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適用於區塊截短碼 的 可回復式資訊隱藏技術 之研究

適用於區塊截短碼 的 可回復式資訊隱藏技術 之研究. Research on Reversible Data Hiding Techniques for BTC Compressed Images. 大綱. 簡介 相關技術回顧 直方圖位移技術 (Histogram Shifting) 區塊截短碼 (MPBTC 、 AMBTC) 方法一 植基於重建階修改之可回復式資訊隱藏技術 方法二 植基於重建階修改 結合線性預測 之可回復式資訊隱藏技術 結論. 簡介 (1/3).

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適用於區塊截短碼 的 可回復式資訊隱藏技術 之研究

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Presentation Transcript

  1. 適用於區塊截短碼的可回復式資訊隱藏技術之研究適用於區塊截短碼的可回復式資訊隱藏技術之研究 Research on Reversible Data Hiding Techniques for BTC Compressed Images

  2. 大綱 • 簡介 • 相關技術回顧 • 直方圖位移技術(Histogram Shifting) • 區塊截短碼(MPBTC、AMBTC) • 方法一 • 植基於重建階修改之可回復式資訊隱藏技術 • 方法二 • 植基於重建階修改結合線性預測之可回復式資訊隱藏技術 • 結論

  3. 簡介(1/3) • 資訊隱藏為利用常見的多媒體資料（如影像、文字、音訊等）當作掩蔽媒體，將欲藏之機密資料嵌入其中的一種技術。 • 資訊隱藏技術可分為兩大類： • 不可回復式資訊隱藏(Irreversible data hiding) • 可回復式資訊隱藏(Reversible data hiding) • 差值擴張(Difference Expansion, DE) • 直方圖位移技術(Histogram Shifting)

  4. 簡介(2/3) • 資訊隱藏 (Data Hiding) sd 偽裝影像 原始影像/掩蔽影像 機密資料

  5. 簡介(3/3) • 可回復式資訊隱藏 (Reversible Data Hiding) sd 取 出 偽裝影像 原始影像/掩蔽影像 可回復式資訊隱藏Reversible Data Hiding

  6. 相關技術回顧之 • Histogram Shifting

  7. 相關技術回顧– Histogram Shifting(1/6) • Step1: Generate image histogram (P, 峰點) (Z, 零點) 原始影像/掩蔽影像 Lenna影像之直方圖 Source: Zhicheng Ni, Yun-Qing Shi, NirwanAnsari, and Wei Su, “Reversible Data Hiding”, IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS FOR VIDEO TECHNOLOGY(16:3), 2006.

  8. 相關技術回顧– Histogram Shifting(2/6) • Step2: To shift the pixels of histogram • If P>Z → To shift the range of the histogram , [Z+1, P-1], to the left-hand side by 1 unit. • If P<Z → To shift the range of the histogram , [P+1, Z-1], to the right-hand side by 1 unit. • ------------------------------------------------------------------------------------- • Step3: To hide the secret data by pixels P • If P>Z → To be embedded bit is “1”, the pixel value is changedto P-1. If the bit is ”0”, the pixel value remains. • If P<Z → To be embedded bit is “1”, the pixel value is changedto P+1. If the bit is ”0”, the pixel value remains.

  9. 相關技術回顧– Histogram Shifting(3/6) Original image Peak point Zero point P=3, Z=6and P<Z shift to right-hand [3+1,6-1] 4 → 5 5 → 6

  10. 相關技術回顧– Histogram Shifting(4/6) Secret bits: 1 1 0 0 1 1 0 1 Using P=3, 0→ 3 1→ 4 Marked image

  11. 相關技術回顧– Histogram Shifting(5/6) P=3 Z=6 Extracted secret bits: 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 recover extract 3→0 4→ 1 Marked image 6→ 5 5 → 4 4→ 33→ 3 Original image

  12. 相關技術回顧– Histogram Shifting(6/6) • Multiple pairs Example of 2 pairs. Original image P2 P1 Z1 Z2

  13. 相關技術回顧之 • Block Truncation Coding, BTC

  14. 相關技術回顧- BTC (1/3) • 動量保留區塊截短碼(Moment preserving block truncation coding, MPBTC) (90, 146, (1110100011101100)2) 16bits 原始灰階影像區塊 位元圖 MPBTC重建影像區塊 重建階(a, b): Source: Delp, E. J., and Mitcell, O. R. “Image Compression Using Block Truncation Coding,” IEEE Transactions on Communications(27:9), pp. 1335-1342,1979.

