基于双三次插值扩展的彩色图像可逆数据隐藏方法技术

基于双三次插值扩展的彩色图像可逆数据隐藏方法，主要解决现有方法综合性能差的缺陷，首先将原始彩色载体图像的RGB三个色彩分量分离，分别对分离后的颜色分量图像矩阵进行插值扩展放大倍数为3的插值扩展，得到插值扩展后的矩阵，并分别计算矩阵中每个插值点的像素值；然后充分利用RGB三个色彩分量之间的相关性和插值空间冗余来嵌入秘密信息，秘密信息采用一维序列方式嵌入，嵌入位置可选择每个色彩分量的低四位、中间插值像素、边缘插值像素和参考像素，并利用相邻的16个像素值来预测插值像素的值；最后将三个色彩分量合并得到隐密载体图像。根据约定的位置嵌入和提取操作，秘密信息的提取不需要任何的附加信息。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于图像处理领域和多媒体信息安全领域，具体涉及一种基于双三次插值扩展的彩色图像可逆数据隐藏方法，可用于医疗、卫星、军事和隐私数据保护等应用领域的多媒体信息安全保护。
技术介绍
随着计算机网络技术的飞速发展，越来越多的图像信息开始在公网上进行传输，多媒体数据的真实性和完整性很难得到保证。而数据隐藏技术的出现，极大地保护了多媒体信息的安全。与数据隐藏技术相比，可逆数据隐藏技术不仅可以将秘密信息以不知不觉的方式隐藏在载体中进行传输，而且能恢复原始载体，从而实现了多媒体信息的安全保护。如在卫星和军事图像、医学图像、二维工程图、云环境中的隐私数据保护等应用领域，都起着举足轻重的地位。实际应用中，彩色图像的应用需求比灰度图像更大。因此，研究彩色图像的可逆数据隐藏技术具有十分重要的意义。目前，可逆数据隐藏算法(Reversible Data Hiding,RDH)主要包括三类方法：差值扩展、直方图平移和无损压缩。熊志勇等人(见文献熊志勇,等.无定位图的预测误差差值扩展可逆数据隐藏[J].计算机应用研究,2010,27(3):1015-1018)提出一种无定位图的预测误差差值扩展可逆数据隐藏方法，该方法并非在真正意义上取消了定位图，所以嵌入容量不大。在此基础上，Liu M等人(见文献Liu M,et al.Reducing location map in prediction-based difference expansion for reversible image data embedding[J].Signal Processing,2012,92(3):819-828)提出一种减小定位图的预测差值可逆信息隐藏方法，该方法的嵌入容量和熊志勇等人方法相当的时候，图像载体的感知质量较差。Lee C F等人(见文献Lee C F,et al.An adjustable and reversible data hiding method based on multiple-base notational system without location map[J].JIHMSP,2015,6(1):1-28)提出基于多符号系统的没有定位图的可逆信息隐藏方法，该方法对第一行和第一列参考像素没有嵌入秘密信息，所以嵌入容量还是不够理想。Li X等人(见文献Li X,et al.High-fidelity reversible data hiding scheme based on pixel-value-ordering and prediction-error expansion[J].Signal Processing,2013,93(1):198-205)提出一种像素值排序和预测差值扩展的可逆数据隐藏方法。Li J等人(见文献Li J,et al.Reversible data hiding scheme for color image based on prediction-error expansion and cross-channel correlation[J].Signal Processing,2013,93(9):2748-2758)提出基于预测差值扩展和交叉信道相关性的彩色图像可逆信息隐藏方法，该方法的预测精度更高，较Li X等人的方法嵌入容量和感知质量都好。Ou B等人(见文献Ou B,et al.Efficient color image reversible data hiding based on channel-dependent payload partition and adaptive embedding[J].Signal Processing,2015,108:642-657)提出一种信道相关性和自适应嵌入的彩色图像可逆信息隐藏方法。