基于图像特征的隐写术载体图像的选择.pdf

1、基于图像特征的隐写术载体图像的选择杨任尔，郑紫微，金炜（宁波大学 信息科学与工程学院，浙江 宁波 ）摘要：隐写术不同于其它信息隐藏 技 术，信 息 嵌 入 者 可 以 自 由 选 择 载 体 图 像，而 选 择 合 适 的 载 体图像有助于提高隐写术系统的 不 可 感 知 性。本 文 通 过 分 析 载 体 图 像 的 方 差、复 杂 度、熵、直 方 图及其函数等图像特征和隐写术系 统 中 的 相 对 熵、直 方 度 改 变 量 等 隐 写 术 系 统 的 性 能 参 数 之 间 的关系，探究图像特征是否会影响或者决定隐写术系 统 的 性 能，为 隐 写 术 载 体 图 像 选 择 方 案 提

2、 供 依据。实验证明，选择合适的载体图像是提高隐写术 系 统 不 可 感 知 性 较 有 效 的 途 径；在 使 用 类 嵌入算法的隐写术系统中，色调、信 息 和 纹 理 丰 富 的 图 像 不 一 定 是 合 适 的 载 体 图 像，而 直 方 图 曲线变化缓慢的图像是较理想的载体图像；使用同样 嵌 入 算 法，选 择 合 适 载 体 图 像 的 隐 写 术 系 统 的相对熵比选择不合适载体图像低 多倍。关键词：隐写术；载体选择；图像特征；隐写术系统性能中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，（，）（）：；引言隐写术是利用文本、声音、图像以及视频等多媒体中的冗余和人类感官冗余，把信

3、 息 隐 藏在 多媒体中，通过公共网络传送出去而实 现 了 隐蔽 通信。隐写术不但隐藏了通 信的 内 容，同 时 隐藏 了通信的事实。由于网络上图像的大量存在以及图像数据的冗余大、可嵌入秘密信息的 容 量 也大 等特点，目前主流的隐写术是以图像为载体的。隐写术的性能指标包括不可感知性、鲁棒性和嵌入容量。其中，不可感知性是图像 隐写术系统的重要特性，也称透明性或抗检测性能，它包含了视觉不可感知性和统计不可感知性，往 往可以通过改进隐写术算法来提高不可感知性，。常用的隐写术算法分为空域隐写和频域隐写。频域算法先对图像频域变换，然后把信息嵌入到图像 相 应 的 变 换 域 中，常 用 的 变 换 有

4、 和，频域隐写算法较好地解决不可感知性和光 电 子 激 光第 卷 第期 年月 ：收稿日期：修订日期：基金项目：国家自然科学基金（）、浙江省重点科技创新团队基金（）、浙江省杰出青年科学基金（）、教育部高等学校博士学科点专项科研基金（）、浙江省信息与通信工程重中之重学科开放基金（）和宁波市科技创新团队基金（）资助项目DOI:10.16136/j.joel.2014.04.025鲁棒性的 矛 盾。空 域 常 用 算 法 中 最 经 典 算 法 是 （），因 为 该 算 法 嵌 入 容 量大、算法 简 单被广 泛 应 用。但 等 人提出的分析以及 等人提出的 分析均能 检 测 到 秘 密 信 息 存

5、在。提 出 隐写算法 能 较 好 对 抗分 析 以 及 分析，但是 算法在秘密信息嵌入载体图像后，使得载体图像的直方图遭到破坏，分析者利 用 这 一 点 进 行 攻 击。张 新 鹏 等 提 出 的隐写算法既能对抗分析以及 分析，又能保持直方图变化最小。并且，由于隐写术不同于其它信息隐藏技术，信息发送者可以任意选择载体图像以提高隐写术系统的不可感知性，因此对隐写术系 统 载 体的 选择问题进行了深入研究。等人 首先研究了隐写术系统载体图像的选择问题，考 虑信 息的嵌入者对攻击者完全所知、部分所知和一无 所知种情形进行研究，并且针对不同 的 情 形使 用不同的失真方法评价。但他们是通过实验从检测角

