基于AMBTC壓縮位圖和候選字符串表的可逆信息隱藏方法

夏婷婷，江 玲

基于AMBTC壓縮位圖和候選字符串表的可逆信息隱藏方法

夏婷婷，江 玲

（武夷學院 數(shù)學與計算機學院，福建 武夷山 354300）

標準灰度圖像通過AMBTC壓縮，獲得每小塊的高、低量化值和位圖。統(tǒng)計位圖出現(xiàn)的頻率最高和第二高的兩類位圖稱為兩類峰值位圖。兩類峰值位圖和高、低量化值相等時的位圖塊都被用于秘密信息的隱藏。前者將兩類峰值位圖和0～655 35數(shù)值都轉(zhuǎn)換為字符串，利用漢明距離和門限值進行字符串篩選，可以得到2個候選字符串表。秘密消息轉(zhuǎn)換為指定索引值，通過索引值找到候選列表中相應的字符串，用字符串來代替峰值位圖，完成信息嵌入；后者采取秘密信息直接替換原位圖方式。該方案具有較高的圖像質(zhì)量，同時信息隱藏能力可通過2個閾值進行調(diào)節(jié)。

可逆信息隱藏；AMBTC；兩類峰值位圖；漢明距離；標記圖

隨著現(xiàn)代信息社會的快速發(fā)展，信息安全問題越來越嚴重。典型的信息安全技術之一的數(shù)據(jù)隱藏技術(又稱信息隱藏技術)，近年來受到了廣泛的關注。信息隱藏主要研究內(nèi)容有水印和隱寫2個方向，水印研究目的是進行所有權聲明，例如版權保護、交易跟蹤、隱藏身份、篡改報警等。隱寫術主要研究目的是在不引起任何懷疑的情況下，進行秘密信息藏入和傳輸[1-4]。

數(shù)據(jù)隱藏技術主要應用于空間域、壓縮域、頻域3個領域?？臻g域通過修改原始圖像的像素值來嵌入秘密信息，例如最低有效位LSB算法[5]。壓縮域利用壓縮算法特性將秘密信息進行藏入，典型方法有塊截斷編碼BTC、絕對矩塊截斷編碼AMBTC、向量量化VQ、聯(lián)合圖像專家組JPEG等[6-9]。頻域?qū)⒚孛苄畔㈦[藏在頻域變換后的系數(shù)中，例如離散余弦變換(DTC)、離散小波變換(DWT)。

數(shù)據(jù)隱藏技術分為可逆數(shù)據(jù)隱藏方案(RDH)和不可逆數(shù)據(jù)隱藏方案(NRDH)2類[10]。其中，NRDH方案用戶接受到信息后通過秘鑰，提取出秘密信息，但是無法恢復原始圖像[11]。在RDH方案中，用戶接受信息后不僅可以提取秘密信息，而且可以完全恢復原始圖像。RDH可用于一些特殊的應用領域，如證據(jù)取證、軍事、醫(yī)療圖像[12]。

本文提出的算法屬于隱寫領域，基于壓縮域AMBTC的可逆信息隱藏算法，主要貢獻如下。

(1)提供了一種創(chuàng)新的基于AMBTC壓縮位圖統(tǒng)計特性，采取兩類峰值位圖的信息隱藏策略。

(2)提供了一種在低帶寬條件下，實現(xiàn)實時秘密通信的可逆信息隱藏方法。

(3)采用2個預定義的閾值，閾值可設置范圍較寬，不僅可以調(diào)節(jié)原始圖像與壓縮圖像之間的峰值信噪比(PSNR)，還可以調(diào)節(jié)信息隱藏能力。

1 圖像的預處理和秘密信息嵌入

1.1 總體方案設計

本文提出的可逆信息隱藏整體方案如圖1所示，主要包括AMBTC壓縮、兩類峰值位圖確定、候選字符串表形成、標記圖建立、信息嵌入5部分，前4項為圖像的預處理部分。

圖1 整體方案的流程框圖

1.2 AMBTC壓縮

AMBTC是在BTC的基礎上發(fā)展起來的一種著名的壓縮方法，與BTC壓縮算法比具有方法簡單、壓縮速度快，具有更好的均方誤差性能等特點。每個圖像塊經(jīng)過AMBTC壓縮后，會得到一個三元組，高量化值、低量化值和位圖B，具體計算公式如下：

