CN110913092B - 一种加密图像可逆信息隐藏方法 - Google Patents

一种加密图像可逆信息隐藏方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种加密图像可逆信息隐藏方法，其包括以下步骤：S1、对原始图像进行分块置乱，得到乱序图像块；S2、对乱序图像块进行加密，得到加密后的图像；S3、在加密后的图像中选取参考像素、特殊像素和剩余像素，并对像素进行分类和编码，得到编码后的图像，完成加密图像可逆信息隐藏。本发明可以使得自适应编码方法充分利用图像冗余特性，相较于现有的相关编码方法，可以实现更高的信息隐藏容量，尤其是对于平滑图像而言，嵌入率的增益效果尤为显著。

Description

一种加密图像可逆信息隐藏方法
技术领域
本发明涉及数据加密领域，具体涉及一种加密图像可逆信息隐藏方法。
背景技术
加密图像可逆信息隐藏(reversible data hiding in encrypted image,RDH-EI)是一种保护载体图像不被泄露和传递秘密信息的安全方法。RDH-EI作为加密域信号处理技术与信息隐藏技术的重要结合点，对于数据处理过程中的信息安全可以起到双重保险的作用，尤其随着云服务的推广，RDH-EI是实现云环境下隐私保护的研究重点之一。近年来的RDH-EI方法利用图像冗余压缩可用空间用于秘密信息的嵌入，其中涉及到像素间差值的各种编码方法，但是大都没有完全充分的利用上这些差值的分布特性。因此，如何最优且最高效的利用图像像素相关性来实现腾出空间的最大化成为研究者亟需解决的研究课题。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种加密图像可逆信息隐藏方法利用图像像素相关性实现了腾出空间的最大化，可隐藏加密图像的可逆信息。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
提供一种加密图像可逆信息隐藏方法，其包括以下步骤：
S1、对原始图像进行分块置乱，得到乱序图像块；
S2、对乱序图像块进行加密，得到加密后的图像；
S3、在加密后的图像中选取参考像素、特殊像素和剩余像素，并对像素进行分类和编码，得到编码后的图像，完成加密图像可逆信息隐藏。
进一步地，步骤S1的具体方法为：
对大小为H×W的原始图像I按照S×S像素大小进行分块，得到
Figure BDA0002289156370000021
个原始图像块，其中对于任一原始图像块Bf，f表示原始图像块的索引，索引顺序为从左至右再从上至下，
Figure BDA0002289156370000022
根据加密秘钥k1伪随机地生成
Figure BDA0002289156370000023
之间的自然数序列T，并根据序列T置乱原始图像块的顺序，得到乱序图像块。
进一步地，S的取值为3。
进一步地，步骤S2的具体方法为：
根据加密秘钥k1伪随机地产生长为
Figure BDA0002289156370000024
的伪随机数序列R，并根据公式：
Figure BDA0002289156370000025
对乱序图像块进行块内像素模256加密，将加密后的乱序图像块组合成加密后的图像；其中
Figure BDA0002289156370000026
为乱序图像块Bf'中的一个像素；
Figure BDA0002289156370000027
为像素
Figure BDA0002289156370000028
加密后的结果；rf为序列R中的一个元素；mod为求余函数。
进一步地，步骤S3的具体方法包括以下子步骤：
S3-1、取图像块内中心点像素为参考像素RP，将整个加密后的图像除参考像素RP外的前5个像素作为特殊像素SP，并将剩下的所有像素作为剩余像素WP；
S3-2、分别计算每个图像块内剩余像素WP与参考像素RP的差值，将差值在阈值范围内的剩余像素WP作为可用像素EP，将差值在阈值范围外的剩余像素WP作为不可用像素NP；
S3-3、将每个可用像素EP编码为标记位+符号位+差值位+信息位，其中标记位用于区分每一类可用像素EP和不可用像素NP，标记位的长度小于等于4bits；当该可用像素EP对应的差值大于等于0时，符号位为字符0，当该可用像素EP对应的差值小于0时，符号位为字符1；符号位的长度为1bit；差值位用于保存恢复用差值，差值位的长度大于等于2bits；信息位用于嵌入信息，信息位的长度大于等于1bit；每个像素的总长度为8bits；将每个不可用像素NP编码为标记位+原始位；其中原始位表示该位置的原始数据；
S3-4、采用哈夫曼编码对标记位进行编码，以概率大小来分配码长，即某类像素出现概率越大则码长越小，某类像素出现概率越小码长越大；并根据公式：
Figure BDA0002289156370000031
获取可用像素EP的分类数n与第k个差值位占用的比特数bk的对应关系；其中/表示或；
S3-5、根据公式：
Figure BDA0002289156370000032
