CN111654707B - 一种基于俄罗斯方块的信息隐藏方法及终端 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种基于俄罗斯方块的信息隐藏方法及终端，通过构建由俄罗斯方块根据预设规则填充的方格，并根据所述方格构建魔术矩阵；根据秘密信息的大小选择相应的魔术矩阵，并进行秘密信息的转换，得到转换后的秘密信息；将所述转换后的秘密信息嵌入原始图像中进行隐藏，得到隐秘图像，实现了在确保信息安全性的同时灵活地隐藏更多秘密消息。

Description

一种基于俄罗斯方块的信息隐藏方法及终端

技术领域

本发明涉及信息安全技术领域，特别涉及一种基于俄罗斯方块的信息隐藏方法及终端。

背景技术

信息时代的快速发展，互联网环境的复杂多变，信息安全保护问题已经成为研究者们关注的焦点。

而作为信息安全领域的重要组成部分之一的信息隐藏技术，由于其本身更强调于利用某种隐藏手段将隐秘信息嵌入到特定的载体之中，不仅保护了隐秘数据不被破坏，而且也保障了在信息安全传输的同时防止非法攻击者的发现。也就是说，隐藏隐秘信息的存在性。因此，相比加密技术，信息隐藏技术更具有优势。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种基于俄罗斯方块的信息隐藏方法及终端，能够在确保信息安全性的同时灵活地隐藏更多秘密消息。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的一种技术方案为：

一种基于俄罗斯方块的信息隐藏方法，包括步骤：

S1、构建由俄罗斯方块根据预设规则填充的方格，并根据所述方格构建魔术矩阵；

S2、根据秘密信息的大小选择相应的魔术矩阵，并进行秘密信息的转换，得到转换后的秘密信息；

S3、将所述转换后的秘密信息嵌入原始图像中进行隐藏，得到隐秘图像。

为了达到上述目的，本发明采用的另一种技术方案为：

一种基于俄罗斯方块的信息隐藏终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：

S1、构建由俄罗斯方块根据预设规则填充的方格，并根据所述方格构建魔术矩阵；

S2、根据秘密信息的大小选择相应的魔术矩阵，并进行秘密信息的转换，得到转换后的秘密信息；

S3、将所述转换后的秘密信息嵌入原始图像中进行隐藏，得到隐秘图像。

(三)有益效果

本发明的有益效果在于：通过构建由俄罗斯方块根据预设规则填充的方格，并根据所述方格构建魔术矩阵；根据秘密信息的大小选择相应的魔术矩阵，并进行秘密信息的转换，得到转换后的秘密信息；将所述转换后的秘密信息嵌入原始图像中进行隐藏，得到隐秘图像，实现了在确保信息安全性的同时灵活地隐藏更多秘密消息。