每個灰度像素需要8比特來表示，對于一個4×4的像素塊，則需要128比特。將該圖像塊經(jīng)AMBTC壓縮后會得到1個高量化值、1個低量化值都分別需要8比特來表示，同時還要有16特比來表示位圖，總比特數(shù)是(16+8+8)=32位。因此，AMBTC的壓縮率為32/128=0.25 bpp。圖2為AMBTC壓縮過程的示意圖。

1.3 峰值位圖的確定

像素512*512的灰度圖像，按像素大小為4*4分割可得到16 384個像素塊，經(jīng)過AMBTC壓縮后，可以得到16 384個位圖。每個位圖由16比特“1”、“0”組成，從左到右、從上到下提取，可以得到16比特的二進制數(shù)值，將該數(shù)值轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)值。對所有十進制數(shù)出現(xiàn)的頻率進行統(tǒng)計，其中出現(xiàn)頻率最高的和第二高的十進制數(shù)所對應的位圖，則稱之為兩類峰值位圖。

1.4 候選字符串表形成

圖3 候選字符串形成過程的例子

由于方案采用了兩類峰值位圖，以及2個門檻值TH1、TH2，因此，最終會形成2個不同的字符串候選表ST1、ST2。統(tǒng)計出字符串表中字符串總個數(shù)1、2，并計算每次可藏入秘密信息的長度1、2。

1.5 標記圖建立

步驟一：為了區(qū)分兩類峰值位圖和非峰值位圖，采取的策略一，將兩類峰值位圖的高、低量化值前后位置進行對調(diào)。

步驟二：為了進一步區(qū)分兩類峰值位圖是哪一類，采取的策略二，用“1”、“0”分別替換第一類、第二類峰值位圖的高量化值的最低位，被替換出的最低位比特被記錄在標記圖（location map）里。標記圖里的信息流會被接在真正秘密信息流前端，一同進行后面信息嵌入過程。

1.6 信息嵌入過程

步驟一：高、低量化值相等的位圖塊，采用16比特密碼信息直接替換位圖信息方式進行信息隱藏。

步驟二：兩類峰值位圖中的信息隱藏采取方式，策略一，信息嵌入整體順序先第一類峰值位圖，然后第二類峰值位圖；策略二，為了后續(xù)圖像的恢復，兩類峰值位圖的第一個位圖都不進行秘密信息得嵌入。具體嵌入過程，先從信息流中提取長為1、2的秘密信息串，轉(zhuǎn)化為十進制數(shù)值。以十進制數(shù)值為檢索值，在字符串表ST1、ST2中找到相應的字符串S1、S2，并將其分別嵌入到兩類峰值位圖中。

2 秘密信息的提取和原始圖像恢復

信息提取和原始圖像恢復的具體過程如下。

(1)從隱寫的信息流中得到每一塊AMBTC的高量化值、低量化值、位圖。

(2)搜索到高、低量化值前后順序顛倒過的位圖塊，這些位圖則是兩類峰值位圖，然后根據(jù)高量化值的最低位為“1”或“0”，可以分區(qū)出第一類峰值位圖M1個和第二類峰值位圖M2個。

(3)檢索到第一類峰值位圖的第一個位圖和第二類峰值位圖的第一個位圖，根據(jù)2個門檻值，建立2個字符串碼表。具體方法見1.4節(jié)。

(4)統(tǒng)計出2個字符串碼表里字符串個數(shù)1、2，計算出秘密信息的長度1、2。

(5)秘密信息提取過程：從高、低量化值相等的位圖塊中，直接提取出16比特秘密信息。峰值位圖部分信息提取，主要是利用字符串碼表ST1、ST2搜索到標號，并將標號轉(zhuǎn)換為長為1、2的秘密信息。先提取第一類峰值位圖里信息，然后提取第二類峰值位圖里信息。

(6)收集所有提取的秘密信息，取前12個比特來恢復兩類峰值位圖的最高值的最低位。因此，真正藏入的秘密信息數(shù)為=-1-2。

(7)用4*4個“1”比特恢復高、低量化值相等的位圖快。用第一類峰值的第一個位圖恢復第一類峰值位圖的剩余所有位圖，同理，第二類峰值也采用同樣方法進行位圖復原。

(8)利用AMBTC高、低量化值和位圖來恢復原始AMBTC壓縮圖像。

3 實驗與結(jié)果分析

圖4 6張灰度圖

實驗效果評估參數(shù)有：峰值信噪比PSNR、信息隱藏能力HC、信息嵌入率ER。PSNR用來評估圖像的視覺效果，如公式(6)、(7)，信息隱藏能力是指嵌入到封面圖像中的秘密信息總數(shù)。信息嵌入率在本文中指被嵌入的秘密的總比特數(shù)與AMBTC壓縮碼的總比特數(shù)之間的比值，見公式(8)。

