一种基于JPEG图像的通用可逆数据隐藏方法

技术特征：
1.一种基于jpeg图像的通用可逆数据隐藏方法，其特征在于：其包括以下步骤：s1、将原始jpeg图像进行熵解码得到量化后的离散余弦变换dct系数块，计算每个位置平滑度值，并按块平滑度降序调整块顺序，构造多个直方图；s2、确定自适应二维直方图映射规则，将秘密信息嵌入每个直方图的dct系数对中，并获得嵌入容量和嵌入失真；s3、嵌入失真和嵌入容量组成的嵌入对，生成二维直方图的矩阵，并从矩阵中的每一行中挑选出一个嵌入对；利用改进的离散粒子群优化方法获得了每一个二维直方图的最优嵌入方式和最优阈值；s4、用最优阈值生成二维直方图，按照其对应的最优嵌入方式进行水印嵌入进行熵编码得到含秘密信息jpeg图像；并将附加信息嵌入到含秘密信息jpeg图像中。2.根据权利要求1所述的一种基于jpeg图像的通用可逆数据隐藏方法，其特征在于：所述步骤s1包括：s11、将原始jpeg图像进行熵解码后分成互不重叠的8
×
8大小的量化后的dct系数块其中，代表块的数量,表示第k个dct系数块；s12、每个dct系数块中包含1个dc系数和63个ac系数，形成64个频带；即将dc系数的频带记为0，dc系数组成频带将位于第l个位置的ac系数组成第l个频带并为每一个频带分配一个阈值t
l
(t
l
∈[t
min
,t
max
])，其中l∈{1,2,
…
,63}；即每个块包含1个dc系数c
k,0
和63个ac系数s13、dc系数不参与数据嵌入过程，计算中的每个ac系数c
k,l
的平滑度，即c
k,l
所在dct系数块的平滑度的平滑度其中，l是ac系数位置的编号，表示第k个dct系数块，#表示一个集合的秩，c
k,l
表示中第l个ac系数，c
k,l
＝0代表值为零的ac系数；s14、挑选出平滑度大于t
l
的ac系数，将挑选出来的系数按照平滑度的降序排序获得排序后的ac系数其中，σ是一种映射关系，是一个一对一的映射，使得个一对一的映射，使得是频带中满足大于阈值t
l
的ac系数的数量,将中每两个相邻的ac系数组成一个系数对，构造出第l个二维直方图：其中，#表示一个集合的秩，表示向下取整函数，(c
n
,c
n 1
)代表一个ac系数对，(s1,s2)代表(c
n
,c
n 1
)的具体取值。3.根据权利要求1所述的一种基于jpeg图像的通用可逆数据隐藏方法，其特征在于：所述步骤s2包括：
s21、二维直方图有10种映射规则，代表10种嵌入方式其中第10种映射规则代表的是ac系数对没有做任何修改的嵌入方式，即在中ac系数对保持不变，其他9种映射规则代表了9种ac系数对的修改方式；s22、二维直方图以平面直角坐标系的形式表达，c
x
为横轴，c
y
为纵轴，即一个ac系数对用(c
x
,c
y
)代表，每一种映射将ac系数对分成四类：和类；假设类；假设和分别对应和中ac系数对的数量，中和的点(c
x
,c
y
)进行嵌入和移位操作，包括：若存在三个映射方向，嵌入1bit或2bits秘密信息，根据点的位置和映射的不同可将的a类点分为五种，具体来说：当属于时，(c
x
,c
y
)＝(c
u
,c
v
)，如果待嵌入的比特是s1＝
‘0’
，则(c
x
,c
y
)保持不变；如果待嵌入的比特s1s2＝
‘
10’，则(c
x
,c
y
)修改为(c
x
1,c
y
)；如果待嵌入的比特s1s2＝
‘
11’，则(c
x
,c
y
)变为(c
x
1,c
y
1)；当属于时，(c
x
,c
y
)＝(c
u
,c
v
)，如果待嵌入的比特是s1＝
‘0’
，则(c
x
,c
y
)保持不变；如果待嵌入的比特s1s2＝
‘
10’，则(c
x
,c
y
)修改为(c
x
,c
y