附图说明

图1为本发明实施例的基于俄罗斯方块的信息隐藏方法的流程图；

图2为本发明实施例的基本俄罗斯方块的旋转角度及形状的结构示意图；

图3为本发明实施例的Q₄的填充方格及方块的命名的示意图；

图4为本发明实施例的Q₆的填充方格及方块的命名的示意图；

图5为本发明实施例的Q₄(Q₆)对应魔术矩阵MT₄(MT₆)的示意图；

图6为本发明实施例的Q₄(Q₆)对应的查找表LUT₄(LUT₆)的示意图；

图7为本发明实施例的使用MT₄嵌入秘密信息示意图；

图8为本发明实施例的使用MT₆嵌入秘密信息示意图；

图9为本发明实施例的基于俄罗斯方块的信息隐藏终端的结构示意图。

【附图标记说明】

1：基于俄罗斯方块的信息隐藏终端；

2：存储器；

3：处理器。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

实施例一

请参照图1，一种基于俄罗斯方块的信息隐藏方法，包括步骤：

S01、选择一方格；

S02、定义不同类的基本俄罗斯方块的旋转角度和形状，所述基本俄罗斯方块包含取值不同的若干个基本单元。

S1、构建由俄罗斯方块根据预设规则填充的方格，并根据所述方格构建魔术矩阵；

步骤S1具体为：

构建由若干个基本俄罗斯方块完全无缝填充的方格，并根据所述方格构建魔术矩阵和相应的查找表。

S2、根据所述魔术矩阵对秘密信息进行转换，得到转换后的秘密信息；

S3、将所述转换后的秘密信息嵌入图像中进行隐藏，得到隐秘图像。

步骤S3还包括：

S31、获取大小为H×W的原始图像；

S32、将所述图像切割成不重叠的若干像素对。

步骤S3包括：

S33、根据所述转换后的秘密信息从所述查找表中确定相应的基本俄罗斯方块；

S34、将所述像素对映射到所述魔术矩阵中，得到若干个候选像素对；

S35、根据距离最小原则从若干个候选像素对中选择一像素对作为所述转换后的秘密信息在隐秘图像对应位置的像素值，所有秘密信息嵌入完成后，得到隐秘图像。

实施例二

本实施例将结合具体的应用场景，进一步说明本发明上述基于俄罗斯方块的信息隐藏方法是如何实现的：

1、选择一个方格Q，大小为L_Q×L_Q，其中L_Q取值为4或6，也可根据实际需要进行调整；

2、定义7类基本俄罗斯方块的旋转角度及形状，其中每个俄罗斯方块均含有4个基本单元格。

如图2所示，7类基本俄罗斯方块的定义如图2(a)所示，并将其作为基础形状。与此同时，每一类形状的基本俄罗斯方块均可按4种角度{0°,90°,180°,270°}旋转。以俄罗斯方块‘T’为例，按逆时针角度旋转，得到其衍伸出来的四种形状，如图2(b)所示。所有7类基本俄罗斯方块均按此规则旋转并定义，目的在于形成统一的查找表设计规则。

3、从所定义的7类基本俄罗斯方块中，选取若干俄罗斯方块完全填充所选方格Q，并使得Q不留有缝隙。

具体地，若L_Q取值为4，则从所定义的俄罗斯方块中选择4个方块来填充Q；若L_Q取值为6，则从所定义的俄罗斯方块中选择9个方块来填充Q。无论L_Q取值4或6，符合条件的填充方案均有若干种，图3和图4分别给出了Q₄和Q₆的一种方案示例，并为每个所选取俄罗斯方块命名为“T₁”,“T₂”,“T₃”,“T₄”,“SQ”,“RS₁”,“RS₂”,“LS₁”和“LS₂”，以方便后面讨论。与此同时，我们为每个俄罗斯方块的4个基本单元格赋予不同的数字，取值范为[0,3]，数字赋值规则可采用伪随机方式进行。

同时值得指出的是生成的Q(Q₄或Q₆)需要发送方与接收方安全共享，以服务于秘密信息的隐藏和提取。

4、构建魔术矩阵。

根据步骤3所确定的Q₄或Q₆，通过复制操作，构建大小为256×256的魔术矩阵MT₄(MT₆)，如图5所示，其存在如下特征：

以Q₄为例:

1)在MT₄内的任意4×4区域内均可以找到4个相互不同形状的俄罗斯方块，因此可以用于携带log₂4＝2比特的秘密信息；

2)每个形状的俄罗斯方块均含有4个基本单元格，包含数字(0-3)，因此也可以用于携带log₂4＝2比特的秘密信息。

以Q₆为例:

