一種JPEG圖像的可逆信息隱藏算法

蘇佳（1.桂林電子科技大學計算機科學與工程學院，桂林　541004；2.廣西師范大學網絡中心，桂林　541004）

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一種JPEG圖像的可逆信息隱藏算法

蘇佳1，2
（1.桂林電子科技大學計算機科學與工程學院，桂林541004；2.廣西師范大學網絡中心，桂林541004）

摘要：

關鍵詞：

0　引言

可逆信息隱藏算法是當前研究的熱點問題之一，大致可以分為基于BMP圖像和JPEG圖像的無損信息隱藏算法，而目前基于BMP圖像的算法較多，在BMP圖像可逆隱藏算法中，2003年，Tian[1]提出一種基于差分擴展的無損信息隱藏算法，首先計算兩相鄰像素的均值和差值，將所得的差值乘2再加上一位秘密信息得到新的差值，將均值分別加減新的差值得到隱藏后兩像素值。提取時計算兩相鄰像素差值的最低位即可得到秘密信息，兩像素分別減加上差值就可無損恢復原始載體圖像像素值，實現可逆隱藏。Wien[2]提出了一種基于直方圖轉移和預測誤差修改的可逆信息隱藏算法，文中運用正交投影的方法計算最優權值，將由最優權值得到的像素與原始圖像像素做差值，統計差值直方圖，將秘密信息隱藏在預測差值中。Li[3]的S型掃描整幅圖像得到一維序列，計算一維序列前后兩個元素的差值，統計差值序列的直方圖，利用直方圖平移將秘密信息隱藏到出現頻率最大的差值中。Chang[4]提出一種使用互補策略，通過將偶數像素值加一或奇數像素值減一將秘密信息水平或垂直嵌入到載體圖像中。

對于基于JPEG圖像的無損信息隱藏算法的研究較少，Xuan[5]提出一種基于直方圖對的無損JPEG信息隱藏算法，首先統計量化后的DCT系數的直方圖，將直方圖平移產生原位和擴展位，將秘密信息嵌入到直方圖對中。Qian[6]將秘密信息隱藏在JEPG圖像存儲的二進制流中，根據JPEG定義162種不同的變長編碼的AC系數，但在壓縮過程中較多編碼沒有被使用，統計JPEG圖像中AC系數的變長編碼，根據秘密信息將未使用的變長編碼替換已使用的變長編碼，實現秘密信息的隱藏。文獻[7]對8×8量化后的系數塊求和，將所得和對待隱藏數據的最大值求余，將兩個相鄰塊的DC系數帶入的提取函數得到一值，該值為塊結束標記（EOB）后移的位數，將所得的余數隨機的分配到EOB后移后空出的位置，實現隱藏，文獻[7]修改塊結束標記的后幾位可能修改高頻系數，對載體圖像影響較大且隱藏容量較小。

本文提出一種JPEG圖像的可逆信息隱藏算法，在正確提取秘密信息的同時還能無損的恢復原始圖像相比較其他可逆算法具有較大的隱藏容量和較好的峰值性噪比。第2節介紹了信息的嵌入和提取算法，第3節是實驗結果，第4節是總結。

1　可逆信息隱藏算法

JPEG編碼是將原始圖像劃分成若干8×8的塊，對每一個分塊編碼，首先進行離散余弦變換得到DCT系數，根據量化表Q再對DCT系數進行量化，得到一個8×8的量化后的系數矩陣D。該矩陣D（0，0）代表直流分量DC（Direct Current）系數和D（i，j）（i和j不能同時為0）代表交流分量AC（Altenate Current）系數組成，然后將變換AC系數按照“之”字形（zigzag）掃描順序如圖1所示，對AC系數采用行程和Huffman編碼成二進制位流得到JPEG文件，由于改變DC系數的值對圖像質量影響較大，因此DC系數中不隱藏秘密信息，秘密信息隱藏在AC系數中。

