第3章可逆信息隱藏《多媒體信息安全》目錄三一可逆信息隱藏簡介二明文域位圖圖像可逆信息隱藏JPEG圖像可逆信息隱藏四密文域可逆信息隱藏可逆信息隱藏簡介隨著多媒體和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展，大量數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上傳播。多媒體信息的可靠性、安全性、完整性和保密性無法得到保障，信息泄露、篡改等風(fēng)險(xiǎn)增加。一旦出現(xiàn)問題，可能造成嚴(yán)重后果。數(shù)字化時(shí)代信息安全挑戰(zhàn)可逆信息隱藏能夠在嵌入秘密信息的同時(shí)，保證原始載體的無損恢復(fù)，兼具加密技術(shù)和傳統(tǒng)信息隱藏技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)?？赡嫘畔㈦[藏的優(yōu)勢與應(yīng)用可逆信息隱藏簡介可逆信息隱藏框架模型目錄三一可逆信息隱藏簡介二明文域位圖圖像可逆信息隱藏JPEG圖像可逆信息隱藏四密文域可逆信息隱藏明文域位圖可逆信息隱藏簡介技術(shù)難點(diǎn)（1）高容量、低失真的無損隱秘傳輸；（2）嵌入算法的復(fù)雜度和實(shí)時(shí)性問題；（3）嵌入率、嵌入效率及嵌入算法的安全性問題，以及傳輸過程的影響。明文域位圖可逆信息隱藏簡介評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（1）不可感知性：通常用PSNR和SSIM。（2）可逆性：可逆信息隱藏技術(shù)的核心，保證了含密圖像在接收端能夠完全恢復(fù)為原始載體圖像，確保信息的完整性和可用性。（3）嵌入容量：表示嵌入在載體圖像中的額外信息數(shù)量，通常用嵌入率（ER）來表示。（4）魯棒性：誤碼率（BER）和歸一化漢明距離（γHD）是常用的客觀測試指標(biāo)。明文域位圖可逆信息隱藏簡介發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀最早可逆信息隱藏思想由Barton等人在1997年提出。目前可逆信息隱藏算法主要分為基于無損壓縮、差值擴(kuò)展、直方圖移位和預(yù)測誤差擴(kuò)展四類，各有優(yōu)勢和應(yīng)用場景。無損壓縮：通過壓縮載體圖像的冗余信息來嵌入秘密信息；差值擴(kuò)展：利用像素差值的擴(kuò)展來創(chuàng)造嵌入空間；直方圖移位：通過統(tǒng)計(jì)直方圖峰值點(diǎn)與零值點(diǎn)之間的像素進(jìn)行移位獲得冗余空間；預(yù)測誤差：利用載體圖像的冗余空間，通過預(yù)測誤差來嵌入秘密信息?；跓o損壓縮的可逆信息隱藏利用無損位平面壓縮的算法Fridrich等人提出一種利用無損位平面壓縮算法JBIG實(shí)現(xiàn)可逆信息隱藏的方法。首先選取載體圖像的合適位平面，對其進(jìn)行JBIG無損壓縮后將秘密信息嵌入到產(chǎn)生的冗余空間中。如圖所示，載體圖像I的某個(gè)位平面P經(jīng)無損壓縮后產(chǎn)生子集I（P），得到冗余空間，再將秘密信息M嵌入到該冗余空間中。這種利用壓縮位平面進(jìn)行可逆信息嵌入的方法思想簡單、容易實(shí)現(xiàn)，但需要確定合適的位平面，嵌入容量有限，通常只能進(jìn)行認(rèn)證。無損位平面壓縮框圖基于無損壓縮的可逆信息隱藏R-S算法首先將原始圖像分塊，圖像塊用Zig-Zag方式掃描分組，得到一組像素值矢量（x1,x2,.....,xn）,定義相關(guān)性函數(shù)為：f值越小，說明圖像相鄰像素之間的起伏越小，即圖像塊的空間相關(guān)性越強(qiáng)，反之越弱?