CN101006450A - 基于整数小波扩展频谱的可逆数据隐藏系统和方法 - Google Patents

基于整数小波扩展频谱的可逆数据隐藏系统和方法 Download PDF

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Abstract

公开了一种系统和方法，其包括：将原始像素域图像进行整数小波变换(IWT)以获得IWT系数矩阵；选择多个IWT系数用于将信息结合于其中；以及根据多个相应数据位的位值为多个所选IWT系数设置符号。该系统和方法还可包括：将标记的像素域图像进行整数小波变换以获得小波系数矩阵；从包含嵌入信息的矩阵中选择多个系数；以及对于每一所选系数，提取嵌入在系数中的数据位，提取的数据位的位值基于该系数的符号而确定。

Description

基于整数小波扩展频谱的可逆数据隐藏系统和方法
背景技术
近几年来数据隐藏成为加强的研究领域。在数据隐藏过程中，大多数多媒体数据隐藏技术修改覆盖介质并因此使覆盖介质失真。即使失真通常很小且人类视觉系统(HVS)不可觉察，但通常不能完全恢复原始覆盖介质。换言之，这些数据隐藏技术大多数不可逆，对某些敏感应用，如法律和医学图像，是不可接受的。
对于法律、医学和其他敏感应用，需要可逆数据隐藏以提取嵌入的数据并恢复原始主体信号。最近几年，可逆(通常也称为可反转、无损或无失真)数据隐藏成为非常活跃的研究主题。报道了很多可逆数据隐藏方案，如以下标号1-11的文档。
在以下文档[2]和[8]中，利用模-256加法避免上溢和下溢并因此获得可逆性。Fridrich et al.[3]提出的方案在空间域无损地压缩位平面并因此节约空间以嵌入净荷(要嵌入的数据)和开销(簿记(bookkeeping)数据)来实现可逆数据隐藏。由于在空间域能实现的很有限的压缩率，该技术的净荷很小。基于此，Celic et al.[6]提出了空间域的通用最低有效位平面(GLSB)嵌入技术。因为其中使用了更有效的压缩技术因此大大改进了嵌入数据的净荷和不可觉察性。Domingo-Ferrer et al.[5]提出了一种空间域扩展频谱数据隐藏方法。但是，它仅对原始主体信号的修改版本是可逆的。Xuan et al.[7]提出了一种实现在整数小波变换(IWT)域的可逆数据隐藏算法。
Tian[10]使用差值扩张技术嵌入数据，产生一种关于数据嵌入容量相对标记图像的视觉质量的改进的可逆数据隐藏方法。Yang et al.[11]提出了一种使用压扩技术的可逆数据隐藏技术。该技术在离散余弦变换(DCT)系数中嵌入数据。
发明内容
根据一个方面，本发明提供了一种基于整数小波扩展频谱和直方图修改的可逆数据隐藏的方法。在一个实施例中，数据嵌入在整数小波变换的高频子波段系数中。伪位也被嵌入，这样，不适合嵌入信号位的系数可为解码器做标记，无需图示哪些系数嵌入了信号位以及哪些嵌入了伪位。这优选地提高了数据隐藏效率。
为了防止上溢和下溢，可采用有效的直方图修改方法。一些常用图像上的实验结果表明，与现有可逆数据隐藏方案相比，此处公开的方法对于数据嵌入容量和标记图像的视觉质量具有较高的性能。
根据一个方面，本发明提供了一种方法，包括：将原始像素域图像进行整数小波变换(IWT)以获得IWT系数矩阵；选择多个IWT系数用于将信息结合于其中；以及根据多个相应数据位的位值为多个所选IWT系数设置符号，于是将相应数据位结合到多个IWT系数中。优选地，所述选择包括：在IWT系数矩阵的至少一个频率子波段中选择IWT系数。优选地，所述至少一个频率子波段包括从以下组成的组中选择的至少一个频率子波段：HL子波段、LH子波段和HH子波段。优选地，所述设置包括：基于多个相应数据位的位值为多个所选IWT系数中每一个建立正符号和负符号之一。优选地，所述设置至少包括下列之一：如果该系数的对应数据位的位值是1和0之一，则使每一系数的符号为正；以及如果该系数的对应数据位的位值是1和0中另一个，则使每一系数的符号为负。
优选地，所述方法还包括：在设置之前使原始图像的直方图变窄(narrowing)。优选地，所述方法还包括：用簿记数据记录直方图的变窄；以及将簿记数据嵌入所述图像中。
根据另一方面，本发明提供一种包括在软件程序的指令下运行的处理器的装置，所述软件程序使所述装置执行动作，包括：将原始像素域图像进行整数小波变换(IWT)以获得IWT系数矩阵；选择多个IWT系数用于将信息结合于其中；以及根据多个相应数据位的位值为多个所选IWT系数设置符号，于是将对应数据位结合到多个IWT系数中。