圖1　Zigzag掃描

在JPEG圖像解碼的過程中，首先重構DCT系數，設分塊重構后的系數矩陣為F，則：

再將重構后的系數進行IDCT變換得到圖像像素。設秘密信息為s，根據公式（2）隱藏秘密信息：

為了隱藏后的重構DCT系數與隱藏前的DCT系數接近，提高載密圖像質量，本文新增一量化表Q'，計算方法如下：

計算隱藏后的重構DCT系數：

將公式（2）和公式（3）代入公式（4），進一步可得：

圖2　圖像非隱藏區域和隱藏區域

從隱藏區域提取信息即D'（i，j）的LSB位，s=LSB （D'（i，j）），得到非隱藏區域的LSB位和秘密信息組合。根據公式（6）恢復隱藏區域的原始DCT系數

根據載密圖像非隱藏區域的LSB位即可恢復原始的量化表，將從載密圖像提取到非隱藏區域的LSB位替換非隱藏區域的LSB可恢復非隱藏區域的原始DCT系數。

2　實驗結果和分析

應用本文算法進行了大量的實驗都取得了較好的效果，限于篇幅以512×512壓縮因子0.2的Lena灰度圖像進行說明。圖3（a）為Lena原始圖，圖3（b）為嵌入0.78bpp（k=6）效果圖，圖3（c）為嵌入0.16bpp（k=11）的效果圖，圖3（d）為嵌入0.31bpp（k=21）效果圖。bpp為一個像素的平均隱藏bit數。

對JPEG壓縮量化因子為0.2的boats灰度圖時，本文算法的隱藏容量和隱秘圖像的PSNR值與文獻[5]和文獻[7]進行了比較，如表1所示。在嵌入容量相同時，本文算法的PSNR值較好。

圖3　lena圖像的隱藏效果圖

表1　不同算法的隱藏容量與PSNR值的比較

3　結語

本文對量化后的DCT系數乘2再加上秘密信息值，得到隱藏后的系數，實現對秘密秘密信息的隱藏。并修改量化表提高載密圖像的質量，存儲原始量化表數據用于恢復原始載體圖像。提取秘密信息時，只需計算載密圖像DCT系數的LSB位，載密圖像DCT系數對2取整，即可恢復載體圖像。

參考文獻：

[1]Tian jun.Reversible Data Embedding Using a Difference Expansion.IEEE Transaction on Circuits and Systems for Video Technology，2003，13（8）：890-896.

[2]Wien Hong，Tung-Shou Chen，Yu-Ping Chang，Chih-Wei Shiu.A High Capacity Reversible Data Hiding Scheme Using Orthogonal Projection and Prediction Error Modification.Signal Processing，2010，90：2911-2922.

[3]Yu-Chiang Li.Data Hiding Based on the Similarity Between Neighboring Pixels with Reversibility，Signal Processing，2010，90：1116-1128.

[4]Chin-Chen Chang.The Duc Kieu.A Reversible Data Hiding Scheme Using Complementary Embedding Strategy，2010，180：3045-3058.

[5]Guo-rong Xuan.Reversible Data Hiding for JPEG Images Based on Histogram Pairs.ICIAR 2007，LNCS 4633：715-727.

[6]Zhen-xing Qian，Xin-peng Zhang.Lossless Data Hiding in JPEG bitstream.The Journal of Systems and Software，2012，85：309-313.

[7]Wen-Chung Kuo，Shao-Hung Kuo.Reversible Data Hiding for JPEG Based on EMD.2012 Seventh Asia Joint Conference on Information Security.

A Reversible Information Hiding Method for JPEG Image

SU Jia1，2
（1.Department of Computer Science and Engineering，Guilin University of Electronic of Technology，Guilin 541004；2．Network Center，Guangxi Normal University，Guilin 541004）

Abstract：

Proposes a reversible data hiding method for JPEG images.Data hiding is realized by modifying quantification DCT coefficients and quantization table.The original quantization table is stored in non-embedding region for recovering the original cover JPEG images.The experimental results show that the capacity of our method is high and the PSNR is good.

Keywords：

提出一種基于JPEG圖像的可逆信息隱藏算法，修改量化后的DCT系數和量化表實現秘密信息隱藏，將原始量化表存在非隱藏區域，用于恢復原始載體JPEG圖像。實驗結果表明本文算法具有較高容量和較好的峰值信噪比（PSNR）。

JPEG圖像；DCT系數；可逆信息隱藏

基金項目：

廣西教育廳立項項目（No.LX2014056）

文章編號：1007-1423（2016）14-0077-04

DOI：10.3969/j.issn.1007-1423.2016.14.017

作者簡介：

蘇佳（1980-），男，廣西桂林人，本科，助理工程師，研究方向為計算機網絡、信息隱藏

收稿日期：2016-03-22修稿日期：2016-05-10

JPEG Images；DCT Coefficients；Reversible Data Hiding