周晨茜， 劉 淵

(江南大學 數(shù)字媒體學院，江蘇 無錫 214122)

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可逆數(shù)據(jù)隱藏算法在衛(wèi)星遙感圖像上的應(yīng)用*

周晨茜， 劉 淵

(江南大學 數(shù)字媒體學院，江蘇 無錫 214122)

針對衛(wèi)星遙感圖像受環(huán)境因素影響導致圖像對比度下降，以及現(xiàn)有可逆信息隱藏算法嵌入容量低等問題，提出一種新的可逆數(shù)據(jù)隱藏算法，實現(xiàn)在遙感圖像安全傳輸?shù)耐瑫r增強圖像的對比度。算法為了提高嵌入率，改進已有算法的嵌入方式，同時在信息嵌入的過程中，逐步增強衛(wèi)星遙感圖像的對比度。實驗結(jié)果表明：提出的算法和一些典型可逆數(shù)據(jù)隱藏。

可逆數(shù)據(jù)隱藏； 衛(wèi)星遙感圖像； 直方圖平移； 圖像對比度； 嵌入率

0 引 言

近些年，我國航天事業(yè)的迅速發(fā)展，空間數(shù)據(jù)傳輸需求不斷增多，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)方面的研究相繼開展。如今衛(wèi)星遙感技術(shù)在理論、技術(shù)和應(yīng)用方面都得到了飛速發(fā)展，特別是伴隨著新型傳感器不斷涌現(xiàn)。不過某些特殊的遙感衛(wèi)星對數(shù)據(jù)傳輸安全性的要求越來越高，信息隱藏技術(shù)逐漸在衛(wèi)星通信中加以應(yīng)用，以提高衛(wèi)星通信的安全性。

當前關(guān)于衛(wèi)星遙感圖像和信息隱藏相結(jié)合的研究較少。文獻[1]首次將信息隱藏技術(shù)引入到衛(wèi)星通信領(lǐng)域，提出了以衛(wèi)星遙感圖像作為信息隱藏的載體，在遙感圖像中嵌入秘密信息，達到安全通信的目的。但是該方法在信息嵌入的時候造成了原始圖像不可逆轉(zhuǎn)的改變，且不能無損恢復載體圖像，這將導致某些珍貴的衛(wèi)星遙感圖像無法完整地恢復。因此，將可逆數(shù)據(jù)隱藏技術(shù)應(yīng)用于衛(wèi)星遙感圖像顯得很有必要。文獻[2]提出了一種基于直方圖修改技術(shù)的衛(wèi)星遙感圖像無損隱藏傳輸方法，將低速率數(shù)據(jù)嵌入到原始高速率遙感載體圖像中，提高了衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的利用率，增強了數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾[蔽性。文獻[3]提出一種基于整數(shù)離散余弦變換域的魯棒無損數(shù)據(jù)隱藏算法，使隱藏算法能夠抵抗壓縮攻擊。考慮到衛(wèi)星遙感圖像受傳統(tǒng)航空攝影技術(shù)以及其它各種噪聲的影響，造成遙感圖像圖質(zhì)有所退化。為了改善衛(wèi)星遙感圖像的視覺效果，需要對遙感圖像進行對比度增強處理。本文提出一種基于直方圖平移的可逆數(shù)據(jù)隱藏算法，其在嵌入信息的同時增強圖像的對比度，以改善圖像的視覺效果。

可逆信息隱藏[4～9]是近幾年信息隱藏領(lǐng)域的研究熱點。對于大多數(shù)的信息隱藏技術(shù)而言，信息嵌入的同時會導致載體產(chǎn)生永久的失真，即便提取信息也不能無損地恢復原始載體，屬于有損信息隱藏技術(shù)。但在一些重要的應(yīng)用場合，如醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域，載體對象的失真將造成載體失去原有價值，甚至造成嚴重的后果。與有損隱藏不同的是，可逆信息隱藏雖然在嵌入信息時造成了載體的失真，但其提取信息后可以無損地恢復原始載體。

文獻[4]提出了一種基于直方圖平移的可逆數(shù)據(jù)隱藏算法，其在數(shù)據(jù)嵌入的同時增強圖像的對比度，改善了圖像的視覺效果。針對衛(wèi)星遙感圖像的特征，本文對文獻[4]中的算法提出了兩點重要的改進。衛(wèi)星遙感圖像范圍很遼闊，數(shù)據(jù)量較大，對可逆數(shù)據(jù)隱藏技術(shù)的嵌入量有更大要求。首先改變文獻[4]的嵌入方式，提高嵌入容量。其次，考慮到遙感圖像結(jié)構(gòu)豐富，區(qū)域內(nèi)有些平坦，有些紋路結(jié)構(gòu)較為復雜。針對這一狀況，本文首先對圖像的復雜度分類，再使用可逆數(shù)據(jù)隱藏技術(shù)進行水印操作，進一步提高遙感圖像的隱蔽性。