根据又一方面，本发明提供一种包含软件程序的存储介质，所述软件程序能使包括在所述软件程序的指令下运行的处理器的装置执行动作，包括：将原始像素域图像进行整数小波变换(IWT)以获得IWT系数矩阵；选择多个IWT系数用于将信息结合于其中；以及根据多个相应数据位的位值为多个所选IWT系数设置符号，于是将对应数据位结合到多个IWT系数中。
根据又一方面，本发明提供一种方法，包括：将原始像素域图像进行整数小波变换(IWT)以获得原始IWT系数矩阵；选择多个原始IWT系数用于将数据嵌入其中；为所述多个原始系数建立移位值；对应所述多个原始系数中每一个建立多个符号因数；以及对于每个原始系数，建立标记的系数，所述标记的系数对应于原始系数，且对应于对应原始系数的所述符号因数，所述标记的系数设置为等于原始系数值加上a)对应原始系数的所述符号因数和b)所述移位值的乘积。
优选地，建立所述移位值包括：选择所述移位值的量值，作为a)使用所述移位值的所述标记引起的图像的失真水平以及b)通过所述标记嵌入图像的数据量的函数。优选地，建立所述移位值包括：基于在多个原始系数间的量值的分布选择所述移位值。优选地，建立对应每一原始系数的符号因数包括：建立所述符号因数的符号。优选地，建立对应每一原始系数的符号因数包括：对具有大于或等于所述移位值的量值的每一原始系数，因此提供大系数，将所述大系数的符号因数的符号设置为等于所述大系数的符号。优选地，建立符号因数包括：基于要嵌入对应于每一符号因数的原始系数中的位值，将每一符号因数设置为等于+1或-1。优选地，建立符号因数包括至少以下之一：如果要嵌入对应于所述符号因数的原始系数的位值是1和0之一，则将每一符号因数设置为等于+1；以及如果要嵌入对应于所述符号因数的原始系数的位值是1和0中另一个，则将每一符号因数设置为等于-1。优选地，为每一原始系数建立标记的系数包括：将水印信号嵌入图像。优选地，建立标记的系数包括以下之一：如果对应于所述标记的系数的原始系数的量值小于所述移位值的量值，将形成水印信号的一部分的信号位嵌入所述标记的系数中；以及如果对应于所述标记的系数的原始系数的量值大于或等于所述移位值的量值，将伪位嵌入所述标记的系数中。
优选地，所述方法还包括：在建立所述标记的系数之前将图像的初始直方图变窄。优选地，所述变窄包括：对于灰度值比指定阈值小，朝着初始直方图像素计数中心重定位；以及对于灰度值比等于初始直方图最大灰度值减去所述指定的阈值的灰度值大，朝着初始直方图像素计数中心重定位。优选地，所述方法还包括：记录描述所述直方图变窄的数据，作为簿记数据。优选地，所述方法还包括：将所述簿记信息嵌入图像中。
根据又一方面，本发明提供一种包括在软件程序的指令下运行的处理器的装置，所述软件程序使所述装置执行动作，包括：将原始像素域图像进行整数小波变换(IWT)以获得原始IWT系数矩阵；选择多个原始IWT系数用于将数据嵌入其中；为所述多个原始系数建立移位值；对应所述多个原始系数中每一个建立多个符号因数；以及对于每个原始系数，建立标记的系数，所述标记的系数对应于原始系数，且对应于对应原始系数的所述符号因数，所述标记的系数设置为等于原始系数值加上a)对应原始系数的所述符号因数和b)所述移位值的乘积。
根据又一方面，本发明提供一种包含软件程序的存储介质，所述软件程序能使包括在所述软件程序的指令下运行的处理器的装置执行动作，包括：将原始像素域图像进行整数小波变换(IWT)以获得原始IWT系数矩阵；选择多个原始IWT系数用于将数据嵌入其中；为所述多个原始系数建立移位值；对应所述多个原始系数中每一个建立多个符号因数；以及对于每个原始系数，建立标记的系数，所述标记的系数对应于原始系数，且对应于对应原始系数的所述符号因数，所述标记的系数设置为等于原始系数值加上a)对应原始系数的所述符号因数和b)所述移位值的乘积。
根据又一方面，本发明提供一种方法，包括：将标记的像素域图像进行整数小波变换(IWT)以获得小波系数矩阵；从包含嵌入信息的矩阵中选择多个系数；以及对于每一所选系数，提取嵌入在系数中的数据位，提取的数据位的位值基于该系数的符号而确定。优选地，所选的多个系数包括IWT系数矩阵的至少一个频率子波段中的系数。优选地，所选的多个系数包括位于从以下组成的组中选择的至少一个频率子波段中的系数：HL子波段、LH子波段和HH子波段。优选地，所选的多个系数包括：由随机数发生器的输出指出的系数，所述随机数发生器采用编码器使用的种子(seed)来识别用于嵌入数据的所选的多个系数。
