CN103745479A - 一种彩色图像数字隐写及其分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及信息隐藏和检测技术领域。一种彩色图像数字隐写及其分析方法，秘密信息嵌入步骤包括生成通用图像数据缓冲区和数据隐写因子，将彩色图像与数据隐写因子进行一系列函数转换，生成包含隐写数据的彩色图像，秘密信息提取步骤包括：生成通用图像数据缓冲区，将包含隐写数据的彩色图像进行一系列函数转换读取出该隐写数据。本发明通过固化隐写数据，提高隐写速度，降低数据隐写CPU时间和隐写数据读取CPU时间。支持多种彩色图像格式，采用线程池技术，提高数据隐写和隐写数据读取并发数，增强防隐写攻击的数据鲁棒性。

Description

一种彩色图像数字隐写及其分析方法

技术领域

本发明涉及信息隐藏和检测技术领域，具体涉及一种彩色图像数字隐写及其分析方法。

背景技术

随着计算机技术、信息处理技术和网络通信技术的迅猛发展，人类步入了前所未有的数字化信息时代。尤其是因特网的普及，使得人们的思维、工作、生活方式等方面都发生了诸多变化。人们越来越倾向于通过方便快捷的网络来获取各类信息，电子商务、电子政务、网络办公等已成为社会高效运转不可缺少的工作方式，电子邮件、网络聊天、BBS等成为人们新的交流方式。网络给人们带来便捷的同时，也带来了信息安全方面的挑战：涉及国家安全、政府机密的文件能否在网络中安全的传输；电子商务中的企业机密能否躲过商业间谍的窃取；个人隐私如帐号、口令密码、电子邮件等，能否得到安全的保障；多媒体作品的版权能否得到保护等。归结起来就是信息存储和传输的安全以及用户鉴别问题。如何解决这一系列的安全问题成为当前乃至相当长的时期内的一个研究热点。

信息隐藏技术作为信息安全领域一个新兴的研究方向，给网络化的多媒体信息的安全保存和传送开辟了一条有效的途径，受到了各国学者的广泛关注。信息隐藏的历史可以追溯到古希腊时代，而与现代数字信号处理技术密切结合的现代信息隐藏技术，20世纪90年代才被正式提出。现代信息隐藏，以网络上传输的各种数字文件作为载体对象，例如文本、图像、音频、视频等。其中，以图像作为载体对象的信息隐藏最为常见，一方面由于图像是网络通信中最常见的数据类型，另一方面由于图像产品急需产权标识和保护。

目前，信息隐藏技术的研究及应用的主要领域有两个，即数字水印和数字隐写。前者是对数字媒体起标识和版权保护的作用；后者是将秘密信息隐藏于其它公开的数字媒体中，强调通信过程存在性的隐秘。数字隐写技术既可以确保国家的政治、军事、经济等信息在公共通信网络中安全可靠的传递和共享，也有可能被不法分子所利用，进行非法消息散布、筹划犯罪活动等，严重危害了国家安全和社会公共安全。因此，各国学者开展了对数字隐写攻击技术的研究，该技术称为隐写分析技术。特别是图像隐写分析技术，成为信息安全领域一个十分重要的研究方向。

数字隐写是信息隐藏的一个重要分支，它是通过隐藏通信过程中的存在性来获得通信的安全。到现在为止，针对图像的不同的载体类型已有许多隐写方法，其中LSB(leastsignificant bit) 隐写出现的最早，由于其方法简单，数据量大而被广泛应用。同时针对LSB 隐写的分析开展了大量的研究，出现了许多有效的实现方法。为了提高安全性，研究者针对LSB 隐写不断进行改进，提出了多种修正的LSB 密写法，能抵御某些隐写实现方法。在现有研究中，可逆图像信息隐写方法根据嵌入域的不同主要可分为空域方法和变换域方法。其中空域方法应用较为广泛，最早的可逆信息隐写方法是由Barton 在1997 年提出。随着研究的深入，近年来学者们提出大量的空域可逆信息隐写方法，这些方法大致分为使用数据压缩的可逆信息隐写、基于直方图修改的可逆信息隐写(Histogram Modification，HM) 和基于差值扩展的可逆信写等方法。基于直方图修改的可逆隐写方法通过改变图像的直方图，将秘密信息嵌入图像，此类方法具有较高的图像质量。