6、度来研究的，缺少理论分析。等人 从秘密图像与载体图像的图像块相似性的角度研究了载体图像选择问题，把要隐藏的某 一 个 特定 的秘密图像划分成特定大小的块，在载 体 图 像中 找到最匹配的块，并把索引值隐藏在载体图像，为了提高隐藏容量和不可感知性，关键是找到与秘 密图像最匹配的作为参考的载体图像。等人 通过考察相关系数来研究载体图像选择问题，从理论上证明了选择相关系数小的载体图像可以提高隐写术系统的不可感知性。但他们把载体图像假定 为 过 程，这 是 该 结 论 的 局 限性，因 为 真 实 的 自 然 图 像 并 一 定 都 满 足 过 程。等 人，研 究 了 一 个 载 体 图像中选择具有高

7、复杂度区域隐藏大比特率的秘密信息，但他们对图像选择问题研究局 限 在 一幅 图像中。本文从图像特征与隐写术系统评价性能之间关系的角度，探究图像特征是否会影 响 或 者决 定隐写术系统的性能，为隐写术载体选 择 方 案提 供依据。载体图像选择方案为了实现隐写术性能的最佳化，发 信 方可 以根据实际情况自由选择 载体 图 像。如图 所 示，本文通 过 考 察 载 体 图 像 方 差、熵、直 方 图 及 其 函数，以及图像的复杂度等图像特性，对于某种特定的嵌入方法，研究载体图像特征与隐 写 术 系统 的不可感知性之间关系。图隐写术载体图像选择研究方案 图像的特征可以用方差、熵值、直方图、直方图最大值

8、、直方图的平滑度和图像复杂度来表示。图像的方差、熵值是衡量图像信息、色调丰富程度重要指标，而直方图（）表示图像中像素值为的个数。表示直方图的（）最大值；表示直方图曲线的平滑度，其公式表示为 （）与 表征了图像直方图的形状，当 很大时，意味着图像极大部分的像素集中在该灰度值，图像的色调比较单调；而当 比较小时，意味着图像的色调比较丰富（灰度值比较分散）。表示直方图曲线变化的情况，较小时，意味着直方图曲线连续缓慢变化；较大时，直方图曲线会出现突变的不连续情况。图像的复杂度计算公式为 （，）（）图像的复杂度表征了图像空间分布的情况，如果图像的复杂度较大时，图像空间变化纹理丰富，如果复杂度较低，图像在

9、空间变化比较单调。图中，评测隐写术系统不可感知性能的参数有载体图像与隐写图像的直方图的差、绝对差和相对熵。其中，直方图的差为第期杨任尔等：基于图像特征的隐写术载体图像的选择（）式中：（）、（）（，）分别是原始图像与载体图像的直方图。直方图绝对差为 （）（）（）表示图像嵌入秘密信息后，直方图改变的情况。越小，表示隐写术系统的不可感知性能越好。隐 写 前 后 图 像 的 相 对 熵 或 称 散 度，是 提出用于度量隐写术系统的不可感知性。相对熵为（）（）式中，和 分别是载体图像与隐写图像的像素灰度值的概率分布。相对熵越小，隐写术系统的不可感知性越高；当相对熵为时，是绝对安全的状态。实验结果与分析实

10、验图像采用了数码照相机采集到的 幅自然图像，并把它们转化成 灰色图像。嵌入方案使用 以及文献 中提出的保持直方图变化最小的 改进算法，简称为（）。嵌入的秘密信息是网上随意下载的一段英文文本，经 加密，去除了信息元之间的相关性，使得文本信息变成等概率随机分布的和比特流，嵌入容量达到最大值。实验结果见表、以及图。对表中的载体图像经过嵌入秘密信息后，载体图像与隐写图像之间相对熵比较低，直方图失真也比较小；而对表中载体图像经过嵌入秘密信息后，相对熵比较大，直方图失真也比较大。实验结果表明，使用同样的隐写术嵌入算法，选择第组图像作为载体与选择第组图像作为载体相比较，不可感知性有较大程度上提高。另外，根据