优选地，所述提取包括至少以下之一：对于每一所选系数，如果所述系数的符号是正和负之一，则提取位值“1”；以及如果所述系数的符号是正和负中另一个，则提取位值“0”。优选地，所述提取包括：对于每一所选系数，依据所述系数的量值从所述系数中提取信号位或伪位。优选地，所述提取包括：对于每一所选系数，如果所述系数的嵌入前的量值小于用于标记图像的移位值的量值，提取形成嵌入标记的图像中的水印信号的一部分的信号位。优选地，所述提取包括：对于每一所选系数，如果所述系数的嵌入前的量值大于或等于用于标记图像的移位值的量值，提取要从从标记的图像中提取的水印信号中排除的伪位。
优选地，所述方法还包括：对于每一所选系数，恢复在将数据嵌入所述系数之前存在的系数值，因此恢复图像在嵌入之前的状况。优选地，图像的初始直方图在嵌入之前变窄，以及保存描述所述变窄的簿记数据；所述方法还包括：使用保存的簿记数据恢复图像的初始直方图。优选地，所述方法还包括：从所述小波系数矩阵提取所述簿记数据。
根据又一方面，本发明提供一种包括在软件程序的指令下运行的处理器的装置，所述软件程序使所述装置执行动作，包括：将标记的像素域图像进行整数小波变换(IWT)以获得小波系数矩阵；从包含嵌入信息的矩阵中选择多个系数；以及对于每一所选系数，提取嵌入在系数中的数据位，提取的数据位的位值基于该系数的符号而确定。
根据又一方面，本发明提供一种包含软件程序的存储介质，所述软件程序能使包括在所述软件程序的指令下运行的处理器的装置执行动作，包括：将标记的像素域图像进行整数小波变换(IWT)以获得小波系数矩阵；从包含嵌入信息的矩阵中选择多个系数；以及对于每一所选系数，提取嵌入在系数中的数据位，提取的数据位的位值基于该系数的符号而确定。
当结合附图说明本发明的优选实施例时，本发明的其他方面、特征、优点等对本领域技术人员将很明显。
附图说明
为了图示本发明的各个方面，在图中示出了当前优选的形式，但是，本发明不限于所示的精确装置和手段。
图1所示为根据本发明的一个或多个实施例的用于图像数据操作的正向和逆向整数小波变换的公式；
图2所示为：a)根据本发明的一个或多个实施例，适合修改的原始图像的直方图，以及b)根据本发明的一个或多个实施例，已修改的图(a)所示的图像的直方图；
图3A所示为根据本发明的一个或多个实施例，适合直方图修改的简化的原始图像；
图3B所示为根据本发明的一个或多个实施例，已修改的图3A所示图像的版本；
图4A所示为代表图3A所示原始图像的图像数据；
图4B所示为代表图3B所示修改图像的图像数据；
图5所示为根据本发明的一个或多个实施例，图3的图像在修改之前和之后的直方图数据表格；
图6所示为适合用根据本发明的一个或多个实施例的方法保存的，与修改图3的图像的直方图相关的簿记信息的表格；
图7所示为根据本发明的一个或多个实施例的直方图修改算法的清单；
图8A所示为原始“Lena”图像的直方图，该直方图适合根据本发明的一个或多个实施例的修改；
图8B所示为根据本发明的一个或多个实施例，已修改的图8A所示直方图的版本；
图8C所示为根据本发明的一个或多个实施例，已标记的“Lena”图像的直方图；
图9所示为根据本发明的一个或多个实施例的用于数据嵌入的方法的框图；
图10所示为使用根据本发明的一个或多个实施例的方法，用于适合标记的图像的高频CDF(2，2)IWT系数的量值的统计分布的数据表格；
图11到14所示为使用根据本发明的一个或多个实施例的方法，适合标记的常用图像(图11：“Lena”；图12：“Baboon”；图13：“Barbara”；图14：“Medical”)；
图15所示为根据本发明的一个或多个实施例，已标记的图11的“Lena”图像的净荷对PSNR(峰信号对噪声的比值)的数据表格；
图16所示为根据本发明的一个或多个实施例，已标记的图12的“Baboon”图像的净荷对PSNR(峰信号对噪声的比值)的数据表格；
图17所示为根据本发明的一个或多个实施例，已标记的图13的“Barbara”图像的净荷对PSNR(峰信号对噪声的比值)的数据表格；
图18所示为根据本发明的一个或多个实施例，已标记的图14的“Medical”图像的净荷对PSNR(峰信号对噪声的比值)的数据表格；
图19所示为采用根据本发明的一个或多个实施例的数据嵌入方法，“Lena”图像的失真对数据存储容量的图；
图20所示为采用根据本发明的一个或多个实施例的数据嵌入方法，“Barbara”图像的失真对数据存储容量的图。
具体实施方式