与隐写相对应，隐写分析技术是数字隐写的攻击技术，其研究重点是对隐藏信息的可靠检测。隐写分析的目的在于揭示媒体中隐蔽隐写的存在性，甚至只是指出媒体中存在隐写信息的可疑性。可逆图像信息隐写分析是近两年来信息安全领域提出的新问题。目前关于可逆图像隐写方法的隐写分析尚处于起步阶段，相关研究成果较少，主要包括基于特征统计的隐写分析，如CM(reversible contrast mapping) 可逆图像隐写分析，基于载密图像特征异常的隐写分析，如基于直方图位移的可逆图像隐写分析等，但从检测意义上说，部分传统的隐写检测方法对于可逆隐写分析同样适用。

隐写方法一般选择应用广泛、冗余度大、容易获取的数字图像作为载体，尽管隐秘信息的潜入具有视觉上的不可感知性，但由于隐写算法本身所具有的入侵特性，必然会对原始载体图像所固有的某些统计特征带来改变。针对JPEG 图像，主要是修改图像对应的频域系数来嵌入信息，具有较强鲁棒性的同时也兼顾了图像的不可感知性。

现有技术中常用的隐写方法为LSB( 最低有效位：Least Significant Bit)，直接将每个像素的最低位替换掉，嵌入1bit 信息，达到在视觉上不会引起变化的目的。这种算法的优点是隐写容量大，缺点是鲁棒性差，最轻微的隐写攻击也会让整个隐写系统遭到严重的破坏，导致不能提取隐写信息或者提取出的隐写信息不能被识别。为此该彩色图像数字隐写算法考虑实际隐写的数据作为唯一标识，不需要存储大量数据，同时多分区存储，提高抗隐写攻击性。该算法增强鲁棒性，固定存储隐写数据208字节长度,即可存储隐写数据为34个6字节长度字符，同时在保证在多区域污损或者受到隐写攻击情况下，依然可以安全读取彩色图像隐写的数据。

目前多数信息隐藏方法都采用了变换域技术，即把待隐藏的信息嵌入到载体的一个变换空间中，如频域。用变换域方法的优点是：在变换域中嵌入的信号能量可以分布到空域的所有像素上。在变换域中，人的感知系统的某些掩蔽特性可以更方便地结合到编码过程中。变换域方法可与数据压缩标准，如JPEG 兼容。常用的变换包括离散余弦变换DCT(Discrete-Cosine Transform) 和小波变换。常用算法比如Jsteg，对载体图像进行DCT 变化，然后在非1、非0 和非-1 的点的LSB 嵌入1bit 隐写信息。一般来说，变换域方法对诸如压缩、修剪和某些图像处理等的攻击的鲁棒性更强，但隐藏信息的容量小。

发明内容

解决上述技术问题，本发明提供了一种彩色图像数字隐写及其分析方法，该方法基于Java语言实现，包括秘密信息嵌入和秘密信息提取两个步骤，

所述秘密信息嵌入步骤具体包括：

S1：生成通用图像数据缓冲区：将彩色图像读取为通用并可访问的图像数据缓冲区Image图像;

S2：设定线程池对象，同时并发多个Image图像进行数字隐写处理，具体包括以下步骤：

S2.1：对每一个Image图像分割成块：在线程池对象的每一个线程中,将每一个Image图像分割成8 x 8个图像块，并对每个图像块采用正向离散余弦变换，

S2.2：生成数据隐写因子：对需要隐写的图片二进制数据或者文本信息数据随机数排列，对该需要隐写的图片二进制数据或者文本信息数据随机数进行FDCT转换，生成随机隐写因子，该随机隐写因子即为数据隐写因子；