1)；如果待嵌入的比特s1s2＝
‘
11’，则(c
x
,c
y
)变为(c
x
1,c
y
1)；当属于时，(c
x
,c
y
)＝(c
u
,c
v
)，如果待嵌入的比特是s1＝
‘0’
，则(c
x
,c
y
)保持不变；如果待嵌入的比特s1s2＝
‘
10’，则(c
x
,c
y
)修改为(c
x
1,c
y
)；如果待嵌入的比特s1s2＝
‘
11’，则(c
x
,c
y
)变为(c
x
,c
y
1)；当属于时，(c
x
,c
y
)＝(c
u
,c
v
1)，如果待嵌入的比特是s1＝
‘0’
，则(c
x
,c
y
)保持不变；如果待嵌入的比特s1s2＝
‘
10’，则(c
x
,c
y
)修改为(c
x
,c
y
1)；如果待嵌入的比特s1s2＝
‘
11’，则(c
x
,c
y
)变为(c
x
1,c
y
1)；当属于时，(c
x
,c
y
)＝(c
u
1,c
v
)，如果待嵌入的比特是s1＝
‘0’
，则(c
x
,c
y
)保持不变；如果待嵌入的比特s1s2＝
‘
10’，则(c
x
,c
y
)修改为(c
x
1,c
y
)；如果待嵌入的比特s1s2＝
‘
11’，则(c
x
,c
y
)变为(c
x
1,c
y
1)；计算9种映射带来嵌入容量和嵌入失真，其中，对于来说，a类点的嵌入容量而嵌入失真分为两种情况，对于来说，对于来说，若存在两个或三个映射方向，嵌入1bit或2bits秘密信息，b类点按照个数和映射方向可分为四类，的嵌入容量和嵌入失真计算如下：当属于时，当属于时，(c
x
,c
y
)存在两个点，记为(c
u
,c
v
)和(c
u
1,c
v
1)，假设(c
u
,c
v
)系数对的数量为那么(c
u
1,c
v
1)的数量为此时，
当属于时，当属于时，若存在两个映射方向，嵌入1bit秘密信息，当s1＝
‘0’
时，(c
x
,c
y
)沿坐标轴方向映射；当s1＝
‘1’
时，(c
x
,c
y
)沿对角线方向映射；对于来说，的嵌入失真若指坐标空间中a、b、c三类点以外的点，存在一个映射方向，不嵌入秘密信息，所以d类点不提供容量，d类点的嵌入容量和嵌入失真计算公式如下：当属于时，当属于时，(c
x
,c
y
)存在两种点，假设第一种点的数量为那么另一类点的个数为此时，对于二维直方图来说，嵌入失真是嵌入容量是即直方图的嵌入容量为a类点、b类点和c类点所带来的容量之和，直方图的嵌入失真为a类点、b类点、c类点和d类点引起的嵌入失真之和。4.根据权利要求1所述的一种基于jpeg图像的通用可逆数据隐藏方法，其特征在于：所述步骤s3包括：s31、二维直方图h
l
的平滑度阈值t
l
取值为t
min
时，采用第m(m∈{1,2,
…
,n
ω
})个嵌入方式，其中n
ω
代表嵌入方式的数量；则嵌入失真和嵌入容量组成的嵌入对表示为n
ω
种嵌入方式产生n
ω
个嵌入对，即当t
l
取值为t
min
1时，也会产生n
ω
个嵌入对当t
l
从t
min
增大到t
max
时，全部的嵌入方式是在数据嵌入过程中，只有个二维直方图被用于数据嵌入；由于一个二维直方图会产生一个长度为(t
max-t
min
1)
×
n
ω
的序列，个二维直方图会产生一个大小为的矩阵，具体如下：
s32、设置g＝0，和g＝3,000，其中代表粒子数量，g代表迭代次数，g代表第g次迭代，且g≤g，产生个粒子，每一个粒子包含位置信息和速度信息两个部分，每个粒子的位置信息是由个元素组成，表示为其中对应步骤s31矩阵中的第行中随机选取的嵌入对的位置(κ∈{1,2,
…
,(t
max-t
min
1)
×
n
ω
})，即其中同样，每个粒子的速度信息也是由个元素组成，表示为其中初始化速度公式rand代表从(0,1)中随机选的一个数，和第n个粒子的自适应度值定义为其中，是h