获取恢复用差值|y|；其中|x|表示第一类可用像素EP与参考像素RP的差值；n为可用像素EP的总类数；bk-1表示第k-1个差值位占用的比特数；
S3-6、将可用像素EP的总类数和差值位占用的比特数的取值个数用2bits表示，将表示结果作为重建序列的第一部分；根据可用像素EP的总类数和差值位占用的比特数的取值情况获取可用像素EP和不可用像素NP分别对应的标记位码长和标记位码字，并根据可用像素EP和不可用像素NP的排序依次将其作为重建序列的第二部分；
S3-7、将特殊像素SP中与重建序列长度相同的原始数据替换为重建序列；将特殊像素SP中替换掉的原始数据作为第一部分嵌入数据嵌入可用像素EP的信息位中；将不可用像素NP的标记位占用的原始数据作为第二部分嵌入数据嵌入可用像素EP的信息位中；将秘密信息作为第三部分嵌入数据嵌入可用像素EP的信息位中，得到编码后的图像，完成加密图像可逆信息隐藏。
进一步地，步骤S3-4可用像素EP的分类数n与第k个差值位占用的比特数bk的具体取值方法为：
根据公式
Figure BDA0002289156370000041
获取整体嵌入率er的不同取值，并获取整体嵌入率er取最大值时可用像素EP的分类数n与第k个差值位占用的比特数bk的具体取值；其中lj为可用像素EP的分类数n不同取值情况下的标记位码长；ln+1为不可用像素NP的标记位码长；NEPi表示可用像素EP的数量；NNP表示不可用像素NP的数量。
本发明的有益效果为：本发明可以使得自适应编码方法充分利用图像冗余特性，相较于现有的相关编码方法，可以实现更高的信息隐藏容量，尤其是对于平滑图像而言，嵌入率的增益效果尤为显著。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为3×3分块示意图；
图3为剩余像素WP分类及编码后的结构示意图；
图4为重建序列的结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，该加密图像可逆信息隐藏方法包括以下步骤：
S1、对原始图像进行分块置乱，得到乱序图像块；
S2、对乱序图像块进行加密，得到加密后的图像；
S3、在加密后的图像中选取参考像素、特殊像素和剩余像素，并对像素进行分类和编码，得到编码后的图像，完成加密图像可逆信息隐藏。
如图2所示，步骤S1的具体方法为：对大小为H×W的原始图像I按照S×S像素大小进行分块，得到
Figure BDA0002289156370000051
个原始图像块，其中对于任一原始图像块Bf，f表示原始图像块的索引，索引顺序为从左至右再从上至下，
Figure BDA0002289156370000052
S的取值为3；根据加密秘钥k1伪随机地生成
Figure BDA0002289156370000053
之间的自然数序列T，并根据序列T置乱原始图像块的顺序，得到乱序图像块。
步骤S2的具体方法为：根据加密秘钥k1伪随机地产生长为
Figure BDA0002289156370000054
的伪随机数序列R，并根据公式：
Figure BDA0002289156370000055
对乱序图像块进行块内像素模256加密，将加密后的乱序图像块组合成加密后的图像；其中
Figure BDA0002289156370000056
为乱序图像块Bf'中的一个像素；
Figure BDA0002289156370000057
为像素
Figure BDA0002289156370000058
加密后的结果；rf为序列R中的一个元素；mod为求余函数。
步骤S3的具体方法包括以下子步骤：
S3-1、取图像块内中心点像素为参考像素RP，将整个加密后的图像除参考像素RP外的前5个像素作为特殊像素SP，并将剩下的所有像素作为剩余像素WP；
S3-2、分别计算每个图像块内剩余像素WP与参考像素RP的差值，将差值在阈值范围内的剩余像素WP作为可用像素EP，将差值在阈值范围外的剩余像素WP作为不可用像素NP；
S3-3、如图3所示，将每个可用像素EP编码为标记位+符号位+差值位+信息位，其中标记位用于区分每一类可用像素EP和不可用像素NP，标记位的长度小于等于4bits；当该可用像素EP对应的差值大于等于0时，符号位为字符0，当该可用像素EP对应的差值小于0时，符号位为字符1；符号位的长度为1bit；差值位用于保存恢复用差值，差值位的长度大于等于2bits；信息位用于嵌入信息，信息位的长度大于等于1bit；每个像素的总长度为8bits；将每个不可用像素NP编码为标记位+原始位；其中原始位表示该位置的原始数据；
S3-4、采用哈夫曼编码对标记位进行编码，以概率大小来分配码长，即某类像素出现概率越大则码长越小，某类像素出现概率越小码长越大；并根据公式：
Figure BDA0002289156370000061
获取可用像素EP的分类数n与第k个差值位占用的比特数bk的对应关系；其中/表示或；
S3-5、根据公式：
Figure BDA0002289156370000062