1)在MT₆内的任意6×6区域内均可以找到9个相互不同形状的俄罗斯方块，因此可以用于携带log₂9比特的秘密信息；

2)每个形状的俄罗斯方块均含有4个基本单元格，包含数字(0-3)，因此也可以用于携带log₂4＝2比特的秘密信息。

5、构建查找表。

根据步骤3所确定的Q₄或Q₆，构建相应查找表LUT₄或LUT₆，如图6所示。构建的规则如下：

1)扫描Q(Q₄或Q₆)中所有使用到的俄罗斯方块形状；

2)根据图2(a)中各类俄罗斯方块出现的顺序，对由1)导出的所有俄罗斯方块进行第一轮排序；

3)对于同类俄罗斯方块，根据它们的旋转角度进行第二轮排序；

4)对于排完序的俄罗斯方块序列，作为查找表的纵向元素，并依序赋予纵坐标值[0,L²Q/4]。

5)对于同一个形状的俄罗斯方块，拆解成4个含有不同数字的俄罗斯方块，并依据俄罗斯方块数值从小到大排列，形成查找表的行向元素，并依序赋予行坐标值[0,3]，由上述步骤可完成查找表的构建。

6、秘密信息转换。

以灰度图像为例，假设原始图像I的大小为H×W，二进制的秘密信息为B,长度记为L_B，根据L_B的大小，选择相应的魔术矩阵MT,并进行相应的秘密信息转换，具体过程如下：

1)若L_B≤2·H·W，将选择MT₄以获得高品质的隐秘图像。相应地，将比特流B经4进制数字转换系统转换为4进制秘密数字。接着，将每两个连续的4进制秘密数字组成一对，记为S＝{(s_t,s_t+1)|t＝1,2,3,…,L_B/4}，其中s_t和s_t+1都是4进制秘密数字。

2)若2·H·W＜L_B≤(log₂ 9+2)·H·W/2，将选择MT₆以获得较高藏量的隐秘图像。相应地，将比特流B依次循环经9进制和4进制数字转换系统转换为9进制和4进制秘密数字，如此循环。接着，将连续的9进制和4进制秘密数字组成一对，记为

其中s_t是9进制秘密数字，s_t+1是4进制秘密数字。

7、秘密信息嵌入。

步骤如下：

1)将原始图像I以光栅扫描的顺序切割成不重叠的若干像素对，记为I＝{(p_i,p_i+1)|i＝1,3,5,7,…,(H·W-1)}。

2)根据秘密信息的长度L_B，选择相应的魔术矩阵MT,并将秘密转换为S＝{(s_t,s_t+1)}。

3)将秘密信息s_t和s_t+1分别作为纵坐标和行坐标，搜索查找表LUT并确定相应的俄罗斯方块。

4)将像素对p_i和p_i+1分别作为纵坐标和行坐标，映射到MT中。根据MT的特性，在MT(p_i,p_i+1)附近可以找到若干个候选像素对(p′_i,p′_i+1)。其中，这些候选像素对所处的俄罗斯方块与步骤3中确定的俄罗斯方块是相同，并且MT(p′_i,p′_i+1)的值与步骤3中确定的俄罗斯方块的值也是相同的。

5)根据最小距离d选择一个像素对(p′_i,p′_i+1)，作为隐秘图像在对应位置上的像素值，实现了秘密信息(s_t,s_t+1)的隐藏。其中，d的计算公式如下：

6)当所有秘密信息隐藏完成之后，得到隐秘图像SI，并将其发送给接收方。

秘密信息嵌入举例：

以MT₄(LUT₄)为例，见图7:

假设原始像素对(p_i,p_i+1)＝(0,8),待隐藏的秘密数字为(s_t,s_t+1)＝(1,0)。将s_t＝1作为LUT₄的纵坐标，s_t+1＝0作为LUT₄的行坐标，可以找到确定的俄罗斯方块

将(0,8)映射到MT₄，并在其周围找到若干候选像素对，例如(2,9),(2,5),(6,9)等。这些候选像素对所在的俄罗斯方块的形状与所确定俄罗斯方块形状相同(都是“T₂”)，并且它们的值也一样。最后，将像素对(0,8)改成(2,9)以携带秘密信息(1,0)(二进制形式为‘0100’)。

以MT₆(LUT₆)为例，见图8:

假设原始像素对(p_i,p_i+1)＝(6,7),待隐藏的秘密数字为(s_t,s_t+1)＝(8,0)，其二进制形式为(‘100000’)。首先将s_t＝8作为LUT₆的纵坐标，st+1＝0作为LUT₆的行坐标，找到确定的俄罗斯方块