1 可逆數(shù)據(jù)隱藏

直方圖平移方法是一種常用的可逆數(shù)據(jù)隱藏算法，具有嵌入容量大、操作簡單等優(yōu)點。文獻[4]提出的基于直方圖平移的可逆數(shù)據(jù)隱藏算法原理如下：給定一幅圖像，首先生成其像素直方圖。對于直方圖上中值點位置的兩個像素值，按照位置順序依次指定為ML和MR。在數(shù)據(jù)嵌入時，中值點位置保持不變，兩側(cè)像素值向外側(cè)平移，利用其間產(chǎn)生的空缺以達到數(shù)據(jù)嵌入的目的，嵌入過程如圖1所示。對于直方圖中值點像素值Mi，嵌入的具體公式如式(1)所示

(1)

圖1 直方圖中值點嵌入數(shù)據(jù)Fig 1 Histogram median point embedding data

2 改進的可逆數(shù)據(jù)隱藏算法

2.1 新隱藏策略

為了提高數(shù)據(jù)的嵌入率，本文改進文獻[3]中數(shù)據(jù)嵌入方式，選擇直方圖的兩個峰值點進行數(shù)據(jù)嵌入。為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可逆恢復，每次對嵌入的峰值點進行標記。數(shù)據(jù)格式包括定位圖信息、載荷信息和密鑰信息，詳細格式如圖2所示。

圖2 RDH算法的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Fig 2 Data structure of RDH algorithm

峰值點嵌入的原理如下：首先選擇直方圖中的峰值點(即像素數(shù)目最多的兩個像素值)，按照直方圖上兩個峰值的左右次序依次指定為PL和PR，嵌入過程如圖3所示。對直方圖峰值點像素值Pi進行數(shù)據(jù)嵌入具體公式如公式(2)所示

(2)

圖3 直方圖峰值點嵌入數(shù)據(jù)Fig 3 Histogram peak point embedding data

2.2 溢出處理

可以看出在經(jīng)過上述像素值變換后，像素值可能改變的范圍為-1～+1。如果圖像中存在邊界像素值0或255，將會發(fā)生溢出。因此需要對圖像進行溢出處理，修改邊界像素值。假設(shè)要做T次(T為嵌入層數(shù))變換，像素值的最大改變量為T，為了解決溢出問題，將圖像像素直方圖兩邊小于T (或大于255-L) 的像素平移T個單位來防止像素溢出。預處理方法如下

(3)

為了記住預處理的像素值，生成一幅與原始圖像相同大小的二值圖像，定位圖中用二進制值1來記錄修改過的像素值，0記錄沒有修改過的像素值。定位圖在預處理時計算，并使用JBIG2[10]進行無損壓縮。在數(shù)據(jù)嵌入時，壓縮后的定位圖隨隱藏信息嵌入，在提取信息時獲得壓縮的定位圖，解壓縮后即可識別出預處理時被修改過的像素點。

2.3 載體圖像選取

可逆數(shù)據(jù)隱藏應(yīng)用于衛(wèi)星遙感系統(tǒng)，首先要選擇合適的圖像作為載體圖。因為衛(wèi)星遙感圖像一般篇幅較大，結(jié)構(gòu)復雜度不盡相同，并不是每一張遙感圖像都適合作為隱藏的載體。所以首先計算圖像的復雜度，只選擇復雜度高的圖像作為載體圖像。

本文選擇文獻[1]中提出的灰度圖像復雜度計算方法，其實現(xiàn)原理主要如下：首先對圖像A(行數(shù)和列數(shù)分別為r和c)進行傅立葉變換得F，以及頻譜結(jié)果(u,v)，然后將F(u,v)置為0，即F(0,0)=0，分別獲得F(u,v)的虛部I和實部R，接著根據(jù)式(4)計算其量化數(shù)B

(4)

將實部R和虛部I量化成B份，并計算實部和虛部譜值的直方圖HR和HI，然后對 HR和HI進行曲線擬合，擬合公式如式(5)所示

y=agexp(-((x-b)/σ)2)

(5)

通過擬合獲得σR,σI,應(yīng)用式(6)計算圖像的復雜度

C(A)=(σR+σI)/2

(6)

文獻[1]將圖像分成64×64的分塊，選擇合適的嵌入分塊，本文將其應(yīng)用在整幅圖像中，選擇適合的圖像作為負載圖像。衛(wèi)星通信安全變的日益嚴格，選擇合適的載體圖像，再使用可逆數(shù)據(jù)隱藏算法嵌入數(shù)據(jù)，加倍提高嵌入信息的隱蔽性。