获取恢复用差值|y|；其中|x|表示第一类可用像素EP与参考像素RP的差值；n为可用像素EP的总类数；bk-1表示第k-1个差值位占用的比特数；
S3-6、如图4所示，将可用像素EP的总类数和差值位占用的比特数的取值个数用2bits表示，将表示结果作为重建序列的第一部分；根据可用像素EP的总类数和差值位占用的比特数的取值情况获取可用像素EP和不可用像素NP分别对应的标记位码长和标记位码字，并根据可用像素EP和不可用像素NP的排序依次将其作为重建序列的第二部分；图中c表示标记位码字；
S3-7、将特殊像素SP中与重建序列长度相同的原始数据替换为重建序列；将特殊像素SP中替换掉的原始数据作为第一部分嵌入数据嵌入可用像素EP的信息位中；将不可用像素NP的标记位占用的原始数据作为第二部分嵌入数据嵌入可用像素EP的信息位中；将秘密信息作为第三部分嵌入数据嵌入可用像素EP的信息位中，得到编码后的图像，完成加密图像可逆信息隐藏。
步骤S3-4可用像素EP的分类数n与第k个差值位占用的比特数bk的具体取值方法为：
根据公式
Figure BDA0002289156370000071
获取整体嵌入率er的不同取值，并获取整体嵌入率er取最大值时可用像素EP的分类数n与第k个差值位占用的比特数bk的具体取值；其中lj为可用像素EP的分类数n不同取值情况下的标记位码长；ln+1为不可用像素NP的标记位码长；NEPi表示可用像素EP的数量；NNP表示不可用像素NP的数量。
在具体实施过程中，恢复图像时先提取重建参数和嵌入数据，并用嵌入数据中对应长度的特殊像素SP原始数据替换掉相应序列来得到特殊像素SP的重建像素值；然后遍历所有图像块，根据标记位编码确定像素分类，如果该像素是可用像素EP，则通过可用像素EP分类即可得到重建像素值。如果该像素是不可用像素NP，则从嵌入数据中减掉特殊像素SP中相应序列长度，然后依次提取每个不可用像素NP标记位对应的原始数据替换掉该标记位编码，从而得到不可用像素NP的重建像素值。上述操作可以重建得到未分类编码前的图像。接受者再根据序列R和序列T对重建图像D进行块内像素模256解密并恢复图像块顺序，即可得到原始图像。
在本发明的一个实施例中，从Miscelaneous gray level images图像库中选取9幅图像格式为pgm的测试图像作为原始图像，测试图像大小均为512×512像素。如表1所示，测试了2018年的5篇加密后腾出空间文献的最大嵌入率RMAX。现有方法1选取参数p＝100、μ＝3、α＝4、T＝100，它的不同图像的RMAX主要集中在0.04附近，比较稳定。现有方法2选取参数ε＝1，它的RMAX因图像平滑度的不同而有所差异，其中Baboon图像因纹理复杂度较高而无法嵌入秘密信息。现有方法3选取参数T＝18、λ＝400、α＝4、β＝2，它的RMAX也会受图像平滑度的影响，同样对于Baboon图像并不适用。现有方法4选用3个位平面，分块大小为4×4。现有方法5分块大小为3×3。对比以上参考文献，本发明能够取得更加可观的信息嵌入率。
表1：相关现有技术的最大嵌入率RMAX
Figure BDA0002289156370000081
现有技术1：C Qin,W Zhang,F Cao,X P Zhang.Separable reversible datahiding in encrypted images via adaptive embedding strategy with blockselection[J].Signal Processing,Volume 153,2018,Pages 109-122。
现有技术2：S Yi,Y C Zhou.Parametric reversible data hiding inencrypted images using adaptive bit-level data embedding and checkerboardbased prediction[J].Signal Processing,2018,150:171–182。
现有技术3：C Qin,Z H He,X Y Luo,et al.Reversible data hiding inencrypted image with separable capability and high embedding capacity[J].Information Sciences,2018,465:285–304。
现有技术4：Z L Liu,C M Pun.Reversible data-hiding in encrypted imagesby redundant space transfer[J].Information Sciences,2018,433:188-203。
现有技术5：S Yi,Y C Zhou.Separable and reversible data hiding inencrypted images using parametric binary tree labeling[J].IEEE Transactionson Multimedia,2018:1-1。