S2.3：设定VALID_CHARS校验字符数据，基于上述VALID_CHARS校验字符数据对数据隐写因子进行筛选过滤，将有效的数据隐写因子生成写入的二进制数据或者文本信息数据， 

S2.4：将需要隐写的图片二进制数据或者文本信息数据分割为4 x 4的int[][]数组，对每个int[][]数组分别做FDCT（正向离散余弦变换）转换，增强数据鲁棒性，对Image图像进行DCT（离散余弦变换）系数锯齿形 Scan扫描转换排列，通过二维转一维算法，将DCT系数转换为彩色图像二维int数组，

S2.5：将彩色图像二维int数组与写入的二进制数据或者文本信息数据进行Inverse DCT(逆向离散余弦变换)，生成包含隐写数据的彩色图像， 

所述秘密信息提取步骤具体包括：

B1：生成通用图像数据缓冲区：将包含隐写数据的彩色图像通过Java语言的图像读取和写入类BufferedImage读取为通用并可访问的图像数据缓冲区Image图像；

B2：将包含隐写数据的彩色图像转换为BufferedImage彩色图像格式：将包含隐写数据的彩色图像按照BufferedImage格式分割为8 x 8的图像区域，对每一个8 x 8图像区域做FDCT（正向离散余弦变换）转换，生成int[][]数组；

B3：对包含隐写数据的彩色图像进行DCT（离散余弦变换）系数锯齿形 Scan扫描转换排列，针对每个int[][]数组进行反量化转换，对反量化完的int[][]数组进行IDCT（离散余弦变换）转换，生成IDCT数据；

B4：设定随机数生成器的seed，对IDCT数据进行伪随机序列seed解扩，返回重新排列后的数据二维int[][],将数据二维int[][]进行数据二值化处理，完成数据二维int[][]至6 bit字符集数组ArrayList数据的解扩，将ArrayList数据组合为String，返回读取该包含隐写数据的彩色图像中的隐写数据。

进一步的，所述步骤S2.2中，所述数字隐写因子是二进制数据比特流形式或者文本信息数据形式的原始秘密信息，所述数字隐写因子Java Random函数范围为10的正负10次方,即999999999至-999999999之间。

进一步的，所述步骤S2.2中，还包括在随机隐写因子中加入6 bit字符集数组ArrayList，并将每个随机隐写因子输入虚拟随机数生成器，进行随机数重新进行排列计算DCT系数int[][]。

进一步的，所述步骤S2.4中，还包括设定int[][]数组产生嵌入因子，将每个嵌入因子输入虚拟随机数生成器，对int[][]数组重新进行排列计算DCT系数。

本发明通过采用上述技术方案，与现有技术相比，具有如下优点：

本发明在固化隐写数据长度后提高隐写速度。通过6bit长度字符集的范围控制，固化隐写数据为6bit 32长度隐写数据，避免在隐写中使用ASCII（128字符集）、UTF-8（1048576字符集）、Unicode（17777777777字符集）等大范围字符集进行搜索，仅在66个6bit字符集中匹配，从而大幅度提升字符的搜索匹配速度。考虑到实际场景隐写数据存储仅需要较小数据量既可以保证彩色图像的唯一性认证，生成6bit字符22个到32个数据哈希，即可实现彩色图像唯一性认证数据标识。并通过可以做到完全唯一性限定的22-32数据哈希字符长度，固化本算法隐写数据字符长度0-34之间,从根本减少多余数据隐写，最大限度提高隐写速度，在固化隐写数据量基础上，降低数据隐写CPU时间和隐写数据读取CPU时间。

本发明能够支持多种彩色图像格式，例如JEPG、JPG、PNG、BMP，大幅度提高彩色图像数字隐写及其实现方法在目前通用的彩色图像格式中的使用范围，通过由RGB颜色模式转换为HSB颜色模式,使PNG、BMP图像可以通过彩色图像数字隐写及其实现方法进行数据隐写；