将(6,7)映射到MT₆，并在其周围找到若干候选像素对，例如(6,2),(6,8),(0,8)等。这些候选像素对所在的俄罗斯方块的形状与所确定俄罗斯方块形状相同(都是“LS₂”)，并且它们的值也一样。最后，将像素对(6,7)改成(6,8)以携带秘密信息(8,0)(二进制形式为‘100000’)。

信息提取

当接收端获取了隐秘图像SI后，秘密信息可以按如下步骤提取。

1.根据事先共享的Q，根据同样的方法，构建参考魔术矩阵MT和查找表LUT。

2.将图像SI以光栅扫描的顺序切割成不重叠的若干像素对，记为SI＝{(p′_i,p′_i+1)|i＝1,3,5,7,…,(H·W-1)}。

3.将像素对(p′_i,p′_i+1)映射到MT中，即MT(p′_i,p′_i+1)。

4.根据MT(p′_i,p′_i+1)所处俄罗斯方块的形状及其值，在查找表中找到与其相同的LUT俄罗斯方块。

5.提取该LUT俄罗斯方块的坐标(s_t,s_t+1)，即为所隐藏的秘密数字。

6.将提取的秘密数字(s_t,s_t+1)转化为比特流。

7.当所有像素对按上述过程提取完成后，将秘密信息串接起来，即为提取的秘密信息。

秘密信息提取举例：

以MT₄(LUT₄)为例，见图7:

假设隐秘图像的像素对(p′_i,p′_i+1)＝(2,9)，将其映射到MT₄，即MT₄(2,9)。从图7，我们可以发现MT₄(2,9)坐落的形状为“T₂”并且其值为0。因此，LUT₄(1,0)被锁定。提取其纵坐标和行坐标作为秘密信息，即(s_t,s_t+1)＝(1,0)，二进制形式为‘0100’。

以MT₆(LUT₆)为例，见图8:

假设隐秘图像的像素对(p′_i,p′_i+1)＝(6,8)，将其映射到MT₆，即MT₆(6,8)。从图8，我们可以发现MT₆(6,8)坐落的形状为“LS₂”(第8行)并且其值为0。因此，LUT₆(8,0)被锁定。提取其纵坐标和行坐标作为秘密信息，即(s_t,s_t+1)＝(8,0)，二进制形式为‘1000 00’。

结果比对

1)本发明与现有的基于龟壳的信息隐藏方法在嵌入容量(ER)和图像品质(PSNR)方面的比较

首先，对6个测试图像进行了本发明和5个基于龟壳的信息方法[方法1-方法5]的性能比较，如表1所示。

从表1中可以看出，本发明提供的隐秘图像的平均ER与方法2、4和5相同，并且比方法1和3高，分别相差0.5bpp和0.15bpp。而且，在相同的ER下，本发明提供的隐秘图像的质量比方法2、4和5更好，其差异分别为1.35dB，1.50dB和2.21dB。

其中，方法1具体指Liu,Y.,Chang,C.C.,and Nguyen,T.S.在IET ImageProcessing中公开的High Capacity Turtle Shell-Based Data Hiding；

方法2具体指Liu,L.,Chang,C.C.,and Wang,A.在Multimedia Tools andApplications中公开的Data Hiding Based on Extended Turtle Shell MatrixConstruction Method；

方法3具体指Liu,L.,Wang,L.,and Chang,C.C.在Multimedia Tools andApplications中公开的Data Embedding Scheme Based on Multi-Matrix StructureofTurtle Shell to Avoid Human Eye Perception；

方法4具体指Li,X.S.,Chang,C.C.,He,M.X.,and Lin,C.C.在InternationalJournal of Network Security中公开的Secure High Capacity Data Hiding SchemeBased on Reference Matrix；

