降低文件增长和失真的零系数JPEG图像可逆信息隐藏_苏童.pdf

第 4 5 卷 第 1 期2 0 2 3 年 1 月铁道学报JOUNAL OF THE CHINA AILWAY SOCIETYVol 45No 1January2 0 2 3文章编号:1001-8360(2023)01-0051-12降低文件增长和失真的零系数 JPEG 图像可逆信息隐藏苏童1，和红杰1，原长琦2，陈帆3(1 西南交通大学 信息科学与技术学院，四川 成都611756;2 北京电子技术应用研究所，北京100091;3 西南交通大学 计算机与人工智能学院，四川 成都611756)摘要:零系数嵌入能有效提高基于直方图平移的 JPEG 图像可逆信息隐藏(DH)的嵌入容量，但会产生较大的文件增长和视觉失真。在研究零系数嵌入频率选择和块选择策略的基础上，提出一种能有效降低文件增长和失真的零系数 JPEG 图像 DH 算法。首先分析零系数嵌入对中间符号零游程长度的影响，得到在不同频率下零系数嵌入的模拟文件增量，并定义用于零系数嵌入频率选择的模拟单位文件增量;然后把用于块选择的块平滑度函数定义为两个恒定特征的加权和，分析讨论零系数嵌入的两个恒定特征选取、处理及其权重选取策略;最后设计一种能降低文件增长和失真的零系数 JPEG 图像 DH 算法。实验结果表明:与非零嵌入算法相比，零系数的嵌入容量可增加 817 倍，算法的视觉质量平均可增加 1.2 2.5 dB，尤其对于较小的质量因子;与现有零系数嵌入算法相比，算法的视觉质量平均增加 1.8 2.3 dB，单位文件增量平均减少 0.220.36。关键词:可逆信息隐藏;JPEG 图像;频率选择;块选择;文件增长中图分类号:TP309文献标志码:Adoi:10.3969/j issn 1001-8360.2023.01.007收稿日期:2021-04-08;修回日期:2021-06-29基金项目:国家自然科学基金(U1936113，61872303)第一作者:苏童(1997)，女，四川资阳人，硕士研究生。E-mail:st sutong foxmail com通信作者:陈帆(1971)，男，河南新蔡人，副教授，博士。E-mail:fchen swjtu edu cnZero-coefficient Based eversible Data Hiding in JPEG Images witheduced File-growth and DistortionSU Tong1，HE Hongjie1，YUAN Changqi2，CHEN Fan3(1 School of Information Science and Technology，Southwest Jiaotong University，Chengdu 611756，China;2 Beijing Institute of ElectronicsTechnology and Application，Beijing 100091，China;3 School of Computing and Artificial Intelligence，Southwest Jiaotong University，Chengdu 611756，China)Abstract:Zero-coefficient embedding(ZCE)can effectively increase the embedding capacity of reversible data hidingin JPEG images based on histogram shifting，but will cause large file growth and visual distortion Based on the study offrequency selection and block selection strategies for ZCE，this paper proposed a zero-coefficient based reversible datahiding algorithm for JPEG images that can effectively reduce file-growth and distortion First，based on the analysis ofthe influence of ZCE on zero-run-length of intermediate symbols，the simulation file increment of ZCE at different fre-quencies was obtained，and a simulation unit file increment used to select ZCE frequency was defined Then，the blocksmoothness function used for block selection was defined as the weighted sum of two constant features The selection，processing and weight selection strategies of the two constant features of ZCE were analyzed and discussed Finally，a ze-ro-coefficient based reversible data hiding algorithm for JPEG images that can reduce file-growth and distortion was de-signed The experimental results show that，compared with non-ZCE algorithms，the