因?yàn)槊恳粋€百位標(biāo)志對應(yīng)的是一個較大的數(shù)值范圍，顯然±1隨機(jī)誤差對百位數(shù)的提取沒有影響，即百位數(shù)的提取可達(dá)到100%的正確。

對于剩下的十位以下的數(shù)，其取值范圍是0～99，可以先設(shè)50為閾值。對于≥50和<50這種情況，采用前面類似的方法，將兩種標(biāo)志嵌入到一個ac系數(shù)中。因?yàn)槊總€標(biāo)志都對應(yīng)一個較大的數(shù)值范圍，所以50兩種標(biāo)志的提取可達(dá)到100%的正確。

對于50以下的數(shù)，可再設(shè)閾值為30，按以上方法把30的兩種標(biāo)志嵌入到一個ac系數(shù)中，同樣可以保證30兩種標(biāo)志的提取達(dá)到100%的正確。

最后對于剩下的小于30的部分，因?yàn)閿?shù)值已經(jīng)較小，可直接嵌入到一個ac系數(shù)中，為控制失真誤差，可取嵌入強(qiáng)度因子t>0．7，確保秘密像素分量值的最大失真誤差在±1之內(nèi)。該精度已經(jīng)滿足圖像的質(zhì)量要求，因此通過以上四部分的分配和標(biāo)志性嵌入策略，各分量最大失真誤差已經(jīng)控制在±1之內(nèi)。

對于秘密信息在DCT變換后的ac系數(shù)中的嵌入位置，本文綜合考慮了穩(wěn)健性和不可見性的要求，各分量都選擇DCT域ac27～ac50的頻段。

彩色秘密圖像的提取過程同樣是對各分量分別提取信息，是以上嵌入過程的逆過程，具體過程不再詳述。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4結(jié)論

本文提出的彩色圖像各分量值分配和標(biāo)志性嵌入策略，可以有效地克服DCT域內(nèi)隱藏信息提取時存在的嚴(yán)重失真問題，對嵌入過程中產(chǎn)生的噪聲具有很強(qiáng)的穩(wěn)健性，在YCbCr空間下可確保秘密圖像像素各分量值的最大失真誤差在±1之內(nèi)。基于HVS的DCT塊模糊分類技術(shù)，可自適應(yīng)確定秘密信息的嵌入強(qiáng)度，保證在視覺不可見的質(zhì)量下有較大的信息量。總之，本文提出的彩色圖像隱藏方法為彩色秘密圖像在網(wǎng)上秘密傳輸提供了一種有效途徑。

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作者簡介：

李慶忠(1963)，男， 教授，博士，主要研究方向?yàn)閳D像處理、信息隱藏、機(jī)器人視覺技術(shù)等；于琛(1979)，女 ，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閳D像處理與信息隱藏技術(shù)；褚東升（1956），男，教授，博士，主要研究方向?yàn)橹悄苄畔⑻幚淼取?/p>

注:本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文