l
对应的量化表中量化步长的值；定义全局最优粒子其代表了给定容量下能实现最小适应度值的粒子；定义代表的最优值，其代表的所有取值中适应度最小的粒子，当g＝0时，s33、迭代粒子，其包括：s331、设n＝1；s332、更新每一个粒子的速度：其中w1＝0.9，w2＝0.4，α
1s
＝α
2e
＝5，α
2s
＝α
1e
＝0.5，r1和r2是两个从0和1之间选出的随机数；更新每一个粒子位置信息：在改变每一个粒子的位置后，当的某一元素超过了[1,(t
max-t
min
1)
×
n
ω
]时，则上溢和下溢会发生，为了阻止溢出的发生，如果则如果则
更新后的粒子的适应度值记录为如果且n＜n，则n＝n 1并执行步骤s332；如果且n≥n，则g＝g 1，并执行步骤s332；否则，进行执行步骤s333；s333、变异操作：从第(g-1)
th
次迭代中随机选出来两个个体最优粒子和其中opt1≠opt2；产生一个新的粒子产生一个新的粒子计算的适应度值产生产生在变异操作后，如果且n＜n，则n＝n 1并执行步骤s332；如果且n≥n，则g＝g 1并执行步骤s332；；否则，则执行步骤s334；s334、交叉操作：设置γ＝0.6；从的个元素中随机选择个元素，并记录这些随机选择出来的位置，用的随机选出来的元素代替的相同位置的元素，从而产生一个其自适应值是如果则否则，如果n＜n，n＝n 1，并执行步骤s332；否则，g＝g 1并执行步骤s332；s335、重复执行步骤332至334直到g＞g，输出全局最优的粒子第个最优的嵌入方式被计算如下：第个最优阈值被计算如下：5.根据权利要求1所述的一种基于jpeg图像的通用可逆数据隐藏方法，其特征在于：所述步骤s4中附加信息包括：待嵌入水印信息的长度(18比特)、的值(6比特)、ω的取值(2比特)、个最优的嵌入方式(比特)、个最优的阈值(比特)、结束符(eos,18比特)，所述附加信息依次代替每个块的直流系数的最低有效位，被代替的最低有效位和待嵌
入水印信息连接起来生成最终的待嵌入的数据。6.根据权利要求1所述的一种基于jpeg图像的通用可逆数据隐藏方法，其特征在于：还包括步骤s5，所述步骤s5是对原始jpeg图像进行恢复，其包括：s51、抽取含密jpeg图像的附加信息：获取每个块的直流系数的最低有效位组成一个比特流，在此比特流中找到eos,在eos之前比特按照各自的大小被分成五个部分：待嵌入水印信息的长度(18比特)，的值(6比特)，ω的三个取值(2比特)，个最优的嵌入方式(比特)，个最优的阈值(比特)；s52、根据抽取出来的个最优的阈值构建二维直方图，并根据对应的最优的嵌入方式进行水印的抽取，恢复原始jpeg图像。

技术总结
本发明涉及一种基于JPEG图像的通用可逆数据隐藏方法，其包括以下步骤：S1、将原始JPEG图像进行熵解码得到量化后的离散余弦变换DCT系数块，按块平滑度降序调整块顺序，构造多个直方图；S2、确定自适应二维直方图映射规则，将秘密信息嵌入每个直方图的DCT系数对中，并获得嵌入容量和嵌入失真；S3、嵌入失真和嵌入容量组成的嵌入对，生成二维直方图的矩阵，利用改进的离散粒子群优化方法获得了每一个二维直方图的最优嵌入方式和最优阈值；S4、用最优阈值生成二维直方图，按照其对应的最优嵌入方式进行水印嵌入进行熵编码得到含秘密信息JPEG图像；并将附加信息嵌入到含秘密信息JPEG图像中，采用以上技术方案都实现了视觉质量和文件大小增量方面的性能提升。文件大小增量方面的性能提升。文件大小增量方面的性能提升。


技术研发人员：翁韶伟 周叶 张天聪
受保护的技术使用者：福建工程学院
技术研发日：2022.10.21
技术公布日：2023/1/13