embedding capacity of the ZCE al-gorithm can be increased by 8 to 17 times The visual quality of the algorithm proposed in this paper is improved by anaverage of 1.22.5 dB，especially for small quality factors Compared with existing ZCE algorithm，the visual quality of铁道学报第 45 卷the algorithm proposed in this paper is improved by an average of 1.82.3 dB，and the unit increase of file size is re-duced by 0.220.36 on averageKey words:reversible data hiding;JPEG image;frequency selection;block selection;file growth数字图像常受到攻击、恶意篡改等威胁，可能会对个人甚至社会造成严重影响，因此确保图像的真实性和完整性非常有必要1。可逆信息隐藏(eversibleData Hiding，DH)是信息隐藏2 的重要分支，它将秘密信息嵌入载体图像产生含密图像(本文中提及的“信息嵌入”均指“秘密信息嵌入”)，用户能从含密图像中准确提取嵌入的信息，并能无损地恢复原始图像3。DH 主要用作对图像进行完整性保护，可用于医学图像、军事图像、法律取证等对载体图像的数据完整性要求较高的领域4-6。JPEG7 是目前最常用的图像格式之一，具有文件小、利于网络传输等优点8，且 JPEG 图像包含较少的冗余信息，基于 JPEG 图像的 DH 受到广泛关注。嵌入容量、视觉失真、文件增长是衡量 JPEG 图像 DH算法性能的 3 个主要指标，嵌入容量越大、视觉失真和文件增长越小，算法性能越好。现有 JPEG 图像 DH主要分为 3 种方法:基于量化表修改的 DH9-10、基于霍夫曼表修改的 DH11-13 和基于量化离散余弦变换(DiscreteCosineTransform，DCT)系 数 修 改 的DH14-25。其中，前两种方法对视觉失真、文件增长兼顾的较好，不过嵌入容量较小;第 3 种方法选择特定的 DCT 系数嵌入秘密信息，具有较高的嵌入容量，而且类拉普拉斯分布的量化 DCT 系数直方图26 是 DH的理想载体，利用直方图平移(Histogram Shifting，HS)在值为1 的交流(Alternating Current，AC)系数中嵌入秘密信息，可有效提高嵌入容量，同时通过块、频率选择策略可平衡视觉失真和文件增长。下面概述现有的基于 HS 在 AC 系数中嵌入信息的块选择策略和频率选择策略16-25。块选择的主要目的是优先选择 HS 导致视觉失真较小的图像块嵌入信息，以保证图像的视觉质量。现有块选择策略研究可分为基于平滑度和基于模拟失真两类:对于基于平滑度的块选择策略，Huang 等16 提出利用块内零系数个数来评价图像块平滑度，零系数个数越多代表图像块越平滑，优先选择平滑块嵌入信息，文献 20-22 即采用此类块选择策略。此外，王洋洋等17 提出了基于直流(Direct Current，DC)系数波动的平滑度判定准则。对于基于模拟失真的块选择策略，Hou 等18 提出平滑度以定性的角度分析视觉失真，但为进一步提高含密图像的视觉质量，还需计算在每个块中模拟嵌入“1”所导致的失真，优先在失真小的图像块中嵌入信息。由于实际的秘密信息服从 0，1 上的均匀分布，因此 Hou 等计算的模拟失真不一定准确。He 等19 发现图像视觉失真与 DCT 系数的分布有关，将分布函数代入失真函数中能更准确地估计图像块失真。不过，基于模拟失真的块选择仅适用于在非零系数中嵌入秘密信息，而在零系数嵌入方案中不适用。频率选择主要是通过选择特定的 AC 系数嵌入信息，以降低视觉失真和文件增长。Wedaj 等20 提出一种容量/失真的频率选择策略，优先在容量大、失真小的频率中嵌入信息，文献 18-19，25 均制定了基于容量与失真关系的频率选择策略。为综合考虑图像的视觉失真和文件增长，He 等21 建立了信息嵌入的负面影响模型，用户根据对图像失真和文件大小的需求调整权重因子，在频率选择的同时考虑信息嵌入对视觉失真和文件增长的影响。不过，现有频率选择策略尚未见到零系数嵌入对文件增长的研究报道。许多文献还通过使用二维直方图平移22、多目标优化23、多直方图平移24 等方案，并与频率选择、块选择策略相结合，以实现文件增长与视觉质量之间的平衡。以上研究16-24 多在非零 AC 系数中嵌入秘密信息，信息嵌入后零系数不发生改变，能较好地控制文件增长，但也限制了嵌入容量，尤其是质量因子较小的JPEG 图像。实际上，在 JPEG 图像中零系数个数远多于非零系数，且某些零系数对应的量化步长更小，修改导致的视觉失真会更小。Di 等25 提出了基于零系数的 JPEG 图像 DH，通过计算在每个频率位置值为 0、1 的 AC 系数嵌入信息导致的模拟单位失真代价函数，优先选择失真代价小的位置嵌入信息。零系数嵌入有效提高了 JPEG 图像的嵌入容量，失真代价函数保证了含密 JPEG 图像的视觉质量25。不过，文献 25 的频率选择策略没有考虑对文件增长的影响，含密 JPEG图像的文件增长较大，而且对纹理比较复杂的图像，该算法生成的含密图像的视觉失真较大。为提高 JPEG 图像的嵌入容量，同时兼顾含密图像的文件增长和视觉失真，本文提出一种降低文件增长和失真的零系数 JPEG 图像可逆信息隐藏算法。由于现有频率选择、块选择策略不适用于零系数嵌入方案，故本文重点研究零系数嵌入的频率选择策略和块选择策略，从而降低文件增长和视觉失真。