一种基于卡通图案的载体生成式信息隐藏方法及提取方法

1.本发明涉及多媒体信息安全领域，尤其涉及一种基于卡通图案的载体生成式信息隐藏方法及提取方法。


背景技术：

2.信息隐藏是一种在数字媒体中隐藏秘密信息的技术，通过将秘密信息伪装为普通信息以实现隐蔽通信或隐蔽存储。隐写术是信息隐藏技术的主要研究方向之一，其目的是将秘密信息隐藏在常规载体中，实现信息的隐蔽传输。
3.当前的隐写方法大多是通过对数字载体进行轻微修改，将秘密信息嵌入其中，以嵌入信息后的含密载体作为该秘密信息的伪装在信道中进行传输。然而，随着隐写分析技术的发展，修改载体以嵌入信息的隐写方法受到严重的威胁。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提出一种通过构造含密载体图像本身的方式，有效避免隐写分析技术检测的基于卡通图案的载体生成式信息隐藏方法及提取方法。
5.为达到上述目的，本发明提出一种基于卡通图案的载体生成式信息隐藏方法，包括以下步骤：
6.步骤e1：准备场景背景图像、小图案集bw map和颜色参考图像；
7.步骤e2:对所述颜色参考图像的图像集中任意图像，提取其色卡，选取主要颜色c
m0
，并对色卡中的浅色聚类，划分出n种不同的颜色生成color map cs＝{c
s1
,c
s2
,...,c
sn
}分别代表n种不同的q比特二进制信息；
8.其中，c
m0
为画面中所占像素个数最多的颜色，n＝2q，q为任意正整数；
9.步骤e3，处理秘密信息s；将所述秘密信息s转化为二进制序列s
bin
，以8bits为单位分段即s
bin
＝{s
b1
,s
b2
,...,s
bn
}，各段内二进制序列均同数字图像的不同属性相映射，以此隐藏秘密信息；
10.步骤e4，用步骤e2中提取的颜色c
m0
及c
s1
～c
sn
为背景图像填色，对所述场景背景图像进行填充，生成彩色背景图像；
11.步骤e5，在所述彩色背景图像中嵌入半脆弱水印；
12.步骤e6，根据步骤e3中的所述秘密信息s序列分别从小图案集bw map和color map中选取隐藏信息对应的小图案样式和相应颜色为小图案填色并粘贴在步骤e5生成的所述彩色背景图像上；
13.步骤e7，重复步骤e6直至秘密信息全部隐藏或背景图像中再无可隐藏信息位置，由此生成含密彩色图像p，保存并发送至信道传输。
14.优选的，在步骤e1中，所述场景背景图像包括超市货架场景或者自习室场景。
15.优选的，在步骤e5中，应用一种基于图像内容的半脆弱水印，对彩色背景图像ycbcr颜色空间中y通道的dwt域二级ll2系数进行sobel边缘检测获取水印x，并由此检测结
果根据公式
[0016][0017]
修改ll2小波系数，其中ai和ai′
分别为水印嵌入前后的小波系数，x为水印比特，sw为自适应水印强度，水印嵌入后再经两次小波逆变换即可获得含水印彩色背景的y颜色通道图像。
[0018]
本发明还提出一种基于卡通图案的载体生成式信息提取方法，包括以下步骤：
[0019]
步骤d1：对接收到的含密彩色图像p进行半脆弱水印检测，找到代表秘密信息的小图案位置；
[0020]
步骤d2：对接收到的含密彩色图像p进行边缘检测，生成与含密图像等大的二值图像pb′
；
[0021]
步骤d3：提取含密彩色图像p中所占像素个数最多的颜色作为主要颜色用该颜色替换轮廓颜色及其他干扰颜色，获得替换颜色后的彩色图像pc′
；
[0022]
步骤d4：根据定位提取图像pb′
和pc′
的相应位置小图案，并获得各小图案的二值轮廓子图像和彩色子图像；
[0023]
步骤d5：将提取的所述二值轮廓子图像对照小图案集bwmap进行模板匹配，并在colormap中搜寻提取的所述彩色子图像的颜色，提取各小图案轮廓及颜色的二进制隐藏比特信息；
[0024]
步骤d6：串联所有小图案隐藏的所有二进制比特序列，经二进制逆变换获得含密图像所隐藏的秘密信息
[0025]