式中：‖‖是AMBTC壓縮碼的總比特數(shù)。

由表1可知，第一類峰值位圖和第二類峰值位圖平均個數(shù)較為接近，分別為268、218，提出的方案總體平均信息隱藏能力為7 752比特。從表中觀察可知圖像“Airplane”視覺品質(zhì)下降較多，下降了4.40 dB，但其余圖像依然保持在較高的視覺品質(zhì)?？傮w上，圖像經(jīng)過AMBTC壓縮后，圖像的品質(zhì)PSNR平均值為31.47 dB，藏入信息后的隱寫圖像PSNR平均為29.38 dB，總體視覺品質(zhì)平均下降了2.09 dB，依然保持了較為理想的視覺品質(zhì)。

表1 TH1=TH2=16，提出方案的實驗效果

圖像名稱壓縮圖像視覺品質(zhì)PSNR/dB隱寫圖像視覺品質(zhì)PSNR/dB下降的視覺品質(zhì)PSNR/dB第一類峰值位圖個數(shù)第二類峰值位圖個數(shù)高、低量化值相等時位圖個數(shù)信息隱藏能力/bits Lena33.2330.752.48447364112 960 Airplane31.9727.574.4021020606 624 Barbara29.3927.871.5131221708 432 Goldhill32.8631.571.2930423438 624 Boat31.1629.521.6424320007 056 Sailboat30.2029.011.19948402 816 平均31.4729.382.0926821817 752

本方案中的閾值TH1、TH2取值范圍都為1～16，可以靈活設置，2個閾值可以同時取相同值也可以取不同值。表2列出了不同閾值下PSNR和隱藏容量的結(jié)果。實驗結(jié)果表明，閾值可以靈活地控制PSNR和HC的性能。通常信息隱藏能力與視覺品質(zhì)間存在制衡關系，信息隱藏能力會逐漸升高時，圖像品質(zhì)卻會逐漸下降。從圖5可以看出，隨著閾值增加，除了圖像“Airplane”外，其余圖像視覺品質(zhì)PSNR值略有下降。特別是閾值在8～15，PSNR基本保持不變。從圖6觀察可知，隨著閾值的增大，信息隱藏能力處于增加趨勢。當閾值在8～15時，信息隱藏量也保持不變，因為公式(5)控制了的值。是要嵌入每個峰值位圖的秘密信息的長度。當2個閾值都是16時，信息隱藏量達到最大值，但此時的圖像品質(zhì)依然很高。

表2 當TH1、TH2的值為1～16時，PSNR和HC的值

TH1=TH2圖像LenaAirplaneBarbaraGoldhillBoatSailboat AMBTCPSNR33.2331.9729.3932.8631.1630.20 1PSNR32.8731.1729.1732.6730.9230.04 HC3 2521 6562 1082 1921 764704 2PSNR32.4930.5329.0032.5130.7229.90 HC5 6792 8983 6893 8003 0871 232 3PSNR32.2130.0328.8232.3830.5229.78 HC7 2973 7264 7434 8723 9691 584 4PSNR31.9629.5328.6532.2430.3629.64 HC8 9154 5545 7975 9444 8511 936 5PSNR31.6929.2028.5332.1230.2229.54 HC9 7244 9686 3246 4805 2922 112 6PSNR31.5528.8928.4232.0230.0629.49 HC10 5335 3826 8517 0165 7332 288 7PSNR31.3628.6128.3231.9229.9629.37 HC11 3425 7967 3787 5526 1742 464 8PSNR31.1328.2328.1231.7729.7729.21 HC12 1516 2107 9058 0886 6152 640 9PSNR31.0828.1728.1331.7629.7329.22 HC12 1516 2107 9058 0886 6152 640 10PSNR31.1528.2828.1531.7729.7829.28 HC12 1516 2107 9058 0886 6152 640 11PSNR31.0928.2028.1431.7529.7629.21 HC12 1516 2107 9058 0886 6152 640 12PSNR31.0928.2928.1431.7929.7629.22 HC12 1516 2107 9058 0886 6152 640