  15. 相關技術回顧- BTC (2/3) • 動量絕對值區塊截短碼(Absolute moment block truncation coding, AMBTC) (92, 144, (1110100011101100)2) 16bits 原始灰階影像區塊 位元圖 AMBTC重建影像區塊 重建階(a, b): Source: Lema, M. D., and Mitchell, O. “Absolute Moment Block Truncation Coding and Its Application to Color Image,” IEEE Transactions on Communications (32:10), pp. 1148-1157, 1984.

  16. 相關技術回顧- BTC (3/3) • 區塊截短碼示意圖 BTC 測試影像 經過切割後之影像 1) 測試影像尺寸: 512x512 2) 區塊大小: 4x4 3) 區塊個數:16384 4) 壓縮碼: 16384 組三欄式壓縮碼 (ai, bi, BMi).

  17. 1 植基於重建階修改之可回復式資訊隱藏技術 盧琬瑜、胡育誠、羅峻旗, “適用於區塊截短碼之可回復式資訊隱藏技術,” 第十八屆資訊管理暨實務研討會(IMP 2012) ，台北，Dec. 08, 2012.

  18. 植基於重建階修改之可回復式資訊隱藏技術 (1/3) • 適用於任何經由區塊截短碼壓縮後的影像。 • 藏入機密資料到壓縮碼中。 • (重建階a、b的差值和重建階b) HistogramShifting BTC(a, b, BM)

  19. 植基於重建階修改之可回復式資訊隱藏技術 (2/3) • 機密資料藏入程序 • 重建階 ai蒐集起來產生A={a1, a2, a3, …, abno}。 • 重建階 bi 蒐集起來產生B={b1, b2, b3, …, bbno}。 • 利用公式 di= bi – ai計算兩個重建階之間的差值。 • 重建階di蒐集起來產生D={d1, d2, d3, …, dbno}。 • 針對D做直方圖位移，將機密資料藏入產生d'i。 • 利用公式a'i= bi–d'i產生a'i。 • 針對B做直方圖位移將機密資料藏入產生b'i。 • 壓縮碼(a'i, b'i, BM)傳送給接收端。

  20. 植基於重建階修改之可回復式資訊隱藏技術 (3/3) • 機密資料取出程序 • 利用D和B的兩個直方圖找出的峰點與零點、影像尺寸與區塊大小。 (必要訊息) • 針對B'，利用b'i的值判斷是否有被藏入，有則從b'i取出。 • 取出機密資料後則可位移還原回bi。 • 利用公式a'i= bi – d'i推回d'i 。 • 針對D'，利用d'i的值判斷是否有被藏入，有則從d'i取出。 • 取出機密資料後則可位移還原回di 。 • 利用公式 di = bi – ai推回ai 。 • 透過壓縮碼(ai, bi, BM)將影像區塊重建。

  21. 方法一之實驗數據(1/8) • 8張大小為512512 的灰階測試影像 (a) Airplane (b) Girl (c) Baboon (d) Lenna (e) Toys (f) Pepper (g) Boat (h) Sailboat

  22. 方法一之實驗數據(2/8) • MPBTC 和AMBTC壓縮技術的重建影像品質之比較 單位：dB

  23. 方法一之實驗數據(3/8) • 針對重建階b和差值d進行直方圖位移技術之可藏入機密資料量 單位：bits

  24. 方法一之實驗數據(4/8) • 直接藏入機密資料到兩個重建階集合的藏入容量與影像品質，當PNO=1

  25. 方法一之實驗數據(5/8) • 直接藏入機密資料到兩個重建階集合的藏入容量與影像品質，當PNO=2

  26. 方法一之實驗數據(6/8) • 方法一之藏入容量與影像品質，當PNO=1

  27. 方法一之實驗數據(7/8) • 方法一之藏入容量與影像品質，當PNO=2

  28. 方法一之實驗數據(8/8) • 方法一與對照方法之可藏入容量比較 PNO = 2AMBTC Block Size = 4 x 4

  29. 2 • 植基於重建階修改結合線性預測之可回復式資訊隱藏技術 盧琬瑜、胡育誠、范惠茹、蔣念庭, “適用於區塊截短碼結合線性預測及直方圖位移之可回復式資訊隱藏技術,” 第八屆數位教學暨資訊實務研討會 (EITS 2013) ，台南，Mar 27, 2013.