综上所述，本发明可以使得自适应编码方法充分利用图像冗余特性，相较于现有的相关编码方法，可以实现更高的信息隐藏容量，尤其是对于平滑图像而言，嵌入率的增益效果尤为显著。

Claims (2)

1.一种加密图像可逆信息隐藏方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对原始图像进行分块置乱，得到乱序图像块；
S2、对乱序图像块进行加密，得到加密后的图像；
S3、在加密后的图像中选取参考像素、特殊像素和剩余像素，并对像素进行分类和编码，得到编码后的图像，完成加密图像可逆信息隐藏；
步骤S1的具体方法为：
对大小为H×W的原始图像I按照S×S像素大小进行分块，得到
Figure FDA0003074332150000011
个原始图像块，其中对于任一原始图像块Bf，f表示原始图像块的索引，索引顺序为从左至右再从上至下，
Figure FDA0003074332150000012
S的取值为3；
根据加密秘钥k1伪随机地生成
Figure FDA0003074332150000013
之间的自然数序列T，并根据序列T置乱原始图像块的顺序，得到乱序图像块；
步骤S2的具体方法为：
根据加密秘钥k1伪随机地产生长为
Figure FDA0003074332150000014
的伪随机数序列R，并根据公式：
Figure FDA0003074332150000015
对乱序图像块进行块内像素模256加密，将加密后的乱序图像块组合成加密后的图像；其中
Figure FDA0003074332150000016
为乱序图像块Bf'中的一个像素；
Figure FDA0003074332150000017
为像素
Figure FDA0003074332150000018
加密后的结果；rf为序列R中的一个元素；mod为求余函数；
步骤S3的具体方法包括以下子步骤：
S3-1、取图像块内中心点像素为参考像素RP，将整个加密后的图像除参考像素RP外的前5个像素作为特殊像素SP，并将剩下的所有像素作为剩余像素WP；
S3-2、分别计算每个图像块内剩余像素WP与参考像素RP的差值，将差值在阈值范围内的剩余像素WP作为可用像素EP，将差值在阈值范围外的剩余像素WP作为不可用像素NP；
S3-3、将每个可用像素EP编码为标记位+符号位+差值位+信息位，其中标记位用于区分每一类可用像素EP和不可用像素NP，标记位的长度小于等于4bits；当该可用像素EP对应的差值大于等于0时，符号位为字符0，当该可用像素EP对应的差值小于0时，符号位为字符1；符号位的长度为1bit；差值位用于保存恢复用差值，差值位的长度大于等于2bits；信息位用于嵌入信息，信息位的长度大于等于1bit；每个像素的总长度为8bits；将每个不可用像素NP编码为标记位+原始位；其中原始位表示不可用像素NP的原始数据；
S3-4、采用哈夫曼编码对标记位进行编码，以概率大小来分配码长，即某类像素出现概率越大则码长越小，某类像素出现概率越小码长越大；并根据公式：
Figure FDA0003074332150000021
获取可用像素EP的分类数n与第k个差值位占用的比特数bk的对应关系；其中/表示或；
S3-5、根据公式：
Figure FDA0003074332150000022
获取恢复用差值|y|；其中|x|表示第一类可用像素EP与参考像素RP的差值；K为可用像素EP的总类数；bk-1表示第k-1个差值位占用的比特数；
S3-6、将可用像素EP的总类数和差值位占用的比特数的取值个数用2bits表示，将表示结果作为重建序列的第一部分；根据可用像素EP的总类数和差值位占用的比特数的取值情况获取可用像素EP和不可用像素NP分别对应的标记位码长和标记位码字，并根据可用像素EP和不可用像素NP的排序依次将其作为重建序列的第二部分；
S3-7、将特殊像素SP中与重建序列长度相同的原始数据替换为重建序列；将特殊像素SP中替换掉的原始数据作为第一部分嵌入数据嵌入可用像素EP的信息位中；将不可用像素NP的标记位占用的原始数据作为第二部分嵌入数据嵌入可用像素EP的信息位中；将秘密信息作为第三部分嵌入数据嵌入可用像素EP的信息位中，得到编码后的图像，完成加密图像可逆信息隐藏。
2.根据权利要求1所述的加密图像可逆信息隐藏方法，其特征在于，所述步骤S3-4可用像素EP的分类数n与第k个差值位占用的比特数bk的具体取值方法为：
根据公式
Figure FDA0003074332150000031
获取整体嵌入率er的不同取值，并获取整体嵌入率er取最大值时可用像素EP的分类数n与第k个差值位占用的比特数bk的具体取值；其中lj为可用像素EP的分类数n不同取值情况下的标记位码长；ln+1为不可用像素NP的标记位码长；NEPi表示可用像素EP的数量；NNP表示不可用像素NP的数量。
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