；跓o損壓縮的可逆信息隱藏定義翻轉(zhuǎn)函數(shù)。這種翻轉(zhuǎn)操作的目的在于以一種可逆的方式打亂原有像素值的相關(guān)性，相當(dāng)于在圖像塊上疊加微小噪聲。對圖像塊應(yīng)用翻轉(zhuǎn)函數(shù)，即：Q為1，0或－1；P代表圖像塊。當(dāng)f(F(P))>f(P)時(shí)，定義這些組為正常分組PR；當(dāng)f(F(P))<f(P)時(shí)，定義為奇異分組PS；當(dāng)f(F(P))=f(P)時(shí)，稱P為不可用圖像塊分組PU。R-S算法基于無損壓縮的可逆信息隱藏R-S算法在秘密信息嵌入過程中，將信息比特“1”對應(yīng)“PR”，“0”對應(yīng)“PS”，而對所有狀態(tài)為PU的像素分組不嵌入任何數(shù)據(jù)，并保持其狀態(tài)不變。算法的嵌入容量為：NR和NS分別為原始載體圖像PR與PS的數(shù)量，|A|為壓縮后圖像分組狀態(tài)所占的長度?；跓o損壓縮的可逆信息隱藏G-LSB算法核心思想：和無損位平面壓縮方法類似，只是將被無損壓縮的對象由原來的最低n個(gè)位平面擴(kuò)展為最低的L個(gè)幅值電平。流程：首先對載體圖像I中的像素值進(jìn)行量化，用載體圖像中的各像素的灰度值減去量化值，得到差值，接著將所有的差值用基于上下文自適應(yīng)無損壓縮方法（CALIC）進(jìn)行壓縮。嵌入過程：把壓縮后的數(shù)據(jù)與需要嵌入的秘密信息M合并成為最終待嵌入的信息W，將其嵌入到載體圖像中，得到含密圖像Iw。最后，接收端根據(jù)同樣的量化參數(shù)從Iw中提取信息W'，若Iw未受攻擊，則W'=W，這樣就能從W'中提取出秘密信息M，并將剩余信息經(jīng)過解壓縮后得到各像素點(diǎn)的差值，最后利用差值與反量化恢復(fù)原始載體圖像?；诓钪禂U(kuò)展的可逆信息隱藏首先將灰度圖像分成灰度像素對（x,y），0≤x,

y≤255，定義正變換為:其中，l為向下取整均值，h為整數(shù)差值。其對應(yīng)的逆變換為:對h進(jìn)行比特移位，即將秘密比特信息b以差值擴(kuò)展的方法嵌入到h中：基于差值擴(kuò)展的可逆信息隱藏將得到的h'作為h，代入逆變換種中，得到新的圖像像素對（x',y'），形成嵌入秘密信息后的圖像。在提取信息時(shí)，對差值h'模2運(yùn)算得到嵌入的秘密信息比特b：在還原圖像時(shí)，對差值h'除以2得到的商就是原始的差值?：基于直方圖移位的可逆信息隱藏直方圖移位方法首先生成直方圖，然后通過修改生成的直方圖實(shí)現(xiàn)信息的可逆嵌入。對于一個(gè)給定的整數(shù)a，秘密信息經(jīng)過以下方式嵌入到載體圖像I中，得到含密圖像J：直方圖移位規(guī)則示意圖其中黑色的值被移動，紅色的值向左移動以嵌入二進(jìn)制1或保持不變以嵌入二進(jìn)制0，藍(lán)色的值在數(shù)據(jù)嵌入中保持不變?；谥狈綀D移位的可逆信息隱藏直方圖移位算法嵌入過程示意圖三幅直方圖分別表示移位前（原始圖像直方圖）、移位后和嵌入信息后（含密圖像直方圖）的狀態(tài)?；陬A(yù)測誤差擴(kuò)展的可逆信息隱藏原始PEE方法該算法利用了圖像區(qū)域內(nèi)相鄰像素之間的固有相關(guān)性，計(jì)算每個(gè)位置的預(yù)測誤差，并根據(jù)要嵌入的信息量選擇嵌入位置，然后通過擴(kuò)展預(yù)測誤差值來嵌入數(shù)據(jù)，嵌入位置的壓縮位置圖也連同信息位一起嵌入到載體圖像中。