CN113034334B - 联合JPEG和Huffman编码的加密图像可逆信息隐藏方法、装置 - Google Patents

联合JPEG和Huffman编码的加密图像可逆信息隐藏方法、装置 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种联合JPEG和Huffman编码的加密图像可逆信息隐藏方法及装置。在发送用户端，首先，对原始图像I实施类JPEG编码，获取JPEG熵编码比特流，并根据所获取JPEG熵编码比特流重建JPEG图像，即参考图像R；其次，将原始图像I与参考图像R实施差值检测，获得差值矩阵E，并利用Huffman编码对E实施熵编码；最后将原始图像I加密获取加密图像，并利用LSB替换技术将辅助信息AI嵌入加密图像中，获取含AI加密图像并腾出了冗余空间。在信息隐藏者端，将加密后的秘密信息嵌入所述冗余空间，得到含秘加密图像。在接收用户端，可根据其拥有的密钥进行解密。与其他现有技术相比，本发明在嵌入容量具有较为优越的性能。

Description

联合JPEG和Huffman编码的加密图像可逆信息隐藏方法、装置
技术领域
本发明研究的是信息安全之图像内容安全这一领域，提出了一种联合JPEG和Huffman编码的加密图像可逆信息隐藏方法。
背景技术
随着第五代移动通信技术的成熟，诸如云计算之类的新兴信息产业迅猛发展，通过无线网络进行数据处理已成为数据处理的主要方式。但是，用户的数据交互并不总是安全可靠的。除了网络原因外，恶意攻击者还会对用户数据进行未经授权的访问和非法的篡改。因此，保护问题已成为政府和行业特别关注的问题。
图像加密是用于保护图像内容隐私和安全并防止未经授权的第三方非法访问的多种技术之一。现代加密技术方法可确保授权的第三方可以正确解密图像，而未授权的第三方则无法获取任何有意义的信息。同时，学术界也更加关注信息隐藏术，以使隐私信息安全且未经授权的人无法察觉。信息隐藏术是一种用于数据隐藏的技术。可逆信息隐藏(RDH)是信息隐藏术的一个重要分支，其目的是通过略微修改原始图像的像素值来嵌入秘密数据产生隐秘图像。其中，隐秘图像相对于原始图像而言，会引入一些失真。值得注意的是，RDH的主要重点在于，在提取隐秘图像的秘密信息后，可以无损地恢复原始图像。换句话说，基于RDH的方案是一种可以在接收方完全重建原始图像的技术。因此，它被广泛用于军事图像或医学图像的安全传输。现有的可逆信息隐藏方案基本上分为五种策略，即无损压缩技术，差异扩展技术，预测误差扩展技术、直方图移位技术和信息编码技术。这几类方法都具有可逆性，并且保持了高质量的隐秘图像品质。但是，在这些各种方法中，在嵌入过程中，原始图像的内容始终会暴露给信息隐藏者。
为此，加密图像的可逆信息隐藏(RDHEI)得到了众多研究人员的关注。RDHEI技术是一种先对原始图像进行加密，然后将其传输到信息隐藏者的技术，以便信息隐藏者将秘密消息隐藏到加密图像中，而无需了解原始图像的内容。此外，在接收方，原始图像可以无损恢复，并且可以完全提取秘密消息。一般地，现有的RDHEI方案可分为三种基本策略，即，加密后腾出空间，加密前腾出空间，以及通过特殊加密方式腾出空间。加密后腾出空间的方法是一种在加密图像上产生可用于隐藏信息空间的技术。然而，因为加密图像上的相邻像素的强关联性已经几乎不存在，所以其隐藏容量十分有限。与加密后腾出空间不同，加密前腾出空间的方法是一种先在原始图像中产生腾出冗余空间用于隐藏信息，然后再将图像加密发送至信息隐藏者端的技术。由于原始图像上的相邻像素具有强关联性，所以这类方法的隐藏容量十分可观。通过特殊加密方式腾出空间的方法也是一种在加密图像上产生可用于隐藏信息空间的技术。与加密后腾出空间的方法不同的是，该方法的加密采用的是特殊加密使得加密图像局部区域内的像素仍保持强关联性，比如以区块为单位实施加密(块加密)或者通过位置变化的加密。尽管是在加密后的图像上腾出冗余空间，但是由于加密图像局部区域内的相邻像素具有强关联性，所以这类方法的隐藏容量也十分可观。然而，这类方法通常认为是不安全的。