方法5具体指Lee,C.F.,Li,Y.C.,Chu,S.C.,and Roddick,J.F.在Journal ofNetwork Intelligence中公开的Data Hiding Scheme Based on A Flower-ShapedReference Matrix；

表1 本发明与基于龟壳的信息隐藏方法在嵌入容量和图像品质方面的比较

2)本发明与基于数独的信息隐藏方法在嵌入容量(ER)和图像品质(PSNR)方面的比较

其次，还从4个测试图像的ER和PSNR方面，对本方明和基于数独的信息隐藏方法[方法6-方法8]进行比较。这些方法都是基于益智游戏的概念设计的。表2给出了本发明和基于数独的信息隐藏方法的实验结果。与方法6和8相比，在嵌入容量为1.5bpp时，本发明实现了较高的隐秘图像品质。此外，方法7与本发明均可达到1.58bpp的嵌入容量。尽管方法7的隐秘图像品质略高于本发明，但根据方法7中的报告，它们的ER仅限于1.58bpp，如表2所示。相比之下，本发明将ER提升到2.56bpp，同时保持平均PSNR为43.12dB。因此，显然，本发明是一种有效的信息隐藏方案，它同时具有较高的嵌入能力和较高的隐秘图像质量。

方法6具体指Chang,C.C.,Chou,Y.C.,and Kieu,T.D.在In Proceedings of the3rd International Conference on Innovative Computing Information and Control中公开的An Information Hiding Scheme Using Sudoku；

方法7具体指Hong,W.,Chen,T.S.,and Shiu,C.W.在In Proceedings of SecondInternational Symposium on Intelligent Information Technology Application中公开的Steganography Using Sudoku Revisited；

方法8具体指Lyu,W.,Yin,D.,Zhang,Y.,and Deng,J.在In Proceedings of 2018International Conference on Network,Communication,Computer Engineering(NCCE2018)中公开的A Reliable Data Hiding Scheme Using Jigsaw Sudoku；

表2本发明与基于数独的信息隐藏方法在嵌入容量和图像品质方面的比较

最后，我们进一步总结和比较了本发明与方法1、2、4、6和8-10之间的图像品质和嵌入容量，如表3所示。‘-’表示不可用或无相关数据。在表3中，很容易发现，当ER为1.5bpp和2.0bpp时，本发明的PSNR保持相当可观的水平，分别为48.72dB和46.38dB。同样地，当ER为2.5bpp或3.0bpp，本发明提供的隐秘图像的视觉质量分别达到了43.22dB和40.72dB。从方法6和8可以发现，基于数独的信息隐藏方法在嵌入能力方面存在缺陷。对于基于龟壳的信息隐藏方法，例如方法9，它们的嵌入容量和图像质量取决于八边龟壳的角度和八边龟壳的宽度和高度。遗憾的是，随着八边龟壳的不断扩展，PSNR明显降低，例如，当ER达到3.0bpp时，这类方法的隐秘图像PSNR约为39.33dB，低于本发明的40.72dB。同样地，方法10通过扩展魔术矩阵，提出了基于方向修改技术(EMD2)的改进方法。尽管他们的方案可以实现高达3.15bpp的ER，但在隐秘图像的视觉质量上相对较差，平均PSNR为39.89dB(ER＝3.0bpp)。只有本发明和方法4既实现高达3.0bpp的ER，同时具有不低于40.00dB的PSNR。但是，与本发明相比，方法4在ER设置为1.5bpp，2.0bpp和2.5bpp时，视觉质量较弱。总而言之，足以看到本发明明显优于其他最新的方法1、2、4、6和8-10。

方法9具体指Leng,H.S.在Symmetry中公开的Generalized Scheme Based onOctagon-Shaped Shell for Data Hiding in Steganographic Applications；

方法10具体指Xie,X.Z.,Liu,Y.,and Chang,C.C.在Multimedia Tools andApplications中公开的Extended Squared Magic Matrix for Embedding SecretInformation with Large Payload；。

