[发明专利]一种基于矢量量化的可逆信息隐藏和提取方法

摘要

一种基于矢量量化的可逆信息隐藏和提取方法，属于可逆信息隐藏技术领域，包括发送端对图像进行矢量量化后的索引表进行再压缩和嵌入秘密信息和接收端对秘密信息的提取和对图像及其索引表的恢复。发送端：首先对图像进行矢量量化后得到索引表，将索引表中的索引分为种子索引和剩余索引，然后利用索引之间的相关性以及创建分层的状态码书对索引表中的剩余索引进行再压缩以获得空间嵌入秘密信息；接收端：对接收到的码流，首先恢复种子索引，然后根据标识位恢复剩余索引以及所嵌入的秘密信息，最后根据恢复后的索引表利用矢量量化解码得到图像。本发明的优点是可有效地增加秘密信息的嵌入容量，降低压缩率和提高嵌入率。

主权项

1.一种基于矢量量化的可逆信息隐藏和提取方法，包括发送端对图像的矢量量化编码所得到的索引表的再压缩及秘密信息隐藏、接收端对图像和索引表的恢复及秘密信息的提取，其特征在于具体操作步骤如下：Ⅰ、发送端对图像压缩和信息隐藏，包括下列步骤：(1)、应用矢量量化VQ对图像进行编码得到索引表，编码过程包括如下步骤:(1.1)、所用Linde‑Buzo‑Gray算法训练一个长度为n的码书C，n＝256；(1.2)、读入一幅U×V大小的图像I，将其分为互不重叠的4×4大小的图像；(1.3)、将每个图像块按从左到右，从上到下的顺序扫描形成一个16维的向量X，在VQ码书C中找到与之欧氏距离最近的码字Ci，其索引i被用来编码当前图像块并添加到对应位置的索引表中，搜索最小欧氏距离码字的方式为：Ci＝argmin|X‑Cj|2,j＝1,2,3,…,n；(1.4)、重复(1.3)中步骤，对所有的图像块进行编码，最后得到完整的索引表T；(2)、随机产生二进制比特流S＝{s1,s2,…,sm}作为秘密信息；(3)、对索引表T再压缩并嵌入秘密信息S，具体过程如下：(3.1)、将索引表T中的最上一行和最左一列的索引记为种子索引，除去种子索引剩下的索引记为剩余索引；(3.2)、顺序读取剩余索引中的一个索引VX记为当前索引，且分别使用VU和VL表示VX的相邻的上索引和左索引；(3.3)、将当前索引VX转换为8位二进制数，表示为(a0a1…a7)，考虑以下三种情况，对索引表T再压缩和嵌入秘密信息：(3.3.1)、如果VX＝VU，则a0a1被替换为00，同时在二进制比特流S中顺序读取未被隐藏的6位秘密信息s1,s2,…,s6替换a2a3…a7；(3.3.2)、如果VX≠VU，而VX＝VL，则被替换为01，同时在二进制比特流S中顺序读取未被隐藏的6位秘密信息s1,s2,…,s6替换a2a3…a7；(3.3.3)、如果VX≠VU并且VX≠VL，则应用下述的分层状态码书的构建和映射编码VX并嵌入秘密信息；(3.3.3.1)、构建分层状态码书，步骤如下：(3.3.3.1.1)、对于当前索引VX，如果VX≠VU并且VX≠VL，则其上索引VU和左索引VL经过矢量量化解码得到对应的图像块U′＝{u′1,u′2,…,u′16}和L′＝{l′1,l′2,…,l′16}；(3.3.3.1.2)、提取索引VX对应图像块X′的边缘匹配信息SM＝{x′1,x′2,x′3,x′4,x′5,x′9,x′13}，匹配计算如下：x′1＝(l′4+u′13)/2，x′2＝u′14，x′3＝u′15，x′4＝u′16，x′5＝l′8，x′9＝l′12，x′13＝l′16   (1)(3.3.3.1.3)、计算边缘匹配信息SM＝{x′₁,x′₂,x′₃,x′₄,x′₅,x′₉,x′₁₃}与码书中每个码字之间的欧式距离，欧式距离计算公式为：EDk＝|SM‑Ck|2,k＝1,2,…,n；   (2)(3.3.3.1.4)、根据欧氏距离EDk从小到大，将矢量量化码书中的索引值重新排列，得到状态码书SC；将状态码书SC分为三层，第一层和第二层分别包含8个索引值，第三层包含240个索引值，最后得到分层状态码书HC；(3.3.3.2)、查找当前索引值VX在分层状态码书HC中的位置，并根据位置信息考虑以下三种情况：(3.3.3.2.1)、如果VX位于第一层，首先添加标志位为10，即a0a1被替换为10，然后，a2a3a4被VX所在第一层中对应索引的3位二进制数替换，并且将a5a6a7替换为3位秘密信息s1s2s3；(3.3.3.2.2)、如果VX位于第二层，首先添加标志位为110，即a0a1a2被替换为110，然后，a3a4a5被VX所在第二层中对应索引的3位二进制替换，并且将a6a7替换为2位秘密信息s1s2；(3.3.3.2.3)、如果VX位于第三层，添加标志位为111，a0a1a2a3a4a5a6a7不变，把标志位添加到前面，即111a0a1a2a3a4a5a6a7，不嵌入秘密信息；(3.4)、重复步骤(3.2)和步骤(3.3)直到所有剩余索引被编码和嵌入秘密信息后，输出携带秘密信息的码流BS；(3.5)、将码流BS和种子索引发送到接收端；Ⅱ、接收端对索引表恢复和秘密提取，包括下列步骤：1)、创建一个大小为(U/4)×(V/4)的空索引表，将接收到的种子索引按顺序放入空索引表的最上一行和最左一列；2)、对索引表中剩余索引进行渐进恢复和提取秘密信息，首先顺序读取码流BS中的2比特，并考虑以下四种情况：2.1)、如果读取的2比特为“00”，则当前解码的索引等于其相邻上方的索引值，用索引值VU恢复当前索引VX，并提取余下码流中的6比特为秘密信息；2.2)、如果读取的2比特为“01”，则当前解码的索引等于其相邻左方的索引值，用索引值VL恢复当前索引VX，并提取余下码流中的6比特为秘密信息；2.3)、如果读取的2比特为“10”，则当前解码的索引位于分层状态码书的第一层，建立分层状态码书并读取接下来3比特，此3比特索引在第一层中对应的值用来解码当前索引VX，并提取接下来的3比特为秘密信息；2.4)、如果读取的2比特为“11”，则建立分层状态码书并读取接下来的1比特，考虑以下两种情况：2.4.1)、如果读取的1比特为“0”，则当前解码的索引位于分层状态码书的第二层，读取接下来3比特，此3比特索引在第二层中对应的值用来解码当前索引VX，并提取接下来的2比特的秘密信息；2.4.2)、如果读取的1比特为“1”，则当前解码的索引没有改变，即没有嵌入秘密信息，读取接下来的8比特以恢复当前索引VX；3).重复步骤2)，直到恢复所有索引得到完整索引表T并提取所有秘密信息S；4).应用矢量量化解码所得到的索引表T恢复图像I：4.1)、读入完整索引表T和矢量量化码书C；4.2)、根据图像块的索引i在码书C中查找对应的16维码字Ci，然后按照顺序恢复图像块；4.3).重复步骤4.2)，对所有的图像块进行解码，最后得到恢复后的图像I。