为了在保持加密图像安全的情况下，提高加密图像携带秘密信息的能力。本发明提出了一种联合JPEG和Huffman编码的加密图像可逆信息隐藏方法。
发明内容
考虑到原始图像的像素之间存在显著强关联性，以及JPEG压缩图像具有良好的压缩率和压缩图像品质，本发明提出一种联合JPEG和Huffman编码的高容量加密图像可逆信息隐藏方法，以显著提高加密图像的信息隐藏容量。在发送用户端，首先，对原始图像I实施类JPEG编码，获取JPEG熵编码比特流，并根据所获取JPEG熵编码比特流重建JPEG图像，即参考图像R；其次，将原始图像I与所述参考图像R实施差值检测，获得差值矩阵E，并利用Huffman编码对E实施熵编码；最后，将原始图像I加密获取加密图像，并利用LSB替换技术将辅助信息AI嵌入所述加密图像中，获取含AI加密图像，并腾出了冗余空间。在信息隐藏者端，将加密后的秘密信息嵌入所述冗余空间，得到含秘加密图像。在接收用户端，若其拥有加密密钥，可解密获取原始图像I；若其拥有隐藏密钥，则可获取原始秘密信息S；若其两种密钥兼有，则可同时解密原始图像I和秘密信息S。与其他现有相关工作比较，我们提出的方案在嵌入容量具有较为优越的性能。
本发明的技术方案步骤如下：
第一方面，本发明提供了一种联合JPEG和Huffman编码的加密图像可逆信息隐藏方法，用于在发送用户端、信息隐藏者端和接收用户端之间进行隐蔽地秘密信息通信，其具体做法如下：
在所述发送用户端，按照S11～S16产生具有冗余空间的含辅助信息加密图像：
S11、将原始图像I分割成若干个不重叠的图像区块，每个图像区块大小为8×8；
S12、对原始图像I的每个图像区块实施类JPEG压缩，得到JPEG熵编码比特流JE，并根据JE解码获得参考图像R；
S13、检测原始图像I与所述参考图像R的差值，并对差值实施Huffman编码，获得相应的Huffman字典HD和熵编码比特流JH；
S14、根据预设的辅助信息AI的数据结构，形成有效AI比特流；
S15、根据加密密钥Kenc，对原始图像I实施加密，得到加密图像；
S16、将所述AI比特流加密后嵌入所述加密图像，获取具有冗余空间的含辅助信息加密图像，并将其发送到信息隐藏者端；
在所述信息隐藏者端，按照S21～S22产生含秘加密图像：
S21、根据隐藏密钥Kd，对原始秘密信息S实施加密，得到加密秘密信息；
S22、将加密秘密信息嵌入到含辅助信息加密图像的冗余空间中，得到含秘加密图像，并将其发送到接收用户端；
在所述接收用户端，按照其拥有的密钥类型在S31～S33中择一对接收到的含秘加密图像实施秘密信息提取和图像恢复：
S31、在接收用户端收到含秘加密图像后，若其拥有隐藏密钥Kd，则提取原始秘密信息S；
S32、在接收用户端收到含秘加密图像后，若其拥有加密密钥Kenc，则恢复原始图像I；
S33、在接收用户端收到含秘加密图像后，若其同时拥有隐藏密钥Kd和加密密钥Kenc，则提取原始秘密信息S并恢复原始图像I。
作为优选，所述S12的具体实现方法为：
S121：对8×8图像区块内的所有像素实施像素偏移，使其像素值范围偏移至[-128,127]，并对像素偏移后的图像区块实施离散余弦变化，获取DCT系数矩阵；
S122：根据质量因子QF和量化矩阵，对所述DCT系数矩阵内的所有系数进行量化，得到量化DCT系数矩阵；
S123：收集所有量化DCT系数矩阵的第一个系数后，将其转换成一维DC系数系列，对该一维DC系数系列实施差分脉冲编码，获取DC差分系数，并对所述DC差分系数实施熵编码；