續(xù)表

TH1=TH2圖像LenaAirplaneBarbaraGoldhillBoatSailboat AMBTCPSNR33.2331.9729.3932.8631.1630.20 13PSNR31.1828.2528.1431.7629.7529.24 HC12 1516 2107 9058 0886 6152 640 14PSNR31.0128.2528.1331.7429.7529.24 HC12 1516 2107 9058 0886 6152 640 15PSNR31.0128.2028.1531.8029.7629.27 HC12 1516 2107 9058 0886 6152 640 16PSNR30.7527.5727.8731.5729.5229.01 HC12 9606 6248 4328 6247 0562 816

圖5 6幅圖像的PSNR與2個門閾值的關系

圖6 6幅圖像的HC與2個門閾值的關系

為了進一步說明本方案的優(yōu)越性，將秘密信息藏于一類峰值位圖和兩類峰值位圖的實驗數(shù)據(jù)進行對比。從表3可知，只采取一類峰值進行信息隱藏策略時，隱寫圖像PSNR值30.12，信息隱藏量為4 277比特，信息嵌入率為0.008 2，而采取兩類峰值位圖進行信息隱藏策略時，隱寫圖像PSNR值為29.38，信息隱藏量為7 752比特，信息嵌入率為0.014 8。因此，本方案在視覺品質(zhì)上較前者只下降了0.74，但是信息隱藏能力卻提升了81.25%。表4對本方案與Lo等人提出方案做比較，從實驗結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，在ER和HC方面，本文方案比Lo等人方法有更高的性能。

表3 采用不同峰值位圖的信息隱藏方案的數(shù)據(jù)對比

方案參數(shù)LenaAirplaneBarbaraGoldhillBoatSailboatt平均值 一類峰值位圖HC7 1363 3444 9764 8483 8721 4884 277 PSNR31.8128.4228.5732.2030.1029.6230.12 CF524 288524 288524 288524 288524 288524 288524 288 ER0.01360.00630.00950.00920.00740.00280.0082 兩類峰值位圖HC12 9606 6248 4328 6247 0562 8167 752 PSNR30.7527.5727.8731.5729.5229.0129.38 CF524 288524 288524 288524 288524 288524 288524 288 ER0.02470.01260.01610.01640.01350.00540.0148

表4 本文方案與Lo等人方案HC和ER的比較

方案參數(shù)LenaAirplaneBarbaraGoldhillBoatSailboat Lo等[12]HC2 3854 233—1 2573 0161 544 CF524 288524 288—524 288524 288524 288 ER0.00450.0080—0.00230.00580.0029 本文方案HC12 9606 6248 4328 6247 0562 816 CF524 288524 288524 288524 288524 288524 288 ER0.02470.01260.01610.01640.01350.0054

4 結(jié)論

本文提出的可逆信息隱藏方案主要基于AMBTC技術和候選碼表的映射原理，通過設置2個閾值可以較大范圍調(diào)節(jié)圖像品質(zhì)和信息隱藏能力。與將秘密信息隱藏于一類峰值位圖方案比，本方案基于兩類峰值位圖的信息隱藏具有更高的信息隱藏量能力，同時保持了較高的圖像品質(zhì)。

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Reversible Data Hiding Method Based on AMBTC Compression Bitmaps and Candidate String Table

XIA Ting-ting, JIANG Ling

（School of Mathematics and Computer, Wuyi University, Wuyishan 354300, China）

First, Standard gray-scale images are compressed by AMBTC to obtain high and low quantization values and bitmap for each small block. Secondly, the frequency of the occurrence of bitmaps is counted. The two types of bitmaps with the highest occurrence frequency and the second highest occurrence frequency are called the two types of peak bitmaps. Finally, two types of peak bitmaps and bitmaps with equal high and low quantization values are used to hide secret information. The former converts two types of peak bitmaps and values from 0 to 65535 into strings, and then uses hamming distance and threshold value to filter strings to obtain two candidate string tables. The secret message is converted to the specified index value, and the corresponding string in the candidate list is found through the index value, and the peak bitmap is replaced by the string to complete the information embedding. The latter directly replaces the bitmap with secret information. The scheme has high image quality and the information hiding ability can be adjusted by two thresholds.

reversible data hiding; AMBTC; two types of peak bitmaps; Hamming distance; marker map

TP309.2

A

1674-3261(2021)04-0250-07

10.15916/j.issn1674-3261.2021.04.009

2021-02-18

福建省中青年教師教育科研項目（科技類）（JAT200671）；武夷學院科研項目（XL201308）；福建省中青年教師教育科研項目（科技類）（JAT190794）

夏婷婷(1985-)，女，黑龍江虎林人，講師，碩士。

責任編校：孫 林