优选的，在步骤d1中，对含密图像的y颜色通道进行两次小波变换获得ll2系数，对其进行sobel边缘检测获得重构水印x
′
，根据公式
[0026][0027]
进行篡改检测，中a
′
(i)为接收图像的y通道dwt域ll2系数，为提取出的水印比特，对比重构水印x
′
和篡改检测水印不同的像素位置即为含密小图案所在区域，由此可依次找到含密小图案进行信息提取。
[0028]
优选的，在步骤d5中，小图案边缘轮廓隐藏信息的提取，即在空间域将检测出的各含密小图案作为模板，将各模板在小图案集bw map中寻找匹配区域，根据bw map中的区域位置信息获得小图案轮廓所隐藏的秘密信息。此过程中基于相关的图像模板匹配过程类似于滤波过程，设图像f(x,y)的大小为m
×
n和模板子图像w(x,y)的大小为j
×
k,则f与w的相关表示为：
[0029]
[0030]
其中，x＝0,1,2,...,n-k，y＝0,1,2,...,m-j，计算相关c(x,y)的过程就是在图像f(x,y)中逐像素地移动模板子图像w(x,y)的原点像素，在每一次移动的过程中计算每个像素位置的相关。对上式的向量表达式进行归一化后如下式所示：
[0031][0032]
与现有技术相比，本发明的优势之处在于：本发明通过构造含密载体图像本身而非修改已有载体图像的方式，使构造出的含密彩色图像在信道传输的过程中避免遭受隐写分析技术检测，具有抵抗隐写分析的能力，提高了含密载体的隐蔽性。并且，本发明生成的含密图像具有一定的抗压缩性能，可在jpeg压缩后依旧准确提取隐藏信息，于当前网络环境而言其使用场景具有一定的广泛性。
附图说明
[0033]
图1是本发明的实施例中基于卡通图案的载体生成式信息隐藏方法的秘密信息隐藏系统模型示意图。
[0034]
图2是本发明的实施例中基于卡通图案的载体生成式信息隐藏方法的秘密信息提取系统模型示意图。
[0035]
图3是本发明的实施例中生成含密“自习室”场景所使用的场景背景图像。
[0036]
图4是本发明的实施例中生成含密“自习室”场景所使用的参考背景颜色图像。
[0037]
图5是本发明的实施例中从使用的参考背景颜色图像中提取出的主要颜色和图案填充色，即颜色信息对照color map。
[0038]
图6是本发明的实施例中生成含密“自习室”场景所使用的小图案集内图像。
[0039]
图7是本发明的实施例中生成含密“自习室”场景背景颜色填充后图像。
[0040]
图8是本发明的实施例中基于卡通图案的载体生成式信息隐藏方法所生成的含密“自习室”场景图像。
[0041]
图9是本发明的实施例中基于卡通图案的载体生成式信息提取方法在秘密信息提取阶段检测得到的小图案轮廓信息图像。
[0042]
图10是本发明的实施例中基于卡通图案的载体生成式信息提取方法在秘密信息提取阶段检测得到的小图案颜色信息图像。
具体实施方式
[0043]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案作进一步地说明。
[0044]
本发明提出一种基于卡通图案的载体生成式信息隐藏方法及提取方法，以含密“自习室”场景的生成及其秘密信息提取为例，包括以下步骤：
[0045]
a、生成式无载体信息隐藏；
[0046]
b、秘密信息提取；
[0047]
所述步骤a还包括以下步骤：
[0048]
如图1所示，发送端处理秘密信息，由秘密信息驱动结合场景图像和团元素生成含密彩色图像后保存传输，接收端从接收到的含密彩色图像中提取出其中隐藏的密信息。
[0049]
步骤e1，准备场景背景图像，和小图案集bw map；
[0050]
以生成隐藏有秘密信息的“自习室”场景为例，场景使用自习室背景图像如附图3所示，场景背景图中含六种颜色，分别为肤色和五种不同灰度区间的灰色，即{g
c1
,g
g1
,g
g2
,g
g3
,g
g4
,g
g5
}，它们的rgb分别为
[0051][0052]