本发明采用线程池技术；采用Java线程池，配置为4个核心线程,10个最大线程,5000个线程等待队列，提高数据隐写和隐写数据读取并发数。

本发明的彩色图像数字隐写方法，增强防隐写攻击的数据鲁棒性，可以更好的抵抗隐写分析问题。66个6bit字符集范围,使在绝大部分区域受到污损情况下，依然可以对彩色图像进行隐写数据读取。通过在8 x 8 分区的循环冗余校验，即使在相同彩色图像颜色50%-60%受到隐写攻击情况下，依然可以正常读取相同彩色图像颜色中隐写数据,提高对彩色图像颜色隐写安全性校验。

具体实施方式

作为一个具体的实施例，本发明的一种彩色图像数字隐写及其分析方法，该方法基于Java语言实现，在详细说明本发明之前，先对以下几个Java语言中运用的名词进行解释：

1、BufferedImage：Java语言的图像读取，写入类；

2、ExecutorService：Java语言的主线程池类；

3、VALID_CHARS  ：自定义66个6bit长度字符集合；

4、ArrayList：Java语言的数组集合；

5、JEPG、JPG、PNG、BMP：常用的几种图像存储格式；

6、Random：Java语言的随机函数,定义范围为10的正负10次方,即999999999至-999999999之间；

7、seed：定义Java Randdom随机函数的随机因子，长度为19bit。

本发明的一种彩色图像数字隐写及其分析方法，包括秘密信息嵌入和秘密信息提取两个步骤，

所述秘密信息嵌入步骤具体包括：

S1：生成通用图像数据缓冲区：将JEPG、JPG、PNG、BMP等格式的彩色图像通过Java语言的图像读取和写入类BufferedImage读取为通用并可访问的图像数据缓冲区Image图像;

S2：设定线程池ExecutorService对象：所述ExecutorService对象包括4个核心线程,10个最大线程和5000个线程等待队列，同时并发多个Image图像进行数字隐写处理；

具体地，所述步骤S2中的同时并发多个Image图像进行数字隐写处理具体包括以下步骤：

S2.1：对每一个Image图像分割成块：在线程池ExecutorService对象的每一个线程中,将每一个Image图像分割成8 x 8个图像块，不足8 x 8个图像块的区域，设定8 x 8个图像块区域，无数据区域用0补充，保证每一8 x 8个图像块区域都可以在后面DCT变换中分散嵌入数据隐写因子，并对每个图像块采用正向离散余弦变换，

S2.2：生成数据隐写因子：对需要隐写的图片二进制数据或者文本信息数据随机数排列，对该需要隐写的图片二进制数据或者文本信息数据随机数进行FDCT（正向离散余弦变换）转换，生成随机隐写因子，该随机隐写因子即为数据隐写因子； 

所述步骤S2.2中，所述数字隐写因子是二进制数据比特流形式或者文本信息数据形式的原始秘密信息，所述数字隐写因子Java Random函数范围为10的正负10次方,即999999999至-999999999之间。

S2.3：设定VALID_CHARS校验字符数据，所述VALID_CHARS校验字符数据为以下66个b6it长度字符集，所述66个b6it长度字符集具体如下：

abcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789.-,:/()?!\"'#*+_%$&=<>[];§\n

S2.4：对数据隐写因子筛选过滤：基于上述VALID_CHARS校验字符数据对数据隐写因子进行筛选过滤，该筛选步骤为：

将数据隐写因子与上述VALID_CHARS校验字符数据进行匹配，通过与VALID_CHARS校验字符数据进行对比，确认数据隐写因子是否为有效字符，如果匹配则将该数据隐写因子生成写入的二进制数据或者文本信息数据，同时限定该写入的二进制数据或者文本信息数据长度不超过34字符长度，以提高隐写数据在下一步的分割转换速度；并在该随机隐写因子中加入6 bit字符集数组ArrayList，通过Java Random函数设定虚拟随机数生成器的随机数产生因子，并将每个随机隐写因子输入虚拟随机数生成器，进行随机数重新进行排列计算DCT系数int[][]。保证每个随机隐写因子具有较强的强韧性(鲁棒性),使每个随机隐写因子在扰动或不确定的情况下仍能保持它们的数据特征行为。