給定灰度圖像的一個(gè)像素x和待嵌入信息m,使用x的右方(b)、下方(a)和右下角(c)鄰域像素來預(yù)測它的預(yù)測值：基于預(yù)測誤差擴(kuò)展的可逆信息隱藏原始PEE方法該算法利用了圖像區(qū)域內(nèi)相鄰像素之間的固有相關(guān)性，計(jì)算每個(gè)位置的預(yù)測誤差，并根據(jù)要嵌入的信息量選擇嵌入位置，然后通過擴(kuò)展預(yù)測誤差值來嵌入數(shù)據(jù)，嵌入位置的壓縮位置圖也連同信息位一起嵌入到載體圖像中。給定灰度圖像的一個(gè)像素x和待嵌入信息m,使用x的右方(b)、下方(a)和右下角(c)鄰域像素來預(yù)測它的預(yù)測值：基于預(yù)測誤差擴(kuò)展的可逆信息隱藏預(yù)測誤差,接著將預(yù)測誤差進(jìn)行擴(kuò)展，左移1bit產(chǎn)生一個(gè)空的LSB以嵌入信息比特m，即：得到嵌入后的像素值x’：原始像素值可根據(jù)下面的公式恢復(fù)：原始PEE方法基于預(yù)測誤差擴(kuò)展的可逆信息隱藏HS-PEE方法HS-PEE采用直方圖移位技術(shù)作為嵌入位置圖的替代方案，減少低嵌入容量下的失真，并增大了嵌入容量。此外，采用預(yù)測誤差擴(kuò)展技術(shù)也能更好地利用像素鄰域內(nèi)固有的相關(guān)性。HS-PEE嵌入過程包括兩個(gè)主要步驟：（1）像素預(yù)測和生成預(yù)測誤差直方圖（2）直方圖修改基于預(yù)測誤差擴(kuò)展的可逆信息隱藏像素預(yù)測和生成預(yù)測誤差直方圖在特定的掃描排序下，將載體圖像的像素掃描成一個(gè)序列（x1,x2,....,xn）。然后，使用一個(gè)預(yù)測器來確定xi的預(yù)測值

。隨后計(jì)算預(yù)測誤差

（為了簡單起見，假設(shè)

是一個(gè)整數(shù)），得到預(yù)測誤差序列(e1,e2,......,en)，并通過統(tǒng)計(jì)預(yù)測誤差的頻率生成預(yù)測誤差直方圖。通常，預(yù)測誤差直方圖服從以0為中心的拉普拉斯分布。HS-PEE方法基于預(yù)測誤差擴(kuò)展的可逆信息隱藏直方圖修改通過擴(kuò)展和移位來修改預(yù)測誤差直方圖以嵌入數(shù)據(jù)。對于每一個(gè)預(yù)測誤差ei，它被擴(kuò)展或移位為：其中，T是一個(gè)與容量相關(guān)的整值參數(shù)HS-PEE方法基于預(yù)測誤差擴(kuò)展的可逆信息隱藏改進(jìn)的HS-PEE方法（1）Luo等人提出了一種基于插值的預(yù)測器，該預(yù)測器將最近鄰的加權(quán)平均值作為像素預(yù)測值。該方法的秘密信息嵌入主要步驟如下：1對于一幅像素灰度值為x的載體圖像，通過圖像像素值預(yù)測算法計(jì)算該幅圖像的預(yù)測誤差e，其中，組成預(yù)測誤差集合E，并得到預(yù)測誤差直方圖h（e）。在h（e）中，尋找出兩個(gè)預(yù)測誤差出現(xiàn)頻率最高的峰值點(diǎn)LM和RM（假設(shè)LM<RM），分別被定義為：2基于預(yù)測誤差擴(kuò)展的可逆信息隱藏改進(jìn)的HS-PEE方法LM和RM將h（e）分為兩部分，左側(cè)預(yù)測誤差LE：以及右側(cè)預(yù)測誤差RE：，分別尋找出兩個(gè)預(yù)測誤差出現(xiàn)頻率最低的零值點(diǎn)LN和RN，分別被定義為：按固定順序掃描整幅圖像，通過下式完成預(yù)測誤差直方圖的移位、擴(kuò)展及秘密信息嵌入:34基于預(yù)測誤差擴(kuò)展的可逆信息隱藏（2）Sachnev等人提出了一種基于菱形預(yù)測器的改進(jìn)方法。即圖中每個(gè)待預(yù)測像素值x（i,j）的預(yù)測值由其上下左右四個(gè)相鄰像素決定，且x（i,j）與其相鄰像素不在同一批次進(jìn)行估計(jì)，因此不影響算法最終的可逆性。