表3 不同藏量下的隐秘图像品质比较

实施例三

请参照图9，一种基于俄罗斯方块的信息隐藏终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现实施例一中的各个步骤。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于俄罗斯方块的信息隐藏方法，其特征在于，包括步骤：

S1、构建由俄罗斯方块根据预设规则填充的方格，并根据所述方格构建魔术矩阵；步骤S1具体为：

选择一个方格Q，大小为L _Q x L _Q ，其中L _Q 取值为4或6；

定义7类基本俄罗斯方块的旋转角度及形状，其中每个俄罗斯方块均含有4个基本单元格；

从所定义的7类基本俄罗斯方块中，选取若干俄罗斯方块完全填充所选方格Q，并使得Q不留有缝隙；

为每个俄罗斯方块的4个基本单元格赋予不同的数字，取值范为[0, 3]；

根据确定的Q ₄或Q ₆，通过复制操作，构建大小为256x256的魔术矩阵；

S2、根据秘密信息的大小选择相应的魔术矩阵，并进行秘密信息的转换，得到转换后的秘密信息；

S3、将所述转换后的秘密信息嵌入原始图像中进行隐藏，得到隐秘图像；

步骤S3具体为：

将原始图像I以光栅扫描的顺序切割成不重叠的若干像素对，记为I = {(p _i , p _i+1)| i=1, 3, 5, 7, …, (H·W-1)}；

根据秘密信息的长度L _B ，选择相应的魔术矩阵MT, 并将秘密转换为S = {(s _t , s _t+1)}；

将秘密信息s _t 和s _t+1分别作为纵坐标和行坐标，搜索查找表LUT并确定相应的俄罗斯方块；

将像素对p _i 和p _i+1分别作为纵坐标和行坐标，映射到MT中；根据MT的特性，在MT(p _i ,p _i+1)附近可以找到若干个候选像素对(p’ _i , p’ _i+1)；

根据最小距离d选择一个像素对(p’ _i , p’ _i+1)，作为隐秘图像在对应位置上的像素值，实现了秘密信息(s _t , s _t+1)的隐藏。

2.一种基于俄罗斯方块的信息隐藏终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：

S1、构建由俄罗斯方块根据预设规则填充的方格，并根据所述方格构建魔术矩阵；步骤S1具体为：

选择一个方格Q，大小为L _Q x L _Q ，其中L _Q 取值为4或6；

定义7类基本俄罗斯方块的旋转角度及形状，其中每个俄罗斯方块均含有4个基本单元格；

从所定义的7类基本俄罗斯方块中，选取若干俄罗斯方块完全填充所选方格Q，并使得Q不留有缝隙；

为每个俄罗斯方块的4个基本单元格赋予不同的数字，取值范为[0, 3]；

根据确定的Q ₄或Q ₆，通过复制操作，构建大小为256x256的魔术矩阵；

S2、根据秘密信息的大小选择相应的魔术矩阵，并进行秘密信息的转换，得到转换后的秘密信息；

S3、将所述转换后的秘密信息嵌入原始图像中进行隐藏，得到隐秘图像；

步骤S3具体为：

将原始图像I以光栅扫描的顺序切割成不重叠的若干像素对，记为I = {(p _i , p _i+1)| i=1, 3, 5, 7, …, (H·W-1)}；

根据秘密信息的长度L _B ，选择相应的魔术矩阵MT, 并将秘密转换为S = {(s _t , s _t+1)}；

将秘密信息s _t 和s _t+1分别作为纵坐标和行坐标，搜索查找表LUT并确定相应的俄罗斯方块；

将像素对p _i 和p _i+1分别作为纵坐标和行坐标，映射到MT中；根据MT的特性，在MT(p _i ,p _i+1)附近可以找到若干个候选像素对(p’ _i , p’ _i+1)；

根据最小距离d选择一个像素对(p’ _i , p’ _i+1)，作为隐秘图像在对应位置上的像素值，实现了秘密信息(s _t , s _t+1)的隐藏。

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