降低文件增长和失真的零系数JPEG图像可逆信息隐藏

一、研究概述和意义

随着多媒体技术和网络的迅猛发展，数字媒体的应用越来越广泛。在网络上传输的数字 媒体如音频、文本、视频和图像的内容及数据安全问题也随之而来。伴随着计算机技术发展与普及，数字媒体的机密性、完整性经常受到非法活动的威胁，很容易被攻击、篡改、拷贝、散布等。这使得版权信息、网络用户的消费权益等得不到保障。因此，如何在在网络信息时代不影响数字媒体的正常使用的前提下对其 进 行 有效 保护成为 亟待解决的问题。虽然传统的密 码学能 隐藏秘 密信息的内容，却容易引起攻击者的注意且进行攻击。因此，信息隐藏技术应运而生。由于多媒体信息本身存在很大的冗余性，将秘密信息嵌入 其中是可行的，并不会影响多媒体信息本身的传送和使用。

 在过去 20 多 年 里， 信息隐藏 受到了研究界的广泛关注。 信息隐藏可以将秘密信息嵌入到原始载体图像中，然后 目标用户能够从含密图像中提取嵌入的 秘密 信息 用于各种目的 。 人眼或人耳本身对某些信息都有一定的掩蔽效应，比如人眼对灰度的分辨只有几十个灰度级边沿附近的信息不敏感等。利用人的这些特点，可 以 很好 的将 信息隐藏而不被察觉。信息隐藏技术通 常 是不 可逆 的，影响着隐藏的信息的正确提取以及图像的认证。对于数据的完整性要求特别高的医学及军事领域，信息隐藏技 术不能满足需求，因此可逆信息隐藏（ Reversible  Data Hiding RDH) 技术吸引了大量的研究者们的关注。 可逆信息隐藏 是信息隐藏的一个重要分支，它将秘密信息嵌入载体图像产生含密图像 ，用户可从含密图像中准确提取嵌入的秘密信息，并能无损地恢复 原始载体图像 。 RDH可用于医学图像、军事图像和法律取证等对载体图像的数据完整性要求 较高 的领域中。

联合图像专 家 组 joint phot ogr aphic experts group JPEG  标准 在压缩率和压缩图像的视觉质量之间提供了很好的折衷， J PEG 图像 具有文件小、利于网 络传输等优点 ，它是数码相机和 其他摄影捕获设备广泛采用的最流行的图像格式 除了在医疗和军事领域中的潜在用途外，还广泛应用于我们的日常生活中 。 JPEG 图像 的 RDH 可 用于 存档管理 和图像认证在多媒体档案中，图像提供者可能不希望原始内容失真， 并且就存储空间而言，同时存储原始版本和标记版本可能过于 昂贵 对于图像 验证， 有时图像的轻微 变化对于图像的所有者来说 是 不可 取的 在这种情况下， RDH 是理想的选择，因为它可以找到被篡改的区域并恢复原始图像 。 因此， 基于 JPEG 图像的 RDH 受到 人们 的 广泛关注 。

 二、研究现状

 JPEG-RDH面临的困难：

①JPEG图像的冗余度要比未压缩图像小得多,一定程度上限制了嵌入容量。

②由于进行了反量化，离散余弦变换（DCT）域中的修改可能比空间域中的失真明显增加

③对于JPEG图像中的RDH，我们不仅要考虑视觉质量，还要考虑在嵌入过程中可能会增加的文件大小。

三、研究内容

1）在值为0的AC系数中嵌入秘密信息，使嵌入容量获得极大提升。

2）通过提出适用于零系数嵌入的频率选择策略，降低含密图像的文件增长。

3）通过提出适用于零系数嵌入的块选择策略，减少数据嵌入时的无效移位，降低含密图像的视觉失真。

四、实验结果

可看出Di算法的UIFS不稳定，这是因为Di算法的频率选择策略仅从视觉失真角度出发，但失真小的频率位置不一定文件增长小，因此其UIFS不稳定．本文算法得到的UIFS更稳定，且在相同秘密信息数量下，UIFS比Di算法平均降低0.25~0.6，这是因为本文在选择频率时模拟了信息嵌入的单位文件增量，能优先选择导致文件增长小的频率嵌入，而Di等人在选择频率时仅考虑视觉失真，没有考虑零系数嵌入引起的文件大小变化，导致文件增长较大．本文算法在文件增长方面优于Di算法，提出的频率选择策略能够降低零系数嵌入的文件增长．

 给出了没有使用块选择的算法（Di 算法）和使用了块选择策略的算法在嵌入不同长度的秘密信息时的PSNR 对比。观察图可看出，在相同秘密信息数量下，本课题得到的含密图像的PSNR 比Di 算法平均提高1.3~1.5dB，有效降低了含密图像的视觉失真。