S2.5：将需要隐写的图片二进制数据或者文本信息数据分割为4 x 4的int[][]数组，对每个int[][]数组分别做FDCT（正向离散余弦变换）转换，增强数据鲁棒性，设定int[][]数组产生嵌入因子，将每个嵌入因子输入虚拟随机数生成器，对int[][]数组重新进行排列计算DCT系数，对Image图像进行DCT（离散余弦变换）系数锯齿形 Scan扫描转换排列，通过二维转一维算法，将DCT系数转换为彩色图像二维int数组， 

S2.6：将彩色图像二维int数组与写入的二进制数据或者文本信息数据进行Inverse DCT(逆向离散余弦变换)，生成包含隐写数据的彩色图像，该包含隐写数据的彩色图像的JEPG、JPG、PNG、BMP的彩色图像；

所述秘密信息提取步骤具体包括：

B1：生成通用图像数据缓冲区：将包含隐写数据的彩色图像通过Java语言的图像读取和写入类BufferedImage读取为通用并可访问的图像数据缓冲区Image图像；

B2：将包含隐写数据的彩色图像转换为BufferedImage彩色图像格式：将包含隐写数据的彩色图像按照BufferedImage格式分割为8 x 8的图像区域，对每一个8 x 8图像区域做FDCT（正向离散余弦变换）转换，生成int[][]数组；

B3：对包含隐写数据的彩色图像进行DCT（离散余弦变换）系数锯齿形 Scan扫描转换排列，针对每个int[][]数组进行反量化转换，对反量化完的int[][]数组进行IDCT（离散余弦变换）转换，生成IDCT数据；

B4：设定随机数生成器的seed，对IDCT数据进行伪随机序列seed解扩，返回重新排列后的数据二维int[][],将数据二维int[][]进行数据二值化处理，完成数据二维int[][]至6 bit字符集数组ArrayList数据的解扩，将ArrayList数据组合为String，返回读取该包含隐写数据的彩色图像中的隐写数据；

本发明在固化隐写数据长度后提高隐写速度。通过6bit长度字符集的范围控制，固化隐写数据为6bit 32长度隐写数据，避免在隐写中使用ASCII（128字符集）、UTF-8（1048576字符集）、Unicode（17777777777字符集）等大范围字符集进行搜索，仅在66个6bit字符集中匹配，从而大幅度提升字符的搜索匹配速度。考虑到实际场景隐写数据存储仅需要较小数据量既可以保证彩色图像的唯一性认证，生成6bit字符22个到32个数据哈希，即可实现彩色图像唯一性认证数据标识。并通过可以做到完全唯一性限定的22-32数据哈希字符长度，固化本算法隐写数据字符长度0-34之间,从根本减少多余数据隐写，最大限度提高隐写速度，在固化隐写数据量基础上，降低数据隐写CPU时间和隐写数据读取CPU时间。

本发明能够支持多种彩色图像格式，例如JEPG、JPG、PNG、BMP，大幅度提高彩色图像数字隐写及其实现方法在目前通用的彩色图像格式中的使用范围，通过由RGB颜色模式转换为HSB颜色模式,使PNG、BMP图像可以通过彩色图像数字隐写及其实现方法进行数据隐写；

本发明采用线程池技术；采用Java线程池，配置为4个核心线程,10个最大线程,5000个线程等待队列，提高数据隐写和隐写数据读取并发数。

本发明的彩色图像数字隐写方法，增强防隐写攻击的数据鲁棒性，可以更好的抵抗隐写分析问题。66个6bit字符集范围,使在绝大部分区域受到污损情况下，依然可以对彩色图像进行隐写数据读取。通过在8 x 8 分区的循环冗余校验，即使在相同彩色图像颜色50%-60%受到隐写攻击情况下，依然可以正常读取相同彩色图像颜色中隐写数据,提高对彩色图像颜色隐写安全性校验。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种彩色图像数字隐写及其分析方法，其特征在于：该方法基于Java语言实现，包括秘密信息嵌入和秘密信息提取两个步骤， 