2.4 算法總流程

所提算法的流程如下(假定算法要做T次變換)：

1)給定一幅圖I，按照式(4)、式(5)和式(6)計算圖像的復雜度，與理想的復雜度Cideal比較，比較結(jié)果輸出為真，則該圖像為合適的圖像，可作為載體圖像。

2)采用式(3)對選取的載體圖像進行預處理；

3)找出直方圖中兩個峰值，按照左右次序依次標記為PL和PR,對每一個像素值應(yīng)用式(2)進行數(shù)據(jù)嵌入；

綜上，對法律監(jiān)督介入民事訴訟的憂慮被無端地擴大了，擴大的原因一是基于審判權(quán)優(yōu)位的理論路徑依賴；二是缺少對審判權(quán)、檢察權(quán)運行的實踐考量。事實上，民事訴訟中法律監(jiān)督并沒有形成如學者所說的“檢察優(yōu)勢”［1］378，相反，由于程序的缺失，其正處于比較尷尬的境地。

4)重復步驟(3)，進一步從修改的直方圖中選取峰值以及峰值標記位進行數(shù)據(jù)嵌入，直到T組數(shù)據(jù)全部嵌入；

5)當最后一次處理時，將T、壓縮定位圖的長度和第T次的峰值點標記，應(yīng)用式(1)嵌入到直方圖的中間點位置。

提取和恢復過程如下所示：

1)獲取水印圖像,I′的直方圖。

2)用如下提取公式獲取嵌入信息

(7)

3)提取嵌入數(shù)據(jù)后，應(yīng)用如下公式恢復直方圖

(8)

通過峰值點標記依次進行每一層的恢復，重復運用式(7)和式(8)可以提取所有的隱藏的嵌入信息。

4)得到定位圖的長度信息后，將定位圖提取并解壓縮還原。

5)對于預處理過程中修改的像素值，如果小于128,則減去T;否則,增加T。最終，原始圖像得到完全恢復。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 嵌入率

嵌入率ER常用來作為評價數(shù)據(jù)隱藏效果的一種衡量方式。在一般的可逆信息隱藏方法中會產(chǎn)生一些附加信息。其中，總載荷即信息隱藏時嵌入的總比特數(shù)，而有效載荷是指實際嵌入量減去附加信息量。有效載荷為pur表示為

pur=C-Hs

(9)

式中 C為嵌入總?cè)萘?，Hs為附加信息。對于圖像IM×N純嵌入率可以表示為

(10)

3.2 對比度實驗

為了校驗本文算法嵌入數(shù)據(jù)后的視覺效果，對復雜度較好的兩幅測試圖執(zhí)行嵌入操作，圖像尺寸為512×512，設(shè)置嵌入層數(shù)T為10時隱藏數(shù)據(jù)，獲得水印圖像。測試結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 城市圖Fig 4 City image

圖5 氣象圖Fig 5 Meteorological image

由圖4和圖5可以看出，原始圖像嵌入信息后，水印圖像對比度明顯增強，細節(jié)可見性更好，且可無損恢復載體圖像。

進一步驗證算法的對比度效果，實驗得到圖片的灰度直方圖，如圖6所示。其中，水印圖像直方圖與原始圖像直方圖相比，圖像中像素個數(shù)多的灰度級不斷展寬，直方圖逐漸均衡化。原始圖像的灰度直方圖從比較集中的某個灰度區(qū)間變成在全部灰度范圍內(nèi)的近似均勻分布，這樣就增加了像素灰度值的動態(tài)范圍，從而達到增強圖像整體對比度的效果，使圖像更加清晰。

3.3 與其他算法的隱藏容量比較

為了驗證本文算法在嵌入率方面的提高。本文采用USC-SPI圖像集作為原始載體，單層嵌入的情況下，與幾個典型可逆數(shù)據(jù)隱藏算法：Ni算法[6]、Lin算法[7]、Tai算法[8]和文獻[4]中算法作比較。從表1中數(shù)據(jù)可以看出，本文算法在嵌入容量方面優(yōu)于其他算法。

接著比較在多層嵌入時，本文算法和文獻[4]隱藏容量的對比情況，如表2所示。通過觀察表2中數(shù)據(jù)可以看出，本文算法在嵌入層數(shù)T設(shè)置為10，20和30時，分別相較于文獻[4]算法，嵌入率確實存在提高，特別是F—16圖像，算法嵌入率近乎多倍增長。

圖6 城市直方圖Fig 6 City histogram

測試圖像(512×512)Ni算法PurER Lin算法PurER Tai算法PurER 文獻[4]算法PurER 本文算法PurERLena32040.012314770.120258410.099258980.099267380.102Airplane94400.036466180.178452990.173468690.179602930.232Boat57960.022190070.073149470.057210020.080267390.102Baboon31840.012112790.04396060.037193320.074204470.078Pepper31700.012264120.101204210.078265120.101286900.109

