一种抗统计检测及抗缩放攻击的图像隐写方法技术

本发明专利技术公开了一种抗统计检测及抗缩放攻击的图像隐写方法，包括计算缩放因子、预处理并对载体图像模拟缩放因子为的缩放过程、基于反向插值运算的信息实际嵌入规则的构建、基于位置映射的信息嵌入算法和提取信息；本发明专利技术通过将信息实际嵌入值与信息实际嵌入点一一对应构，提出一种基于反向插值运算的信息嵌入规则构造算法，保证信息的提取正确率，即能够从遭受缩放攻击后的图像中正确提取信息，提高图像隐写方法的抗缩放攻击能力，通过采用基于位置映射的信息嵌入算法，当载密图像遭受缩放攻击后，不仅能够保证嵌入信息的正确提取，而且有效提高遭受缩放攻击的载密图像的抗统计检测性能。

An image steganography method against statistical detection and scaling attack

【技术实现步骤摘要】
一种抗统计检测及抗缩放攻击的图像隐写方法
本专利技术涉及图像隐写及插值缩放
，尤其涉及一种抗统计检测及抗缩放攻击的图像隐写方法。
技术介绍
目前，社交通讯App已成为人类发布消息、传递信息、分享生活的重要载体，据报道：每天全球人均在各种社交媒体上花费的时间约为2.3个小时，在社交平台上分享图片成为一种时尚，Twitter社交平台上超过50％的内容图文并茂，越来越多的人认为“一图抵千言”。各类社交通讯App的广泛应用，引起了人们对公开信道传递私密信息安全性的关注。传统解决数据传输安全的主要办法是对数据先加密再传递，但密文“乱码”容易暴露重要信息的存在，引起攻击者的兴趣。于是，采用可实现隐蔽通信的隐写技术，将用户私密信息隐藏于正常图片中通过社交通信App传输，成为一种自然的选择。将秘密信息嵌入到数字图像中，通过公开信道传输从而实现隐蔽通信的图像隐写术，既能够隐藏数据，还能够隐藏用户的通信行为。近几年出现的自适应图像隐写算法根据图像内容自适应地选择嵌入更改位置，使得被更改的载体像素主要位于图像的纹理、边缘、噪声等复杂区域，从而保持了载体图像的高维统计模型，具有良好的抗统计检测性能。然而，现有隐写算法没有考虑缩放攻击。在实际的移动通信中，当载密图像经过有缩放攻击的信道传输后，接收端接收到的载密图像与原载密图像尺寸往往不一致，从而导致现有隐写方法无法正确提取嵌入的秘密信息。我们对HUAWEI、IPHONE、SAMSUNG等9种常见品牌手机、2种常用社交通讯App进行测试发现，传输的照片几乎都会被缩放。因此，为了实现适用于社交通讯App的隐蔽通信，有必要研究兼具抗统计检测与缩放攻击的图像隐写技术。为了抵抗缩放攻击，一个自然的想法是借鉴现有的抗缩放图像水印算法，此算法在以往的文献中有多次记载，如：(1)将归一化的图像Zernike矩作为水印嵌入载体，获得了对缩放攻击的鲁棒性。(2)对图像直方图进行对应像素数的变更嵌入水印，实验表明，缩放因子为0.8时，信息的提取正确率高于97.2％。(3)将载体信号进行量化索引调制嵌入水印信息，实验表明，当缩放因子等于0.5～2时，水印信息能够正确提取。(4)频域图像一般通过修改DCT系数嵌入水印信息。如Z.Lin、.LNiu等人提出的一种基于特征点与图像变换相结合的方法，将水印信息嵌入到DCT系数中，实验表明，对图像进行0.8与1.2倍的缩放时，信息的提取正确率分别达到93.75％和100％。(5)通过计算相邻DCT块间相同位置系数之差来嵌入信息。实验结果表明，在缩放因子为0.5时，信息的提取错误率为7.59％。(6)使用特定位置DCT系数与其余三个DCT块内同位置系数的平均值之差来嵌入水印。实验表明，在缩放因子等于0.5、0.8、1.2时，信息的提取正确率分别为95.09％、96.91％和98.37％。以上这些水印算法对缩放攻击具有鲁棒性，但信息嵌入率往往极低，且抗检测性通常较差，所以不能直接用于鲁棒隐写。在前期研究中，借鉴抗缩放的水印算法的思想，抗缩放攻击与统计检测的图像隐写算法取得了一些研究成果。Y.Zhang、D.Ye等人提出一种基于量化索引调制的抗缩放攻击与统计检测的图像自适应隐写方法。该方法借鉴基于量化索引调制的水印算法，获得信息的嵌入载体以及信息嵌入算法。同时借鉴空域隐写算法S-UNIWARD(SpatialUNIversalWAveletRelativeDistortion)构造新载体的失真函数，并利用STCs(Syndrome-TrellisCodes)编码嵌入信息，提高其抗检测性。