另外，通過四周像素值估計(jì)中心像素的方式也可以獲得更小的估計(jì)誤差，因此這種估計(jì)模式已成為當(dāng)前基于PEE的主流方法。棋盤格預(yù)測器示意圖改進(jìn)的HS-PEE方法目錄三一可逆信息隱藏簡介二明文域位圖圖像可逆信息隱藏JPEG圖像可逆信息隱藏四密文域可逆信息隱藏JPEG可逆信息隱藏簡介基于量化后DCT系數(shù)修改的可逆信息隱藏?；贖uffman編碼表修改的可逆信息隱藏?；谛薷牧炕砗土炕禂?shù)的可逆信息隱藏。通過修改量化后的DCT系數(shù)來嵌入信息。根據(jù)JPEG數(shù)據(jù)流中可變長碼（VLC）的使用情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，建立使用和未使用的VLC之間的映射關(guān)系，修改碼流并在重新映射后修改文件頭。對量化表和量化后的DCT系數(shù)進(jìn)行修改，提高被嵌圖像的視覺質(zhì)量同時(shí)提高載荷通常會導(dǎo)致較大的文件擴(kuò)張?，F(xiàn)有較流行的JPEG可逆信息隱藏方法可以大致分為三類：基于DCT系數(shù)修改的JPEG可逆信息隱藏多數(shù)基于DCT系數(shù)修改的JPEG可逆信息隱藏經(jīng)典算法都會包含以下三個(gè)重要步驟：（1）生成經(jīng)過量化處理的DCT系數(shù)直方圖或是預(yù)測誤差直方圖；（2）將得到的直方圖分為內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域，其中內(nèi)部區(qū)域的數(shù)據(jù)被用來攜帶秘密信息，而外部區(qū)域則根據(jù)直方圖平移的思想為內(nèi)部區(qū)域嵌秘密信息騰出空間；（3）設(shè)置可逆隱藏的具體優(yōu)化算法以平衡嵌入容量、視覺質(zhì)量和文件擴(kuò)張三者之間的影響。基于DCT系數(shù)直方圖移位的方法該方法基于DCT系數(shù)統(tǒng)計(jì)特性，保持零系數(shù)不變，僅將值為1和―1的系數(shù)展開以攜帶消息位。嵌入過程的具體公式為：其中，未修改前的DCT系數(shù)為Ci，嵌入后的DCT系數(shù)為Ci’提取完整的秘密信息并且無損恢復(fù)原圖：基于DCT頻帶和塊選擇策略的方法該方法將嵌入量化后DCT系數(shù)產(chǎn)生的視覺失真量化成具體公式，從而能更精準(zhǔn)地選擇適合嵌入秘密信息的頻帶和圖像塊。其主要步驟包括：頻帶選擇圖像塊選擇基于DCT頻帶和塊選擇策略的方法(1)頻帶選擇：經(jīng)熵編碼得到量化的DCT系數(shù)后，對圖像塊中每個(gè)頻帶（u,v）對應(yīng)的量化后的AC系數(shù)改變1個(gè)單位，映射到空間域64個(gè)位置造成的失真平均值cost（u,v）為：其中，

，q（u,v）表示頻率（u,v）處的量化階數(shù)基于DCT頻帶和塊選擇策略的方法頻帶（u,v）處在實(shí)際圖像中的失真總值Ju,v為:其中Cu,v為頻率（u,v）處±１個(gè)數(shù)，Cout為頻率（u,v）處絕對值大于1的個(gè)數(shù)頻帶（u,v）處的平均單位失真量UDu,v:(1)頻帶選擇：基于DCT頻帶和塊選擇策略的方法（2）圖像塊選擇：思想:優(yōu)先選模擬塊失真值最小的塊嵌入。對每個(gè)塊的所有量化后的±1AC系數(shù)進(jìn)行嵌入，且絕對值大于1的系數(shù)按直方圖平移的方式外移1位。所得修改后的AC系數(shù)經(jīng)過反量化和DCT反變換，轉(zhuǎn)換到空域后計(jì)算修改前后的像素差值平方和。