S124：对每个量化DCT系数矩阵，使用Zig-zag顺序对其余63个系数进行扫描，形成一维AC系数系列，对所述一维AC系数系列实施行程长度编码，并对行程长度编码得到的数据对实施熵编码；
S125：以图像区块为基本单位，将步骤S123和S124所获得的熵编码串接起来形成JPEG熵编码比特流JE；
S126：根据JE，按照上述步骤S121～S125的逆过程，解码出JPEG图像，即为参考图像。
作为优选，所述S13的具体实现方法为：
S131：计算原始图像I和参考图像R的差值，公式如下：
E(r，c)＝I(r，c)-R(r，c)，
其中，I(r，c)和R(r，c)分别表示图像I和图像R在坐标(r,c)上的像素值，E(r，c)为对应位置上的差值。
S132：根据差值分布，构建Huffman字典HD，并根据所述HD对每个差值进行熵编码，获取差值的熵编码比特流JH。
作为优选，所述S14中，辅助信息AI的数据结构依次由LAI、QF、LJE、JE、LHD、HD、LJH和JH组成，其中QF、JE、HD、JH分别表示质量因子、JPEG熵编码比特流、Huffman字典、差值的熵编码比特流，LAI表示所有辅助信息的长度，占4字节；LJE表示比特流JE的长度；LHD表示比特流HD的长度；LJH表示比特流JH的长度；Huffman字典HD的数据结构依次由|C|、
Figure BDA0002987127160000041
和
Figure BDA0002987127160000042
组成，|C|表示所有HD中最长码字的长度；SHCi表示码字长度为i的Ni个(符号,码字)对，/>
Figure BDA0002987127160000043
Si，j表示符号，HCi，j为Si，j对应的码字。
作为优选，所述S16中，将所述AI比特流加密后嵌入所述加密图像的前端，加密图像的剩余位置作为冗余空间，得到具有冗余空间的含辅助信息加密图像。
作为优选，所述S22中，所述加密秘密信息S嵌入含辅助信息加密图像的冗余空间中。
作为优选，所述S31的具体实现方法为：
S311：从接收到的含秘加密图像的最前面四个字节中提取LAI；
S312：根据所提取LAI，定位嵌入的加密秘密信息的起始嵌入位置，并提取加密秘密信息；
S313：根据隐藏密钥Kd，解密加密秘密信息，获得秘密信息S。
作为优选，所述S32的具体实现方法为：
S321：从接收到的含秘加密图像的最前面四个字节中提取LAI，然后再根据LAI从含秘加密图像中提取辅助信息比特流AI；
S322：根据AI的数据结构，从AI中分别提取出加密的JE、HD、JH，并根据加密密钥Kenc，将其解密为JE、HD、JH比特流；
S323：根据所述解密的JE，解码出JPEG图像，即为参考图像R；根据HD和JH解码出差值矩阵E；
S324：根据解码后的参考图像R和差值矩阵E，重建原始图像I，公式如下：
I(r，c)＝R(r，c)+E(r，c)。
作为优选，所述S33的具体实现方法为：
S331：根据隐藏密钥Kd，按照S311～S313提取秘密信息S；
S332：根据加密密钥Kenc，按照S321～S324恢复原始图像I。
第二方面，本发明提供了一种联合JPEG和Huffman编码的加密图像可逆信息隐藏装置，其，包括存储器和处理器；
所述存储器，分布于发送用户端、信息隐藏者端和接收用户端中，分别用于存储计算机程序；
所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现如第一方面任一项所述的联合JPEG和Huffman编码的加密图像可逆信息隐藏方法。
相对于现有技术而言，本发明的有益效果如下：
本发明在确保加密图像安全的情况下，提出了一种联合JPEG和Huffman编码的高容量加密图像可逆信息隐藏方法，存在的有益效果主要如下：1)、本发明提供了一种有效的加密图像可逆信息隐藏方法，能够实现加密信息的可逆无损隐藏；2)、与其他现有技术相比，本发明的方案实现了高嵌入容量，具有优越的携带秘密信息的性能。