注意，以上说明的和后面将说明的本发明的方法和装置可使用任何公知技术来实现，如标准数字电路、模拟电路、能执行软件和/或固件程序的任何公知的处理器，可编程数字设备或系统，可编程阵列逻辑设备，或以上的任何组合。本发明的一个或多个实施例还可实现在软件程序中，用于存储在合适的存储介质中并由处理单元执行。
此处，术语“水印信号”是信息，它可形成连贯报文的一部分，编码器可将它嵌入在图像中且解码器随后可从图像中将其提取出来。于是，还存在将水印信号嵌入图像之前的水印信号的未编码形式。一旦嵌入到图像中，通过采用根据本发明的一个或多个实施例的方法的解码器，水印信号优选地可恢复。此处，术语“频率波段”和“频率子波段”对应于术语“小波子波段”。
除了水印信号数据位之外的信息也可嵌入图像中。这些其他类信息之一包括“伪位”。当系数被视为适合嵌入水印信号数据，“真位”，此处也称为“信号位”，可被编码器嵌入图像中。当系数被视为不适合嵌入水印信号数据，伪位可被嵌入图像中。此处，伪位是虽然被嵌入系数中，但不是嵌入图像中的水印信号的一部分的位。
在解码时，通过与移位值的量值比较来估计系数的量值，解码器可确定嵌入系数中的并且随后由解码器从中提取的位是信号位还是伪位。如果提取的位是信号位，可将它添加到提取的水印信号中。如果提取的位是伪位，优选不将它包括为提取的水印信号的一部分。如本文后面所述，原始系数的量值和由编码器在其中嵌入伪位可通知解码器：原始系数不适合嵌入信号位，并且替代地嵌入伪位。在确定提取的位的“伪”状态时，解码器可丢弃该位以保证它被正确地排除在提取的水印信号之外。
整数小波变换：
在图像处理中，整数小波变换广泛应用于多种不同的任务。由于小波变换系数是高度不相关的，且因为小波变换与人类视觉系统(HVS)的特征一致，小波变换也广泛应用于图像数据隐藏。证据表明在高频子波段，轻微修改小波变换系数是难以觉察的。因此，在此处公开的一个或多个实施例中，数据被嵌入到高频小波系数中。
为了无损地恢复原始图像，优选采用可逆小波变换。因此，本发明的一个或多个实施例采用整数小波变换，其将整数映射为整数[14]，且可无失真从变换过的图像重建原始图像。虽然各种小波族可应用于我们的可逆嵌入方案，通过大量的实验比较，发现根据数据嵌入容量和标记图像的视觉品质，CDF(2，2)(CDF指“Cohen-Daubechies-Feauveau”)优于其他的小波族。此外，注意到CDF(2，2)格式已被JPEG2000标准[15]采用。图1所示为CDF(2，2)的正向和逆向变换公式。但是本发明不限于使用CDF(2，2)格式。
扩展频谱数据隐藏：
这部分讨论可逆扩展频谱数据隐藏方法的一个实施例。在应用上述一阶整数小波变换后，优选获得以下3个高频子波段：HL、LH和HH。观测到多数高频小波变换系数很小，具有接近0的量值。图10所示的4个常用图像的高频系数的量值分布记载了这一观测。下面公开的方法利用上面讨论的并在图10所示的具有小的系数量值的系数的存在。
以下，W表示从子波段HL、LH和HH之一中选择的一个系数，且|W|＜A，A＞0。为了在W中嵌入一位，我们有：
W′＝W+A·S                              (1)
其中W′表示修改的系数，A是移位值，且S是以下等式2定义的符号因数：
Figure A20058001677500161
在讨论数据提取之前，识别以下属性。特别地，因为|W|＜A，我们有：
Sign(W′)＝Sign(W+A*S)＝Sign(A*S)＝Sign(S) (3)
这表明我们通过检查W′的符号可以提取隐藏的位。即，如果Sign(W′)为正，则提取位“1”，如果Sign(W′)为负，提取位“0”。
为了恢复原始图像，优选恢复IWT系数W。根据等式(1)，我们如下恢复W。
W＝W′-A·S    (4)
在优选实施例中，为了使以上数据嵌入方案可逆，必须满足以下两个条件。第一，当应用整数反向小波变换时，没有上溢和/或下溢。下一部分将详细讨论这个条件。第二，如在本算法开头假设的，关系|W|＜A保持为真。(A的值变化对数据嵌入容量和标记图像的视觉品质的影响将在本文档后面讨论)。
现在注意当以上有关A和|W|的相对值的假设不满足上述假设的情况，从而，|W|≥A。幸运地，对于|W|≥A这种情况可通过将伪位嵌入每一系数来处理。
(a)如果W≥A，我们设置S＝1。于是，具有位值“1”的一个伪位被嵌入系数W。解码时，解码器将优选地从W′提取位值“1”，因为前面的条件给定的W′会为正。接着，W的原始值可通过上述等式(4)恢复。