Y.Zhang、X.Luo等人提出一种基于Zernike矩的抗缩放攻击与统计检测的图像自适应隐写方法，该方法在一种基于量化索引调制的抗缩放攻击与统计检测的图像自适应隐写方法的框架基础上，提取图像归一化后的Zernike矩的幅值，并进一步利用抖动调制算法获取新的嵌入载体以及信息嵌入算法。以上这些方法吸收了水印算法抗缩放的特点，但同时也引入了水印算法信息嵌入率低、抗检测性能差的缺点。Y.Zhang、X.Luo等人提出了一种基于不变像素的抗缩放攻击隐写方法，可有效抵抗简单的最近邻内插缩放攻击。然而，该方法对更常见的基于双线性内插和双三次内插的缩放攻击难以凑效，在遭受这些缩放攻击时，往往会丢失大量的嵌入信息。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种抗统计检测及抗缩放攻击的图像隐写方法，能够提高载密图像的抗统计检测性能和抗缩放攻击性能，在常见缩放因子下，针对常见插值缩放攻击，在保持较高抗检测性能的同时，能够实现对嵌入信息的可靠提取，且适用范围广。本专利技术采用的技术方案为：一种抗统计检测及抗缩放攻击的图像隐写方法，包括以下步骤：A、计算缩放因子scale：B、预处理，对载体图像C模拟缩放因子为scale的缩放过程：具体为：在缩放过程中，输出载体图像C的预缩放载体图像C′，同时，输出对应关系矩阵E和区域内像素权值矩阵W；对应关系矩阵E指预缩放载体图像C′中每个像素与载体图像C中区域内各像素的对应关系矩阵，区域内像素权值矩阵W指预缩放载体图像C′中每个像素对应的载体图像C中区域内各像素用于插值计算的权值矩阵；C、基于反向插值运算的信息实际嵌入规则f的构建：具体为：根据对应关系矩阵E选择信息实际嵌入点，得到信息实际嵌入点矩阵Q；然后，结合区域内像素权值矩阵W，构造反向插值运算方程组Z，反向插值运算方程组Z的解即信息实际嵌入值A，信息实际嵌入值A与信息实际嵌入点一一对应；然后，构建信息实际嵌入规则f；D、嵌入信息：具体为：先将秘密信息m预嵌入到预缩放载体图像C′中，将信息的预嵌入结果映射到载体图像C的实际嵌入位置；然后，根据信息实际嵌入规则f，将秘密信息m根据位置矩阵L嵌入到载体图像C中，得到与载体图像C大小一致的载密图像S；E、提取信息：载密图像S经过有缩放攻击信道传输，接收方收到遭受缩放攻击的缩放后载密图像利用STCs解码，提取出缩放后载密图像中的秘密信息m。进一步地，基于反向插值运算的信息实际嵌入规则f的构建过程如下：c1：根据对应关系矩阵E选择信息实际嵌入点；具体为：c1.1：记预缩放载体图像C′＝[p′x′,y′]，x′∈{1,...,hC′}，y′∈{1,...,wC′}，wC′和hC′分别表示预缩放载体图像C′的宽和高；c1.2：记预缩放载体图像C′中任意一个像素点p′x′,y′对应的载体图像C中的区域为矩阵[px+i,y+j]，i∈{0,1,2,...,m-1}，j∈{0,1,2,...,n-1}，C＝[px,y],x∈{1,...,hC},y∈{1,...,wC}，wC和hC分别代表载体图像C的宽和高；c1.3：对任意一个像素点p′x′,y′进行修改，影响的交叉区域的个数为num，从矩阵[px+i,y+j]中选择num+1个交叉区域构成信息实际嵌入点矩阵Qx′,y′，使信息实际嵌入点矩阵Qx′,y′中所有像素的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种抗统计检测及抗缩放攻击的图像隐写方法，其特征在于：包括以下步骤：/nA、计算缩放因子scale：/nB、预处理，对载体图像C模拟缩放因子为scale的缩放过程：/n具体为：在缩放过程中，输出载体图像C的预缩放载体图像C′，同时，输出对应关系矩阵E和区域内像素权值矩阵W；/n对应关系矩阵E指预缩放载体图像C′中每个像素与载体图像C中区域内各像素的对应关系矩阵，区域内像素权值矩阵W指预缩放载体图像C′中每个像素对应的载体图像C中区域内各像素用于插值计算的权值矩阵；/nC、基于反向插值运算的信息实际嵌入规则f的构建：具体为：根据对应关系矩阵E选择信息实际嵌入点，得到信息实际嵌入点矩阵Q；然后，结合区域内像素权值矩阵W，构造反向插值运算方程组Z，反向插值运算方程组Z的解即信息实际嵌入值A，信息实际嵌入值A与信息实际嵌入点一一对应；然后，构建信息实际嵌入规则f；/nD、嵌入信息：/n具体为：先将秘密信息m预嵌入到预缩放载体图像C′中，将信息的预嵌入结果映射到载体图像C的实际嵌入位置；然后，根据信息实际嵌入规则f，将秘密信息m根据位置矩阵L嵌入到载体图像C中，得到与载体图像C大小一致的载密图像S；/nE、提取信息：/n载密图像S经过有缩放攻击信道传输，接收方收到遭受缩放攻击的缩放后载密图像...