表2 不同嵌入層數(shù)下算法嵌入率比較

本文算法在多層嵌入時，每次選擇峰值點嵌入數(shù)據(jù)，雖然峰值點標記占據(jù)一定隱藏容量，不過附加信息量很小，相比于嵌入數(shù)據(jù)，容量可以忽略不計。實驗結(jié)果表明，本文算法改進文獻[4]中數(shù)據(jù)嵌入方式后，確實提高了算法嵌入率，增強了數(shù)據(jù)隱藏的能力。

進一步測試不同的嵌入層數(shù)T值對數(shù)據(jù)嵌入率的影響，選取T={15,20,25,30,35,40}，對比結(jié)果如圖7所示。由圖可以看出，嵌入率基本上隨著T的增大而提高。不過不推薦T取過大的數(shù)值而獲得更多的嵌入率。因為隨著的T的增大，產(chǎn)生視覺失真的概率也就越大，經(jīng)過大量實驗，發(fā)現(xiàn)T在 20～35之間取值較好，不僅圖像對比度增強效果較好，還擁有可觀地嵌入率。

圖7 嵌入率與嵌入層數(shù)關(guān)系圖Fig 7 Relationship between embedding rate and embedding layer numbers

4 結(jié)束語

從提高載體圖像嵌入率和改善隱蔽圖像視覺效果兩方面出發(fā)，針對基于衛(wèi)星遙感圖像為載體的隱秘傳輸，提出了一種新的可逆數(shù)據(jù)隱藏方案，不僅在嵌入容量上有很好的優(yōu)勢，而且在嵌入數(shù)據(jù)的同時還增強了圖像對比度。人們知道，可逆數(shù)據(jù)隱藏技術(shù)是當今信息安全領(lǐng)域的一個研究熱點，今后的工作將致力于改善衛(wèi)星圖像感興趣區(qū)域的視覺效果。

[1] 馮新崗,周 詮.基于圖像復雜度分類的衛(wèi)星遙感圖像信息隱藏[J].宇航學報,2010,31(7):1850-1854.

[2] 李曉博,周 詮.基于直方圖修改的衛(wèi)星遙感圖像無損隱藏傳輸[J].宇航學報,2013,34(5):686-692.

[3] 朱厲洪,周 詮.衛(wèi)星遙感圖像的魯棒無損數(shù)據(jù)隱藏傳輸算法[J].宇航學報,2015,36(3):315-323.

[4]WuHT,LiuY,ShiYQ.Digital-Forensicsandwatermar-king[M].Berlin:Springer,2014:289-301.

[5]HonsingerCW,JonesPW,RabbaniM,etal.Losslessrecoveryofanoriginalimagecontainingembeddeddata:US，6,278,791[P].2001—08—21.

[6]NiZ,ShiYQ,AnsariN,etal.Reversibledatahiding[J].IEEETransactionsonCircuitsandSystemsforVideoTechnology,2006,16(3):354-362.

[7]LinCC,HsuehNL.Alosslessdatahidingschemebasedonthree-pixelblockdifferences[J].PatternRecognition,2008,41(4):1415-1425.

[8]TaiWL,YehCM,ChangCC.Reversibledatahidingbasedonhistogrammodificationofpixeldifferences[J].IEEETransactionsonCircuitsandSystemsforVideoTechnology,2009,19(6):906-910.

[9] 高鐵杠,顧巧論.一種大容量的圖像可逆信息隱藏算法[J].光電子·激光,2008,19(5):663-666.

[10]HowardPG,KossentiniF,MartinsB,etal.TheemergingJBIG2standard[J].IEEETransactionsonCircuitsandSystemsforVi-deoTechnology,1998,8(7):838-848.

Application of reversible data hiding algorithm in satellite remote sensing image*

ZHOU Chen-xi, LIU Yuan

(School of Digital Media，Jiangnan University，Wuxi 214122,China)

Aiming at problem that environmental factors influence on satellite remote sensing images and lead to image contrast decrease,and the existing reversible information hiding algorithm has low embedding capacity,a new reversible data hiding algorithm is proposed for image contrast enhancement and secure transmission.In order to improve the embedding rate,change the way of embedding,and gradually increase the contrast of satellite remote sensing images in process of embedding information.Experimental results show that the proposed algorithm has larger capacity and improve visual effect of image while comparing with typical reversible data hiding algorithm.

reversible data hiding； satellite remote sensing image; histogram shift； image contrast; embedding rate

10.13873/J.1000—9787(2016)12—0152—04

2016—03—02

國家自然基金青年基金資助項目(61100169)；江蘇省自然科學基金面上資助項目(BK20151131)

TP 309.2

A

1000—9787(2016)12—0152—04

周晨茜(1992-)，女，安徽蚌埠人，碩士研究生，研究方向為圖像處理和信息安全。