在|W|≥A时(不满足用于公开的数据嵌入方案的可逆性的上述第二条件的状况)，解码器可确定具有值“1”的提取位为非水印信号的一部分的伪位。因此，该伪位可被安全地丢弃而不损失水印信号的任何部分。
下面继续讨论系数W为负的情况。
(b)如果W≤-A，我们设置S＝-1。于是，具有位值“0”的一个伪位被优选地嵌入系数W。因此，解码时，解码器优选地从W′提取具有“0”值的位，因为W′为负。接着，可用等式(4)恢复原始W。因此，可获得系数W的原始值。而且，解码器可确定原始系数W的绝对值(量值)与移位值A具有以下关系：|W|≥A。由于破坏了用于可逆数据隐藏的上述第二条件，解码器优选地确定提取的“0”位是伪位。因此，解码器安全地丢弃该位，且解码可继续进行。
可提供两条信息使解码器能知道从哪些系数中提取数据以重建水印信号(隐藏的数据)。第一，提供识别嵌入数据(信号位或伪位)的系数组的信息。第二，表明嵌入识别的组中的每一系数中的位是信号位(即，形成水印信号的一部分的位)还是伪位(不是水印信号的一部分且可被安全地丢弃而不损失水印信号的任何数据的位)的信息。
在一个或多个实施例中，对于解码器，可将嵌入数据的系数组与嵌入图像本身中的数据分开识别。由于拦截图像的任何实体使用图像中的信息将不能识别标记的系数(有数据嵌入其中的系数)，该方法提供了安全性。但是，在替换实施例中，嵌入其中并描述系数组的数据可被包括在图像自身中。
当描述嵌入数据的系数组的信息与图像自身中的数据分开通信时，可用各种选项将此信息提供给解码器。当对于频率子波段存在整块系数时，该块的一个象限中的系数可用于嵌入数据，且解码器可识别该象限的位置。这是空间效率高的方法，因为一旦象限被识别，优选无需发送识别每一单独系数的数据。可替换地，可识别图像中采用的很多频率子波段中的之一，在该被识别的频率子波段中的所有系数都具有嵌入其中的数据。
另一方法涉及编码器和解码器之间有关将用于编码的系数的先存在的理解。这一识别很简单，如识别具有嵌入数据的系数块的整个象限，或其所有系数都具有嵌入数据的整个频率子波段。可替换地，该识别也可更复杂，特别是通过数字(number)和/或通过位置来识别标记的系数，这些标记的系数可能分布在图像的各个系数块和/或各个频率子波段。
另一方法涉及使用产生给出初始种子的特定数字输出的随机数发生器。在此实施例中，可将共同的种子提供给编码器和解码器。之后，当编码器或解码器需要识别用于数据嵌入和提取的系数时，用于所选种子的随机数发生器的输出可通过编码器或解码器获得。
一旦通过上述方法中的一个或多个识别了要用于嵌入的系数，编码器优选按需要嵌入数据。但是，如上所述，当要用于数据嵌入的系数组中系数W的量值太大不能用于嵌入水印信号数据(如上所述)，在该系数中嵌入伪位而不是信号位。此后，解码器在用等式4计算W的原始值时，能从系数本身确定嵌入该系数的位是伪位。当检测到伪位时，解码器优选丢弃该伪位，从而从要包括在提取的水印信号中的数据中省略该位。
以上述方式将伪位嵌入系数优选地向解码器表明嵌入伪位的系数具有与移位值A的特定值有关的太大而不能用于嵌入水印信号数据的原始值或原始量值(“原始”表示嵌入数据之前的系数值)。如果系数W等于或大于移位值A，则加上A和S(其中S为负)的积将不能使W′的符号等于符号因数S的符号。且此处公开的数据嵌入和解码方案依据属性Sign(S)＝SignW′。
当解码器检查系数时，解码器优选地首先检查该系数的符号以确定S的符号，从而也确定W′的符号。此后，解码器优选地从标记的系数W′(在编码过程中产生的)减去A和S的积，从而提供原始系数W。然后解码器将原始系数W和A相比较。如果W的绝对值等于或大于A，则破坏将信号位编码到W中的条件，解码器优选地确定该系数包含伪位并优选地丢弃它。
通过如上所述将伪位嵌入无用系数中，无需位置映射或其他簿记方案来为解码器描述在嵌入数据的系数中哪些系数嵌入了信号位以及哪些系数嵌入了伪位。这是可行的，因为解码器优选地可从它正在解码的数据中自己做出判断。与[10]中使用“位置映射”以记录修改的用于隐藏数据的系数并且之后无损地压缩该映射并将压缩过的映射嵌入图像作为开销数据的方法相比，嵌入伪位是更简单和更有效的簿记方案。
直方图修改：
对于给定的图像，在数据嵌入某些IWT系数之后，可能导致上溢和/或下溢。这表示在进行逆整数小波变换之后，标记的图像中一些像素的灰度值可能超过上限(对8位灰度图像上限是255)和/或下限(对8位灰度图像下限是0)。在这种情况下，通常用截断来将产生的灰度值恢复到允许的数值范围，因此破坏数据隐藏的可逆性。这是所有数据隐藏算法面临的挑战性问题。