計(jì)算方式：頻率選擇：詳細(xì)計(jì)算每個(gè)圖像塊中不同頻率處的DCT值修改時(shí)對應(yīng)的平均失真量，并在平均失真最小的前K個(gè)頻率中選擇量化系數(shù)進(jìn)行嵌入?；贒CT系數(shù)負(fù)影響模型的方法在基于DCT頻帶和塊選擇策略的方法基礎(chǔ)上，為了量化選擇頻帶和圖像塊時(shí)對應(yīng)的失真和文件擴(kuò)張，設(shè)計(jì)的一種可調(diào)節(jié)權(quán)重的負(fù)影響模型。如下：當(dāng)α為0時(shí)，視覺失真最小化；當(dāng)α為1時(shí)，文件擴(kuò)張最小化；當(dāng)α取值0到1之間時(shí)，則可以調(diào)節(jié)其大小以平衡嵌入信息后圖像的文件大小和視覺質(zhì)量，可以選擇偏向讓文件擴(kuò)張更小或是讓視覺質(zhì)量更好?；贒CT系數(shù)負(fù)影響模型的方法（u,v）頻率處嵌信息將產(chǎn)生的總視覺失真:(u,v)頻率處嵌信息將產(chǎn)生的總文件擴(kuò)張大小:其中基于Huffman表修改的JPEG可逆信息隱藏DCT系數(shù)經(jīng)量化后得到DC系數(shù)和AC行程系數(shù)，接下來將DC系數(shù)和AC行程系數(shù)轉(zhuǎn)化成中間格式：（Size,Value）以及（Run/Size,Value）表示成中間格式之后，DC系數(shù)的Size將用Huffman編碼表示，Value將用變長整數(shù)編碼（VLI）編碼表示；

AC系數(shù)的Run/Size將用Huffman編碼表示，Value也將用VLI編碼表示。VLI編碼表基于Huffman表修改的JPEG可逆信息隱藏AC系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)Huffman編碼表得到DC系數(shù)和AC系數(shù)的中間格式之后，還需要進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮編碼。

JPEG標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了兩種對中間格式進(jìn)行熵編碼的方式：Huffman編碼和算術(shù)編碼。由于Huffman編碼不存在專利問題，所以JPEG基本默認(rèn)使用Huffman編碼。基于Huffman表修改的JPEG可逆信息隱藏在實(shí)際圖像中，并不是所有的VLC碼都會出現(xiàn)在碼流中。解決思路：就是將碼流中未使用的VLC碼映射到已使用的VLC上，通過修改文件頭中定義的Huffman編碼表的值來記錄這種映射關(guān)系，在數(shù)據(jù)隱藏過程中，會根據(jù)秘密信息比特的具體值決定是否將原碼流中出現(xiàn)的VLC碼替換成其映射的未使用VLC碼。VLC碼映射方法原理圖(a)VLC匹配(b)Huffman編碼表修改(c)熵編碼段映射基于Huffman表修改的JPEG可逆信息隱藏VLC碼映射方法主要有兩種基于VLC相同碼長映射的方法基于直方圖平移的VLC碼映射方法基于VLC相同碼長映射的方法Qian等人在2012年提出了一種經(jīng)典VLC碼映射方法。為了保證嵌入秘密信息后圖像的文件尺寸不會有明顯的變化，該方法規(guī)定已使用VLC和未使用VLC之間的映射應(yīng)該是相同碼長之間的映射。將VLC按長度劃分成16個(gè)集合{C1,C2,…,C16}，每個(gè)集合Ci有Li個(gè)長度為i的不同VLC碼。基于VLC相同碼長映射的方法如果集合Ci中pi≥qi>0，那么該集合使用一對一映射方式：如果集合Ci中qi>pi>0，該集合采用一對多的映射方式：其中，表示向下取整基于直方圖平移的VLC碼映射方法2020年Du等人提出，是一種高嵌入容量的VLC碼映射方案。