附图说明
图1为AI的数据结构。
图2为AI的嵌入示意图。
图3为加密秘密信息的嵌入示意图。
图4Lena图像的仿真结果(QF＝60)，(a)原始图像；(b)加密图像；(c)含AI加密图像)；(d)含秘加密图像；(e)恢复图像(PSNR:+∞)。
图5为Lena图像的直方图，(a)原始图像；(b)加密图像；(c)含秘加密图像。
图6为本发明作用在三个数据库中图像的平均净隐藏容量(QF＝10：90)。
图7为本发明与其他相关方法在三种图像数据库的平均净隐藏容量的比较。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。
在本发明的一个较佳实施例中，提供一种联合JPEG和Huffman编码的高容量加密图像可逆信息隐藏方法。在发送用户端，首先，对原始图像I实施类JPEG编码，获取JPEG熵编码比特流，并根据所获取JPEG熵编码比特流重建JPEG图像，即参考图像R；其次，将原始图像I与所述参考图像R实施差值检测，获得差值矩阵E，并利用Huffman编码对E实施熵编码；最后，将原始图像I加密获取加密图像，并利用LSB替换技术将所述辅助信息AI嵌入所述加密图像中，获取含AI加密图像，并腾出了冗余空间。在信息隐藏者端，将加密后的秘密信息嵌入所述冗余空间，得到含秘加密图像。在接收用户端，若其拥有加密密钥，可解密获取原始图像I；若其拥有隐藏密钥，则可获取原始秘密信息S；若其两种密钥兼有，则可同时解密原始图像I和秘密信息S。与其他现有相关工作比较，我们提出的方案在嵌入容量具有较为优越的性能。
下面以8位元灰度图像为例，结合附图对本发明的具体实现过程进行详细展开描述。
在发明的一个实施例中，所采用的联合JPEG和Huffman编码的加密图像可逆信息隐藏方法，用于在发送用户端、信息隐藏者端和接收用户端之间进行隐蔽地秘密信息通信，各个端的具体执行流程如下：
在发送用户端，按照S11～S16产生具有冗余空间的含辅助信息加密图像：
S11、将原始图像I分割成若干个不重叠的图像区块，每个图像区块大小为8×8。
S12、对原始图像I的每个图像区块实施类JPEG压缩，得到JPEG熵编码比特流JE，并根据JE解码获得参考图像R。
在本实施例中，S12的具体实现方法为：
S121：对8×8图像区块内的所有像素实施像素偏移，即每个像素值减128，使其像素值范围偏移至[-128,127]，并对像素偏移后的图像区块实施离散余弦变换(DCT)，获取DCT系数矩阵；
S122：根据质量因子QF(Quality Factor)和量化矩阵，对所述DCT系数矩阵内的所有系数进行量化，得到量化DCT系数矩阵；
S123：收集所有量化DCT系数矩阵的第一个系数(称为DC系数)后，将所有DC系数转换成一维DC系数系列，对该一维DC系数系列实施差分脉冲编码(DPCM)，获取DC差分系数，并对述DC差分系数实施熵编码；
S124：对每个量化DCT系数矩阵，使用Zig-zag顺序对其余63个系数(称为AC系数)进行扫描，将所有AC系数按照扫描顺序形成一维AC系数系列，对一维AC系数系列实施行程长度编码，并对行程长度编码得到的数据对实施熵编码。在对一维AC系数系列实施行程长度编码时，会形成若干格式为(M,N)的数据对，并对这些数据对实施熵编码。在该数据对格式中，M表示当前非零AC系数与前一个非零AC系数之间连续0的个数(即，行程长度)，N是当前非零AC系数的值。
S125：以图像区块为基本单位，将步骤S123和S124所获得的熵编码串接起来形成JPEG熵编码比特流JE；
S126：根据JE，按照上述步骤S121～S125的逆过程，解码出JPEG图像，即为参考图像。