所述秘密信息嵌入步骤具体包括：

S1：生成通用图像数据缓冲区：将彩色图像读取为通用并可访问的图像数据缓冲区Image图像;

S2：设定线程池对象，同时并发多个Image图像进行数字隐写处理，具体包括以下步骤：

S2.1：对每一个Image图像分割成块：在线程池对象的每一个线程中,将每一个Image图像分割成8 x 8个图像块，并对每个图像块采用正向离散余弦变换，

S2.2：生成数据隐写因子：对需要隐写的图片二进制数据或者文本信息数据随机数排列，对该需要隐写的图片二进制数据或者文本信息数据随机数进行FDCT转换，生成随机隐写因子，该随机隐写因子即为数据隐写因子；

S2.3：设定VALID_CHARS校验字符数据，基于上述VALID_CHARS校验字符数据对数据隐写因子进行筛选过滤，将有效的数据隐写因子生成写入的二进制数据或者文本信息数据， 

S2.4：将需要隐写的图片二进制数据或者文本信息数据分割为4 x 4的int[][]数组，对每个int[][]数组分别做FDCT（正向离散余弦变换）转换，增强数据鲁棒性，对Image图像进行DCT（离散余弦变换）系数锯齿形 Scan扫描转换排列，通过二维转一维算法，将DCT系数转换为彩色图像二维int数组，

S2.5：将彩色图像二维int数组与写入的二进制数据或者文本信息数据进行Inverse DCT(逆向离散余弦变换)，生成包含隐写数据的彩色图像， 

所述秘密信息提取步骤具体包括：

B1：生成通用图像数据缓冲区：将包含隐写数据的彩色图像通过Java语言的图像读取和写入类BufferedImage读取为通用并可访问的图像数据缓冲区Image图像；

B2：将包含隐写数据的彩色图像转换为BufferedImage彩色图像格式：将包含隐写数据的彩色图像按照BufferedImage格式分割为8 x 8的图像区域，对每一个8 x 8图像区域做FDCT（正向离散余弦变换）转换，生成int[][]数组；

B3：对包含隐写数据的彩色图像进行DCT（离散余弦变换）系数锯齿形 Scan扫描转换排列，针对每个int[][]数组进行反量化转换，对反量化完的int[][]数组进行IDCT（离散余弦变换）转换，生成IDCT数据；

B4：设定随机数生成器的seed，对IDCT数据进行伪随机序列seed解扩，返回重新排列后的数据二维int[][],将数据二维int[][]进行数据二值化处理，完成数据二维int[][]至6 bit字符集数组ArrayList数据的解扩，将ArrayList数据组合为String，返回读取该包含隐写数据的彩色图像中的隐写数据。

2.根据权利要求1所述的一种彩色图像数字隐写及其分析方法，其特征在于：所述步骤S2.2中，所述数字隐写因子是二进制数据比特流形式或者文本信息数据形式的原始秘密信息，所述数字隐写因子Java Random函数范围为10的正负10次方,即999999999至-999999999之间。

3.根据权利要求1所述的一种彩色图像数字隐写及其分析方法，其特征在于：所述步骤S2.2中，还包括在随机隐写因子中加入6 bit字符集数组ArrayList，并将每个随机隐写因子输入虚拟随机数生成器，进行随机数重新进行排列计算DCT系数int[][]。

4.根据权利要求1所述的一种彩色图像数字隐写及其分析方法，其特征在于：所述步骤S2.4中，还包括设定int[][]数组产生嵌入因子，将每个嵌入因子输入虚拟随机数生成器，对int[][]数组重新进行排列计算DCT系数。