直接映射方式的舉例在直接映射的方式中，當(dāng)已使用VLC與未使用的VLC相映射時(shí)，嵌入信息后圖像重新統(tǒng)計(jì)的Run/SizeValue（RSV）直方圖將會根據(jù)秘密信息的分布，重新分配同組映射關(guān)系內(nèi)VLC碼的出現(xiàn)頻率?；谥狈綀D平移的VLC碼映射方法基于直方圖平移的映射方法舉例在基于直方圖平移的映射方法中，已使用的VLC會映射到與自身最鄰近的RSV值（即使最近的并不是未使用的VLC）。為了保證該方法的可逆性，每實(shí)現(xiàn)一次映射之前，原有的RSV對應(yīng)的頻率直方圖將會右移相應(yīng)的位置為前面的映射操作騰出空間。原有的RSV值0/1對應(yīng)的VLC一對一映射到0/2對應(yīng)的VLC時(shí)，原來的RSV直方圖整體右移一個(gè)單位，原來0/2對應(yīng)的VLC一對一映射時(shí)，表現(xiàn)為0/3對應(yīng)的VLC映射到0/0對應(yīng)的VLC，以此類推?；赩LC相同碼長映射的方法利用直方圖平移的高嵌入容量VLC碼映射方案框架理論上，越高頻率的已使用VLC映射到越多的未使用VLC可以帶來更多的嵌入容量。然而，必須考慮到嵌入秘密信息后文件擴(kuò)張不能過大，并且并不是所有的未使用VLC都有足夠的數(shù)量可供映射。目錄三一可逆信息隱藏簡介二明文域位圖圖像可逆信息隱藏JPEG圖像可逆信息隱藏四密文域可逆信息隱藏密文域可逆信息隱藏技術(shù)簡介傳統(tǒng)的加密技術(shù)與信息隱藏技術(shù)密文域可逆信息隱藏是一種能夠在加密后的多媒體載體中實(shí)現(xiàn)可逆信息隱藏的技術(shù)，其既具有加密技術(shù)的保密性和可逆信息隱藏技術(shù)的可逆性等優(yōu)點(diǎn)。密文域可逆信息隱藏技術(shù)簡介前面兩種算法都無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)多媒體信息的版權(quán)保護(hù)和內(nèi)容保護(hù)。因此，為了使版權(quán)保護(hù)和內(nèi)容保護(hù)能夠在同一算法中實(shí)現(xiàn)，RDHEI技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。該技術(shù)能夠在密文域中完成可逆信息隱藏，這意味著在進(jìn)行信息隱藏的同時(shí)，不再需要原始多媒體載體圖像的信息，同時(shí)又可以保證信息和原始多媒體圖像的無損還原。RDHEI特點(diǎn):根據(jù)不同加密算法，可逆信息隱藏的算法也不盡相同。當(dāng)前主流加密算法主要有同態(tài)加密和流加密兩類。密文域可逆信息隱藏技術(shù)簡介應(yīng)用場景云存儲服務(wù)軍事、醫(yī)療、法律等圖像允許加密者和嵌入者分離，減少用戶安全隱患，同時(shí)滿足云端服務(wù)商對上傳信息進(jìn)行管理、版權(quán)保護(hù)和審查的需求?？梢员Ｗo(hù)圖像內(nèi)容的機(jī)密性和隱私性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)版權(quán)保護(hù)和內(nèi)容管理?；谕瑧B(tài)加密的密文域可逆信息隱藏根據(jù)Paillier算法，其加密和解密過程可以表示為如下公式：其中，明文為m，密文為c如何實(shí)現(xiàn)明文域和密文域的同態(tài)映射：差值擴(kuò)展算法的嵌入過程：基于同態(tài)加密的密文域可逆信息隱藏差值擴(kuò)展算法的提取還原過程：進(jìn)一步恢復(fù)出x