  30. 植基於重建階修改結合線性預測之可回復式資訊隱藏技術 (1/9) • 適用於任何經由區塊截短碼壓縮後的影像。 • 利用相鄰區塊具有高度關聯的特性，加入線性預測的概念，提高機密資料藏入量。 • 藏入機密資料到壓縮碼中。 BTC(a, b, BM) Prediction HistogramShifting

  31. 植基於重建階修改結合線性預測之可回復式資訊隱藏技術 (2/9) • 線性預測程序 • 重建階 ai蒐集起來產生A={a1, a2, a3, …, abno}。重建階 bi 蒐集起來產生B={b1, b2, b3, …, bbno}。 • 利用公式 di=bi– ai計算兩個重建階之間的差值。 • 將差值di蒐集起來產生D={d1, d2, d3, …, dbno}。 • 差值di進行線性預測，產生預測誤差edi。重建階bi進行線性預測，產生預測誤差ebi。

  32. 植基於重建階修改結合線性預測之可回復式資訊隱藏技術 (3/9) • 線性預測程序(範例) 線性預測示意圖

  33. 植基於重建階修改結合線性預測之可回復式資訊隱藏技術 (4/9) • 線性預測程序(範例) • 資料處理對象為差值di edi= di‒ refi 局部差值di示意圖 預測誤差edi示意圖 BTC壓縮後的局部重建階(ai, bi) 線性預測示意圖

  34. 植基於重建階修改結合線性預測之可回復式資訊隱藏技術 (5/9) • 線性預測程序(範例) • 資料處理對象為重建階bi ebi= bi ‒ refi 局部重建階bi示意圖 預測誤差ebi示意圖 BTC壓縮後的局部重建階(ai, bi) 線性預測示意圖

  35. 植基於重建階修改結合線性預測之可回復式資訊隱藏技術 (6/9) • 預測程序 • 預測誤差edi蒐集起來產生ED ={ed1, ed2, ed3, …, edbno}。預測誤差ebi蒐集起來產生EB ={eb1, eb2, eb3, …, ebbno}。

  36. 植基於重建階修改結合線性預測之可回復式資訊隱藏技術 (7/9) • 機密資料藏入程序 • 針對ED做直方圖位移並將機密資料藏入產生ed'i。針對EB做直方圖位移並將機密資料藏入產生eb'i。 • 將ed'i蒐集起來產生ED'={ed'1, ed'2, ed'3, …,ed'bno}。將eb'i蒐集起來產生EB'={eb'1, eb'2, eb'3, …,eb'bno}。 • 利用公式d'i= ed'i–refi產生d'i。利用公式b'i= eb'i–refi產生b'i。(經修改後的重建階b'i) • 利用公式a'i= b'i– d'i產生a'i。(經修改後的重建階a'i) • 壓縮碼(a'i, b'i, BM)傳送給接收端。

  37. 植基於重建階修改結合線性預測之可回復式資訊隱藏技術 (8/9) • 機密資料取出程序 • 利用ED和EB兩個直方圖找出的峰點與零點、影像尺寸與區塊大小。 (必要訊息) • 利用已知a'i和b'i代入公式a'i= b'i–d'i求回d'i。 • 依照預測規則利用公式d'i= ed'i–refi求回ed'i。依照預測規則利用公式b'i= eb'i–refi求回eb'i。 • 將ed'i蒐集起來產生ED'={ed'1, ed'2, ed'3, …,ed'bno}。將eb'i蒐集起來產生EB'={eb'1, eb'2, eb'3, …,eb'bno}。 • 針對ED'，利用ed'i的值判斷是否有被藏入，有則從ed'i取出。 針對EB'，利用eb'i的值判斷是否有被藏入，有則從eb'i取出。

  38. 植基於重建階修改結合線性預測之可回復式資訊隱藏技術 (9/9) • 機密資料取出程序 • 取出機密資料後，則可位移還原回edi和ebi。 • 將edi代入公式edi=di– refi求回di。將ebi代入公式ebi=bi – refi求回bi。 • 將di和bi利用公式 di = bi – ai求回ai 。 • 透過壓縮碼(ai, bi, BM)將影像還原回經過BTC壓縮後的影像。

  39. 方法二之實驗數據(1/4) • 8張大小為512512 的灰階測試影像 (a) Airplane (b) Girl (c) Baboon (d) Lenna (e) Toys (f) Pepper (g) Boat (h) Sailboat

  40. 方法二之實驗數據(2/4) • 方法一與方法二之可藏入容量與重建影像品質當，PNO=1 AMBTC Block Size:4× 4

  41. 方法二之實驗數據(3/4) • 方法一與方法二之可藏入容量與重建影像品質當，PNO=2 AMBTC Block Size:4× 4

  42. 方法二之實驗數據(4/4) • 本篇論文所提出兩個方法之可藏入容量比較 PNO = 2AMBTC Block Size = 4 x 4

  43. 結論 • 適用於以區塊截短碼為基礎的灰階/彩色影像壓縮技術。 • 無資料量擴張的問題、保障機密資料的安全性。 • 方法二增加線性預測，能使機密資料藏量提高。 • 可回復式資訊隱藏。

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