在本发明的一个或多个实施例中，为了防止上溢和/或下溢，采用从左右两侧使直方图范围变窄的直方图修改过程。优选地，在直方图修改之后，直方图左手侧的一些灰度值朝直方图中心合并且留下空白，同时，直方图右手侧的一些灰度值朝直方图中心合并且留下空白。在以下讨论中，假设我们将使直方图变窄G灰度级水平，这表示在直方图修改之后，G灰度值应为空。
下面提出直方图修改的一般例子，之后是对此处公开的可逆数据隐藏方法的直方图修改的更具体应用。为了简化，在这个部分，G限制为偶数(在本文档的后面部分指定G的值为40)。于是我们可使直方图变窄G/2通路，以及在每个通路中直方图优选变窄2个灰度级水平，一个从左手侧，另一个从右手侧。
在使直方图变窄到范围[G/2，255-G/2]的过程中，直方图修改信息优选记录在被嵌入图像的数据中。要被嵌入图像的数据因此可从3个源产生：1)水印信号；2)伪数据(如果需要)以及3)直方图修改的簿记信息。
优选地，以从高频(HH、HL、LH)到低频(LL)、从低水平到高水平、以及从最低位平面到高位平面的顺序嵌入数据。以此方式，标记图像的视觉品质可被优化。
简单的直方图修改例子
为了说明直方图变窄过程，我们使用简单的例子，其中原始图像尺寸为6×6具有8＝23灰度(6×6×3)，如图3-4所示。从图3-5，可看出被修改的直方图范围从1到6而不是从0到7，即，没有像素具有灰度值0或7。修改后，灰度值1合并到灰度值2。灰度值0变成灰度值1。以相同方式，灰度值6合并到灰度值5。灰度值7变成灰度值6。图2示出原始的和修改的直方图。图5示出原始的和修改的直方图的数据。图6示出描述直方图修改的簿记信息，该信息可被记录并可被嵌入图像。
图6中的具有左相邻灰度值(101101)的左手侧记录位表明通过扫描(<x＝5，v＝1>，<x＝1，y＝4>)图4B中第二和第五个值“2”在图4A中原始具有值“1”。而且，图6中的具有右相邻灰度值(110111)的右手侧记录位表明通过扫描(<x＝4，y＝2>)图4B中第三个值“5”在图4A中具有值“6”。
下面，结合具有使用本发明的一个或多个实施例的方法嵌入数据的图像的直方图的特定例子，继续讨论直方图修改。图7示出直方图变窄算法的一个实施例。
图7示出G＝40的“Lena”图像的直方图修改的例子。在此例中，灰度值在1和20之间以及在235和255之间的条目合并到直方图中心部分的灰度值。于是该过程将灰度范围从(0-255)缩小为(20-235)。见图8A和8C。在数据被嵌入图像后，灰度范围扩展到一定程度，但是仍保持在(0-255)的范围，以避免可能的上溢和/或下溢。见图8C。
在使直方图变窄到范围[G/2，255-G/2]的过程中，记录直方图修改信息如被合并的灰度值(图6中的Lk和Rk)以及灰度值等于Lk或Rk且是被嵌入数据的一部分的像素的位置是有利的。该被记录的信息这里被称为簿记信息。优选地，使用记录的簿记信息可无损地恢复原始图像。一般来说，簿记信息的量小。图9给出这种新的可逆嵌入方法的框图。
实验结果：
对于大多数图像，高频子波段中大多数IWT(CDF(2，2))系数具有小的量值。观察一些常用图像的统计，如图10所示，这得以验证。图10所示为落入各个系数量值范围的高频IWT系数的百分比。于是，即使当使用移位值A的小值时，我们也可将一位嵌入大多数高频系数中。
可调节移位值A的值以获得不同的净荷。特别地，如果需要的净荷小，我们可选择小的A值，这样可使标记的图像的失真最小化。另一方面，如果需要的净荷大，我们可选择较大的A，导致标记的图像的失真较大。此方法比[10]中提出的均方误差(MSE)最小化方法更灵活且更简单。图15-18示出了图11-14所示的图像的嵌入版本的净荷相对于峰信噪比(PSNR)的一些实验结果。
图19和20分别示出对于“Lena”和“Barbara”测试图像，数据嵌入容量相对于标记图像的失真与现有可逆数据隐藏方案[6，10，11]的性能比较。两图中的顶部曲线用于此处公开的小波扩展频谱方法的一个或多个实施例。可以看出，在相同数据嵌入容量时，使用小波扩展频谱方法时的标记图像相对于原始图像的PSNR比使用其他方法获得的高。
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虽然已参考特定实施例说明本发明，可以理解，这些实施例仅用于说明本发明的原理和应用。因此可理解，在不脱离所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可对说明的实施例做出许多修改以及可设计其他装置。