小图案集分别选用书籍和其他两类图像集，如附图5所示。
[0053]
步骤e2，对颜色参考图像集中的任意图像，提取其色卡，如图4所示，图4包括9种不同深度，不同颜色的配色，包括主要颜色和8种浅色，如图5所示，附图由于无法采用彩色附图，无法显现。主要颜色c
m0
(即画面中所占像素个数最多的颜色)，并对色卡中的浅色聚类，划分出n种不同的颜色生成color map cs＝{c
s1
,c
s2
,...,c
sn
}(n＝2q，q为任意正整数)分别代表n种不同的q比特二进制信息；
[0054]
此例将色卡中的浅色分为8种颜色，即
[0055]cs
＝{c
s1
,c
s2
,c
s3
,c
s4
,c
s5
,c
s6
,c
s7
,c
s8
}，各颜色分别代表三位二进制序列，即分别代表{000,001,...,111}。
[0056]
步骤e3，处理秘密信息s，将其转化为二进制序列s
bin
，以8bits为单位分段，即s
bin
＝{s
b1
,s
b2
,...,s
bn
}，各段内二进制序列均同数字图像的不同属性相映射；
[0057]
本例中取数字图像中图案的轮廓属性和颜色属性作为信息隐藏对象，对于各二进制信息段s
bk
，划分为轮廓隐藏信息序列及颜色隐藏信息序列。假设隐藏信息为s＝{'第九金！#杨倩杨皓然气步枪混团夺冠#'}，将其转化为二进制序列后以8bits分段得到34段8bit二进制序列，即s
bin
＝{s
b1
,s
b2
,...,s
b34
}，其中各段s
bk
被分为镜像与否、图案集选择、图案轮廓及填充颜色四部分，其中图案轮廓和填充颜色各代表3bits信息，即s
bk
＝[s
bk1
,s
bk2
,s
bk3～5
,s
bk6～8
]。
[0058]
步骤e4，用步骤e2中提取的颜色c
m0
及c
s1
～c
sn
为背景图像填色，生成彩色背景图像，如图7所示，图7为图3黑白配色填充了图5中配色后的彩色背景图像；
[0059]
于此例，在rgb色彩空间中以50为区间将“自习室”场景中的五种灰色{g
g1
,g
g2
,g
g3
,g
g4
,g
g5
}划分为不同区域填充不同种类颜色，为丰富图像视觉效果，其中不为g
g1
和g
g5
划分区域，灰色g
g2
,g
g3
,g
g4
分别划分为人物服饰颜色、平面区域及立面区域。
[0060]
步骤e5，在彩色背景图像中嵌入半脆弱水印；
[0061]
应用一种基于图像内容的半脆弱水印，对彩色背景图像ycbcr颜色空间中y通道的dwt域二级ll2系数进行sobel边缘检测获取水印x，并由此检测结果根据公式
[0062][0063]
修改ll2小波系数，其中ai和ai′
分别为水印嵌入前后的小波系数，x为水印比特，sw为自适应水印强度，水印嵌入后再经两次小波逆变换即可获得含水印彩色背景的y颜色通道图像；
[0064]
步骤e6，根据步骤e3中的秘密信息序列s
bk
＝[s
bk1
,s
bk2
,s
bk3～5
,s
bk6～8
]，按照s
bk2
选择图案来源，即图案集0或图案集1，从对应小图案集中选取s
bk3～5
对应的小图案，如图6所示中，上：图案集0，下：图案集1。根据s
bk1
决定其是否需要对其进行镜像操作；根据二进制序列s
bk6～8
选择相应的颜色c
sk
为小图案填充颜色。将彩色小图案按序“粘贴”在步骤e5生成的含水印彩色背景图像的相应位置上，其中为满足生成图像视觉效果需对部分小图案进行插值扩增运算。
[0065]
步骤e7，重复步骤e6直至秘密信息全部隐藏或背景图像中再无可隐藏信息位置，由此生成含密彩色图像p，如图8所示，保存并发送至信道传输。
[0066]
所述步骤b还包括以下步骤：
[0067]
如图2所示，接收端首先提取各含密小图案，分析各图案轮廓及颜色属性，提取秘密信息。
[0068]
步骤d1，对接收到的含密彩色图像的y颜色通道进行半脆弱水印检测，即经过两次小波变换获得ll2系数，对其进行sobel边缘检测获得重构水印x