Liu R等人(见文献Liu R,et al.A reversible data hiding based on adaptive prediction technique and histogram shifting[C]//Asia-Pacific Signal and Information Processing Association,2014Summit and Conference.IEEE,2014:1-6)提出将自适应预测技术和直方图平移相结合的可逆数据隐藏方法，该方法与Li X等人的方法相比有个共同的缺点就是嵌入容量较低。Lu Y Y等人(见文献Lu Y Y,et al.Adaptive reversible data hiding with pyramidal structure[J].Vietnam J.of Computer Science,2014,1(3):1-13)提出一种金字塔结构差值直方图嵌入的自适应可逆数据隐藏方法。Fu D S等人(见文献Fu D S,et al.Reversible data hiding based on prediction-error histogram shifting and EMD mechanism[J].AEU–Int.J.of Elec.and Comm.,2014,68(10):933-943)提出一种差值直方图平移和EMD可逆数据隐藏方法。Pan Z等人(见文献Pan Z,et al.Reversible data hiding based on local histogram shifting with multilayer embedding[J].J.of Visual Comm.&Image Representation,2015,31:64-74)提出一种多层嵌入的局部直方图平移可逆数据隐藏方法。上述方法中并非真正意义上的消除定位图，且随着隐藏的信息容量的增加，隐密载体图像的感知质量出现了明显下降。插值扩展是近几年常用的可逆数据隐藏技术，该技术可以利用扩大原始载体图像空出大量冗余空间来隐藏秘密信息，对增大嵌入容量和提高感知质量都有很好的作用。现有的信息隐藏插值算法主要有邻近插值、线性插值和抛物线插值。Wang X T等人(见文献Wang X T,et al.Reversible data hiding for high quality images exploiting interpolation and direction order mechanism[J].Digital Signal Processing,2013,23(2):569-577)提出一种高质量的插值扩展和定向排序的可逆数据隐藏机制。Lu T C等人(见文献Lu T C,et al.High capacity reversible hiding scheme based on interpolation,difference expansion,and histogram shifting[J].Multimedia Tools&Applications,2014,72(1):417-435)提出一种基于差值、插值扩展、直方图平移的高容量可逆数据隐本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于双三次插值扩展的彩色图像可逆数据隐藏方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)首先设定插值扩展放大倍数k＝3，将大小为m×n的原始彩色载体图像的每两行之间插入两行，每两列之间插入两列，包括首行和首列，得到大小为mm×nn，mm＝3m，nn＝3n的插值图像矩阵，其中行和列的坐标均为3的倍数的像素为原始像素，即原来坐标为(1,1)的原始像素现在位于坐标为(3,3)的像素点处，其余的像素则为插值像素；对插值图像矩阵边缘前两行和前两列的插值像素的预测不直接采用三次插值运算来计算，而是采用像素之间的相关性邻近预测像素值，对其余的插值像素则采用双三次插值运算得到精确的预测像素值；(2)隐藏数据时，充分利用RGB三个色彩分量之间的相关性和插值空间冗余来嵌入秘密信息，秘密信息采用一维序列方式嵌入，嵌入位置选择每个色彩分量的低四位，具体的嵌入运算采用异或运算来实现，不仅对每个中间插值像素的低四位嵌入秘密信息，而且对边缘插值像素和参考像素的低四位也嵌入了秘密信息；最后将三个色彩分量合并得到大小为mm×nn的隐密载体图像；(3)提取秘密信息与恢复原始图像时，首先将隐密载体图像的三个色彩分量分别分离，然后分别将分离后的三个色彩分量矩阵转化为一维序列得到加载秘密信息后的比特串，提取每个比特串的低四位通过异或操作即可得到秘密信息比特串，再将秘密信息比特串转化为矩阵，最终得到秘密信息；提取完秘密信息后，得到插值扩展后的三个色彩分量矩阵，用所有行和列均为3的倍数的像素得到原始像素，即将三个色彩分量矩阵的前两行前两列删除，进而分别进行mm/3，nn/3运算，即每两行之间删除两行，每两列之间删除两列的运算，得到与原始图像相同的三个色彩分量；合并这三个色彩分量后，得到m×n的原始载体彩色图像。...