11、 提出的隐写术系统安全性的定义可知，选择组载体图像的隐写术系统是安全的，选择组载体图像的隐写术系统是不安全。也就是说，组的图像不合适作为隐写术系统的载体图像。对于表的一组载体图像，的不可感知性能与 的相比有较大幅度改善；而在表的另一组载体图像，虽然 的不可感知性与 相比也提高了，但是提高的幅度很小。这表明，对于选择不合适的图像作为载体，即使有一个好的隐写术算法，但是改进隐写术系统性能的余地不大。另外，与选择表和表两组不同载体图像产生的性能变化的幅度相比，选择 与这两种不同隐写术算法，其不可感知性能变化的幅度相对较小。这说明，选择合适的载体图像与改进隐写术算法相比较，前者对隐写术系统的性能改进更

12、有效。从表与表的数据可以看出，不可感知性能差异与载体图像的直方图特征密切相关，选择直方图曲线连续缓慢变化，也就是 与 较小的载体图像（见图的载体图像），隐写术系统的不可感知性比较优异，反之亦然。使用同样的隐写术嵌入算法，选择不同组载体图像，不可感知性能相差比较大，这应该由图像特征差异造成。从表与表实验结果看出，色调、信息和纹理丰富的载体图像并不一定决定隐写术系统具有良好的不可感知性能，如图中的号图的方差最大，意味着图像的色调比较丰富；图像熵也不比第组中图的号图像大，意味着图像的信息量也丰富；但是，号载体图像嵌入秘密信息后的不可感知性能较差的。另外，第组的图像的平均复杂度要高于第组图像，意味着图

13、像纹理结构要比第组丰富，但是不可感知性能远远低于第组的不感知性。这与人们形成的直观感觉不一致，因为一般会认为使用色调变化丰富的载体图像，隐写术系统的不可感知性能较好，但在单色调载体图像中会轻易留下痕迹。表 第组载体图像特性及其隐写术系统不可感知性能 光 电 子 激 光 年第 卷表 第组载体图像特性及其隐写术系统不可感知性能 从图可以看出，虽然载体图像平滑度与隐写术系统的性能有相联，当平滑度越小时，相对熵也越小，隐写术系统的统计不可感知性越好；当平滑度大时，相对熵有变大的可能。但是也有保持相对熵较小的情况，这是因为隐写术嵌入算法是一个离散随机过程，隐写术系统性能除了与载体图像特征与隐写术嵌入算法

14、有关，还与载体图像与秘密信息之间的匹配性有关，尽管载体图像的平滑度大时，但是载体图像与秘密信息匹配性好时，相对熵也会变小。结论载体图像的选择直接关系到秘密信息的不可感图直方图平滑度与相对熵关系 图第组实验图像及其直方图 第期杨任尔等：基于图像特征的隐写术载体图像的选择图第组实验图像及其直方图 知性能及安全性等，与秘密信息的嵌入策略共同构成了隐写术系统实现过程的关键环节。研究结果表明，选择合适的载体图像与使用改进的隐写术嵌入算法，前者对提高隐写术系统的性能更加有效；使用类 嵌入算法 和 时，选择色调、信息、纹理丰富的图像不一定使得隐写术系统具有良好的不可感知性能，而选择直方图曲线变化缓慢的图像作为载体图像，能有效提高隐写术系统的不可感知性能。参考文献：，（）：曹丽丽，陈志宏基于湿纸编码的多像素值差密写光电子激光，（）：，：，（）：余兵奇，张红梅一种改进的最低有效位信息隐藏算法 ，（）：，：，（）：，（）：，（）：，：，：，：，（）：，：，作者简介：杨任尔（），女，副教授，博士研究生，主要研究方向为图像、视频编码和信息隐藏 光 电 子 激 光 年第 卷