′
，再根据公式。
[0069][0070]
提取“粘贴”过小图案后的水印比特，获得篡改检测图，其中a
′
(i)为嵌入水印后y通道的ll2系数，为提取出的水印比特，对比重构水印x
′
和篡改检测水印不同区域即为含密小图案所在区域，即找到含密小图案所在位置，如图9所示。
[0071]
步骤d2，对接收到的含密图像p
′
进行边缘检测，生成与含密图像等大的二值图像pb′
。
[0072]
步骤d3，提取含密图像p
′
中所占像素个数最多的颜色作为主要颜色用该颜色替换轮廓颜色及其他干扰颜色，获得替换颜色后的彩色图像pc′
。
[0073]
步骤d4，根据步骤d1的定位提取图像pb′
和pc′
的相应位置子图像，获得各小图案的二值轮廓子图像和彩色子图像，如图9和图10所示。
[0074]
步骤d5，将步骤d4中提取出的二值小图案对照小图案集bwmap进行模板匹配，并在colormap中搜寻步骤d4中提取出的彩色小图案的颜色，提取各小图案轮廓及颜色的二进制隐藏比特信息。
[0075]
以小图案pk′
为例，根据检测到小图案p
bk
′
最小外接矩形的长宽比例判断该小图案所来自的小图案集，且由此提取出秘密比特s
bk2
，对照相应小图案集判断该图案轮廓所代表二进制比特s
bk3～5
和镜像属性所代表信息比特s
bk1
；对照小图案p
ck
′
内出现次数最多的颜色
及颜色c
s1
～c
sn
，提取颜色所代表的二进制比特序列s
bk6～8
，由此即提取出该小图案所隐藏的所有秘密二进制比特序列s
bk
＝[s
bk1
,s
bk2
,s
bk3～5
,s
bk6～8
]。
[0076]
其中小图案边缘轮廓隐藏信息的提取，即在空间域将检测出的各含密小图案作为模板，使用模板在小图案集bwmap中寻找与模板匹配的区域，根据bw map中的区域位置信息获得秘密信息。此过程中基于相关的图像模板匹配过程类似于滤波过程，设图像f(x,y)的大小为m
×
n和模板子图像w(x,y)的大小为j
×
k,则f与w的相关表示为：
[0077][0078]
其中，x＝0,1,2,...,n-k，y＝0,1,2,...,m-j，计算相关c(x,y)的过程就是在图像f(x,y)中逐像素地移动模板子图像w(x,y)的原点像素，在每一次移动的过程中计算每个像素位置的相关。对上式的向量表达式进行归一化后如下式所示：
[0079][0080]
步骤d6，串联小图案所隐藏的所有二进制比特序列，由于隐藏信息内容超出图像可隐藏信息量范围，故经二进制逆变换获得含密图像所隐藏的部分秘密信息，即s
′
＝{'第九金！#杨倩杨皓然气'}。
[0081]
现有的隐写技术大多通过修改已有的数字载体，将秘密信息嵌入其中实现隐蔽通信，但是不断发展的隐写分析技术始终是该类信息隐藏方法的主要威胁之一。本发明通过结合计算机绘图和无载体信息隐藏的概念，在不存在预先给定数字载体的情况下，以秘密信息自身为驱动，选取相应素材构造含密载体图像，即将秘密信息与数字图像的不同属性相映射，结合简单的场景背景图像和图案元素构造出隐藏有秘密信息的、内容丰富的彩色计算机绘图作品作为含密载体。
[0082]
实施例中生成的“自习室”场景经质量因子为75的jpeg算法压缩后存储作为含密载体，其中共“粘贴”有22个彩色小图案，共隐藏了176bits二进制信息。对存储图像进行信息提取可准确提取出隐藏的秘密信息。
[0083]
与现有的基于图像的隐写技术相比，本发明通过构造含密载体图像本身而非修改已有载体图像的方式，使构造出的含密彩色图像在信道传输的过程中避免遭受隐写分析技术检测，具有抵抗隐写分析的能力，提高了含密载体的隐蔽性。并且，本发明生成的含密图像具有一定的抗压缩性能，可在jpeg压缩后依旧准确提取隐藏信息，于当前网络环境而言其使用场景具有一定的广泛性。
[0084]
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。