【技术特征摘要】
1.基于双三次插值扩展的彩色图像可逆数据隐藏方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)首先设定插值扩展放大倍数k＝3，将大小为m×n的原始彩色载体图像的每两行之间插入两行，每两列之间插入两列，包括首行和首列，得到大小为mm×nn，mm＝3m，nn＝3n的插值图像矩阵，其中行和列的坐标均为3的倍数的像素为原始像素，即原来坐标为(1,1)的原始像素现在位于坐标为(3,3)的像素点处，其余的像素则为插值像素；对插值图像矩阵边缘前两行和前两列的插值像素的预测不直接采用三次插值运算来计算，而是采用像素之间的相关性邻近预测像素值，对其余的插值像素则采用双三次插值运算得到精确的预测像素值；(2)隐藏数据时，充分利用RGB三个色彩分量之间的相关性和插值空间冗余来嵌入秘密信息，秘密信息采用一维序列方式嵌入，嵌入位置选择每个色彩分量的低四位，具体的嵌入运算采用异或运算来实现，不仅对每个中间插值像素的低四位嵌入秘密信息，而且对边缘插值像素和参考像素的低四位也嵌入了秘密信息；最后将三个色彩分量合并得到大小为mm×nn的隐密载体图像；(3)提取秘密信息与恢复原始图像时，首先将隐密载体图像的三个色彩分量分别分离，然后分别将分离后的三个色彩分量矩阵转化为一维序列得到加载秘密信息后的比特串，提取每个比特串的低四位通过异或操作即可得到秘密信息比特串，再将秘密信息比特串转化为矩阵，最终得到秘密信息；提取完秘密信息后，得到插值扩展后的三个色彩分量矩阵，用所有行和列均为3的倍数的像素得到原始像素，即将三个色彩分量矩阵的前两行前两列删除，进而分别进行mm/3，nn/3运算，即每两行之间删除两行，每两列之间删除两列的运算，得到与原始图像相同的三个色彩分量；合并这三个色彩分量后，得到m×n的原始载体彩色图像。2.根据权利要求1所述的基于双三次插值扩展的彩色图像可逆数据隐藏方法，其特征在于，步骤(1)进行双三次插值扩展时，双三次插值扩展算法实现的具体步骤包括：(1)设定插值扩展放大倍数k＝3，将待插值图像m×n的矩阵每两行之间插入两行，每两列之间插入两列，得到大小为3m×3n的矩阵，其中行和列的坐标均为3的倍数的像素为原始像素，其余像素为插值像素。假设原始图像矩阵为则插值扩展之后的矩阵其中，“×”为插入的像素值；(2)采用下式邻近值预测的方式，计算A2的前两行和前两列像素值； A 2 ( i , j ) = A 1 ( 1 , 1 ) i ≤ 3 , j ≤ 3 A 1 ( 2 , 1 ) i = 6 , j ≤ 2 A 1 ( 1 , 2 ) i < 3 , j = 6 ( A 1 ( 1 , 1 ) + A 1 ( 2 , 1 ) ) / 2 3 < i < 6 , j ≤ 2 ( A 1 ( 1 , 1 ) + A 1 ( 1 , 2 ) ) / 2 i < 3 , 3 < j < 6 ]]>(3)通过双三次插值公式f(i+u,j+v)＝ABC来计算其余插值像素的值，其中，A、B、C均为矩阵，其形式如下：A＝[S(1+u) S(u) S(1-u) S(2-u)] B = f ( i - 1 , j - 2 ) f ( i , j - 2 ) f ( i + 1 , j - 2 ) f ( i + 2 , j - 2 ) f ( i - 1 , j - 1 ) f ( ...

【专利技术属性】
技术研发人员：张秋余，豆奇燕，董瑞洪，张墨逸，胡文进，乔思斌，张涛，王前，
申请(专利权)人：兰州理工大学，
类型：发明
国别省市：甘肃;62