【技术特征摘要】
1.一种抗统计检测及抗缩放攻击的图像隐写方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、计算缩放因子scale：
B、预处理，对载体图像C模拟缩放因子为scale的缩放过程：
具体为：在缩放过程中，输出载体图像C的预缩放载体图像C′，同时，输出对应关系矩阵E和区域内像素权值矩阵W；
对应关系矩阵E指预缩放载体图像C′中每个像素与载体图像C中区域内各像素的对应关系矩阵，区域内像素权值矩阵W指预缩放载体图像C′中每个像素对应的载体图像C中区域内各像素用于插值计算的权值矩阵；
C、基于反向插值运算的信息实际嵌入规则f的构建：具体为：根据对应关系矩阵E选择信息实际嵌入点，得到信息实际嵌入点矩阵Q；然后，结合区域内像素权值矩阵W，构造反向插值运算方程组Z，反向插值运算方程组Z的解即信息实际嵌入值A，信息实际嵌入值A与信息实际嵌入点一一对应；然后，构建信息实际嵌入规则f；
D、嵌入信息：
具体为：先将秘密信息m预嵌入到预缩放载体图像C′中，将信息的预嵌入结果映射到载体图像C的实际嵌入位置；然后，根据信息实际嵌入规则f，将秘密信息m根据位置矩阵L嵌入到载体图像C中，得到与载体图像C大小一致的载密图像S；
E、提取信息：
载密图像S经过有缩放攻击信道传输，接收方收到遭受缩放攻击的缩放后载密图像利用STCs解码，提取出缩放后载密图像中的秘密信息m。


2.根据权利要求1所述的抗统计检测及抗缩放攻击的图像隐写方法，其特征在于：基于反向插值运算的信息实际嵌入规则f的构建过程如下：
c1：根据对应关系矩阵E选择信息实际嵌入点；具体为：
c1.1：记预缩放载体图像C′＝[p′x′,y′]，x′∈{1,...,hC′}，y′∈{1,...,wC′}，wC′和hC′分别表示预缩放载体图像C′的宽和高；
c1.2：记预缩放载体图像C′中任意一个像素点p′x′,y′对应的载体图像C中的区域为矩阵[px+i,y+j]，i∈{0,1,2,...,m-1}，j∈{0,1,2,...,n-1}，C＝[px,y],x∈{1,...,hC},y∈{1,...,wC}，wC和hC分别代表载体图像C的宽和高；
c1.3：对任意一个像素点p′x′,y′进行修改，影响的交叉区域的个数为num，从矩阵[px+i,y+j]中选择num+1个交叉区域构成信息实际嵌入点矩阵Qx′,y′，使信息实际嵌入点矩阵Qx′,y′中所有像素的修改一共影响num个交叉区域；

(l+1)×(r+1)＝num+1，s表示信息实际嵌入点矩阵Qx′,y′在矩阵[px+i,y+j]中的横向开始的像素的位置，l表示信息实际嵌入点矩阵Qx′,y′的高，t表示信息实际嵌入点矩阵Qx′,y′在矩阵[px+i,y+j]中的纵向开始的像素的位置，r表示信息实际嵌入点矩阵Qx′,y′的宽，
c2：构造反向插值运算方程组Z；具体为：
信息实际嵌入点矩阵Qx′,y′中所有像素的修改一共影响num个交叉区域，记信息实际嵌入点矩阵Qx′,y′在所影响的num个交叉区域中的位置为
像素点在区域内对应的纵向和横向的像素权值分别为和像素点在区域内对应的纵向和横向的像素权值分别为和像素点在区域内对应的像素权值来自区域内像素权值矩阵W；构造插值逆运算方程组，如公式(1)所示：



公式(1)中，s表示信息实际嵌入点矩阵Qx′,y′在矩阵...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗向阳，朱利妍，张祎，杨春芳，裴阳，徐萌，刘粉林，
申请(专利权)人：罗向阳，
类型：发明
国别省市：河南;41