Claims (37)

1.一种方法，包括：
将原始像素域图像进行整数小波变换(IWT)以获得IWT系数矩阵；
选择多个所述IWT系数用于将信息结合于其中；以及
根据多个相应数据位的位值为所述多个所选IWT系数设置符号，从而将所述相应数据位结合到所述多个IWT系数中。
2.如权利要求1的方法，其中所述选择包括：
在所述IWT系数矩阵的至少一个频率子波段中选择所述IWT系数。
3.如权利要求3的方法，其中所述至少一个频率子波段包括从以下组成的组中选择的至少一个频率子波段：HL子波段、LH子波段和HH子波段。
4.如权利要求1的方法，其中所述设置包括：基于所述多个相应数据位的所述位值为所述多个所选IWT系数中每一个建立正符号和负符号之一。
5.如权利要求1的方法，其中所述设置至少包括下列之一：
如果所述系数的相应数据位的位值是1和0之一，则使每一所述系数的所述符号为正；以及
如果所述系数的相应数据位的位值是1和0中另一个，则使每一所述系数的所述符号为负。
6.如权利要求1的方法，还包括：
在所述设置之前使所述原始图像的直方图变窄。
7.如权利要求6的方法，还包括：
用簿记数据记录所述直方图的所述变窄；以及
将所述簿记数据嵌入所述图像。
8.一种包括在软件程序的指令下运行的处理器的装置，所述软件程序使所述装置执行动作，包括：
将原始像素域图像进行整数小波变换(IWT)以获得IWT系数矩阵；
选择多个所述IWT系数用于将信息结合于其中；以及
根据多个相应数据位的位值为所述多个所选IWT系数设置符号，从而将所述相应数据位结合到所述多个IWT系数中。
9.一种包含软件程序的存储介质，所述软件程序能使包括在所述软件程序的指令下运行的处理器的装置执行动作，包括：
将原始像素域图像进行整数小波变换(IWT)以获得IWT系数矩阵；
选择多个所述IWT系数用于将信息结合于其中；以及
根据多个相应数据位的位值为所述多个所选IWT系数设置符号，从而将所述相应数据位结合到所述多个IWT系数中。
10.一种方法，包括：
将原始像素域图像进行整数小波变换(IWT)以获得IWT系数矩阵；
选择多个所述原始IWT系数用于将数据嵌入其中；
为所述多个原始系数建立移位值；
对应所述多个原始系数中的每个系数建立多个符号因数；以及
对于每个所述原始系数，建立标记的系数，所述标记的系数对应于所述原始系数，且对应于对应所述原始系数的所述符号因数，所述标记的系数设置为等于所述原始系数值加上a)对应所述原始系数的所述符号因数和b)所述移位值的乘积。
11.如权利要求10的方法，其中所述建立所述移位值包括：
选择所述移位值的量值，作为a)使用所述移位值而从所述标记产生的所述图像的失真水平以及b)通过所述标记嵌入所述图像的数据量的函数。
12.如权利要求10的方法，其中所述建立所述移位值包括：
基于在所述多个原始系数间的量值的分布选择所述移位值。
13.如权利要求10的方法，其中所述建立对应每一所述原始系数的所述符号因数包括：建立所述符号因数的符号。
14.如权利要求10的方法，其中所述建立对应每一所述原始系数的所述符号因数包括：
对具有大于或等于所述移位值的量值的每一所述原始系数，因此提供大系数，将所述大系数的符号因数的符号设置为等于所述大系数的符号。
15.如权利要求10的方法，其中所述建立所述符号因数包括：
基于要嵌入对应于每一所述符号因数的所述原始系数中的位值，将每一所述符号因数设置为等于+1或-1。
16.如权利要求10的方法，其中所述建立所述符号因数包括至少以下之一：
如果要嵌入对应于所述符号因数的所述原始系数的位值是1和0之一，则将每一所述符号因数设置为等于+1；以及
如果要嵌入对应于所述符号因数的所述原始系数的位值是1和0中另一个，则将每一所述符号因数设置为等于-1。
17.如权利要求10的方法，其中所述为每一所述原始系数建立所述标记的系数包括：
将水印信号嵌入所述图像。
18.如权利要求10的方法，其中所述建立所述标记的系数包括以下之一：
如果对应于所述标记的系数的所述原始系数的量值小于所述移位值的量值，则将形成水印信号的一部分的信号位嵌入所述标记的系数中；以及如果对应于所述标记的系数的所述原始系数的量值大于或等于所述移位值的量值，则将伪位嵌入所述标记的系数中。
19.如权利要求10的方法，还包括：
在所述建立所述标记的系数之前将所述图像的初始直方图变窄。
20.如权利要求19的方法，其中所述变窄包括：
对于比指定阈值小的灰度值，朝着所述初始直方图像素计数中心重定位；以及
对于比等于所述初始直方图最大灰度值减去所述指定的阈值的灰度值大的灰度值，朝着所述初始直方图像素计数中心重定位。
21.如权利要求19的方法，还包括：
记录描述所述直方图的所述变窄的数据，作为簿记数据。
22.如权利要求21的方法，还包括：
将所述簿记信息嵌入所述图像中。
23.一种包括在软件程序的指令下运行的处理器的装置，所述软件程序使所述装置执行动作，包括：
将原始像素域图像进行整数小波变换(IWT)以获得原始IWT系数矩阵；
选择多个所述原始IWT系数用于将数据嵌入其中；
为所述多个原始系数建立移位值；
对应所述多个原始系数中每一个建立多个符号因数；以及
对于每个所述原始系数，建立标记的系数，所述标记的系数对应于所述原始系数，且对应于对应所述原始系数的所述符号因数，所述标记的系数设置为等于所述原始系数值加上a)对应所述原始系数的所述符号因数和b)所述移位值的乘积。
24.一种包含软件程序的存储介质，所述软件程序能使包括在所述软件程序的指令下运行的处理器的装置执行动作，包括：
将原始像素域图像进行整数小波变换(IWT)以获得原始IWT系数矩阵；
选择多个所述原始IWT系数用于将数据嵌入其中；
为所述多个原始系数建立移位值；
对应所述多个原始系数中每一个建立多个符号因数；以及
对于每个所述原始系数，建立标记的系数，所述标记的系数对应于所述原始系数，且对应于对应所述原始系数的所述符号因数，所述标记的系数设置为等于所述原始系数值加上a)对应所述原始系数的所述符号因数和b)所述移位值的乘积。
25.一种方法，包括：
将标记的像素域图像进行整数小波变换(IWT)以获得小波系数矩阵；
从包含嵌入信息的所述矩阵中选择多个所述系数；以及
对于每一所选系数，提取嵌入在所述系数中的数据位，所述提取的数据位的位值基于所述系数的符号而确定。
26.如权利要求25的方法，其中所选的多个系数包括所述IWT系数矩阵的至少一个频率子波段中的系数。
27.如权利要求25的方法，其中所选的多个系数包括位于从以下组成的组中选择的至少一个频率子波段中的系数：HL子波段、LH子波段和HH子波段。
28.如权利要求25的方法，其中所选的多个系数包括：由随机数发生器的输出所指出的系数，所述随机数发生器采用编码器使用的种子来识别用于嵌入数据的所选的多个系数。
29.如权利要求25的方法，其中所述提取包括至少以下之一：
对于每一所选系数，如果所述系数的所述符号是正和负之一，则提取位值“1”；以及
如果所述系数的所述符号是正和负中另一个，则提取位值“0”。
30.如权利要求25的方法，其中所述提取包括：对于每一所选系数，依据所述系数的量值从所述系数中提取信号位或伪位。
31.如权利要求25的方法，其中所述提取包括：
对于每一所选系数，如果所述系数的嵌入前的量值小于用于标记所述图像的移位值的量值，提取形成嵌入所述标记的图像中的水印信号的一部分的信号位。
32.如权利要求25的方法，其中所述提取包括：
对于每一所选系数，如果所述系数的嵌入前的量值大于或等于用于标记所述图像的移位值的量值，提取要从从所述标记的图像中提取的水印信号中排除的伪位。
33.如权利要求25的方法，还包括：
对于每一所选系数，恢复在将数据嵌入所述系数之前存在的系数值，从而恢复所述图像在所述嵌入之前的状况。
34.如权利要求33的方法，其中所述图像的初始直方图在所述嵌入之前变窄，以及保存描述所述变窄的簿记数据，所述方法还包括：
使用所述保存的簿记数据恢复所述图像的所述初始直方图。
35.如权利要求34的方法，还包括：
从所述小波系数矩阵提取所述簿记数据。
36.一种包括在软件程序的指令下运行的处理器的装置，所述软件程序使所述装置执行动作，包括：
将标记的像素域图像进行整数小波变换(IWT)以获得小波系数矩阵；
从包含嵌入信息的所述矩阵中选择多个所述系数；以及
对于每一所选系数，提取嵌入在所述系数中的数据位，所述提取的数据位的位值基于所述系数的符号而确定。
37.一种包含软件程序的存储介质，所述软件程序能使包括在所述软件程序的指令下运行的处理器的装置执行动作，包括：
将标记的像素域图像进行整数小波变换(IWT)以获得小波系数矩阵；
从包含嵌入信息的所述矩阵中选择多个所述系数；以及
对于每一所选系数，提取嵌入在所述系数中的数据位，所述提取的数据位的位值基于所述系数的符号而确定。
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