S13、检测原始图像I与所述参考图像R的差值，并对差值实施Huffman编码，获得相应的Huffman字典HD和熵编码比特流JH。
在本实施例中，S13的具体实现方法为：
S131：计算原始图像I和参考图像R的差值，公式如下：
E(r，c)＝I(r，c)-R(r，c)，
其中，I(r，c)和R(r，c)分别表示图像I和图像R在坐标(r,c)上的像素值，E(r，c)为对应位置上的差值。
S132：根据差值分布，构建Huffman字典HD，并根据所述HD对每个差值进行熵编码，获取差值的熵编码比特流JH。
S14、根据预设的辅助信息AI(Auxiliary Information)的数据结构，形成有效AI比特流。
在本实施例中，S14中辅助信息AI的数据结构如图1所示，依次由LAI、QF、LJE、JE、LHD、HD、LJH和JH组成，其中QF、JE、HD、JH分别表示质量因子、JPEG熵编码比特流、Huffman字典、差值的熵编码比特流，LAI表示所有辅助信息的长度，占4字节；LJE表示比特流JE(或加密JE)的长度；LHD表示比特流HD(或加密HD)的长度；LJH表示比特流JH(或加密JH)的长度。另外，Huffman字典HD的数据结构依次由|C|、
Figure BDA0002987127160000081
和/>
Figure BDA0002987127160000082
组成，|C|表示所有HD中最长码字的长度；SHCi表示码字长度为i的Ni个(符号,码字)对，即/>
Figure BDA0002987127160000083
Si，j表示符号，HCi，j为Si，j对应的码字。
S15、根据加密密钥Kenc，对原始图像I实施加密，得到加密图像。
S16、将AI比特流加密后嵌入所述加密图像，获取具有冗余空间的含辅助信息加密图像，并将其发送到信息隐藏者端。
在本实施例中，S16中将AI比特流加密后嵌入加密图像的前端，加密图像的剩余位置作为冗余空间，得到具有冗余空间的含辅助信息加密图像，如图2所示。
在信息隐藏者端，按照S21～S22产生含秘加密图像：
S21、根据隐藏密钥Kd，对原始秘密信息S实施加密，得到加密秘密信息；
S22、将加密秘密信息嵌入到含辅助信息加密图像的冗余空间中，得到含秘加密图像，并将其发送到接收用户端。需注意的是，在本实施例中，S22中加密秘密信息S嵌入含辅助信息加密图像的冗余空间中，如图3所示。
在接收用户端，按照其拥有的密钥类型在S31～S33中择一对接收到的含秘加密图像实施秘密信息提取和图像恢复：
S31、在接收用户端收到含秘加密图像后，若其拥有隐藏密钥Kd，则提取原始秘密信息S。
在本实施例中，S31的具体实现方法为：
S311：从接收到的含秘加密图像的最前面四个字节中提取LAI；
S312：根据所提取LAI，定位嵌入的加密秘密信息的起始嵌入位置，并提取加密秘密信息；
S313：根据隐藏密钥Kd，解密加密秘密信息，获得秘密信息S。
S32、在接收用户端收到含秘加密图像后，若其拥有加密密钥Kenc，则恢复原始图像I。
在本实施例中，S32的具体实现方法为：
S321：从接收到的含秘加密图像的最前面四个字节中提取LAI，然后再根据LAI从含秘加密图像中提取辅助信息比特流AI；
S322：根据AI的数据结构，从AI中分别提取出加密的JE、HD、JH，并根据加密密钥Kenc，将其解密为JE、HD、JH比特流；
S323：根据所述解密的JE，解码出JPEG图像，即为参考图像R；根据HD和JH解码出差值矩阵E；
S324：根据解码后的参考图像R和差值矩阵E，重建原始图像I，公式如下：
I(r，c)＝R(r，c)+E(r，c)。
S33、在接收用户端收到含秘加密图像后，若其同时拥有隐藏密钥Kd和加密密钥Kenc，则提取原始秘密信息S并恢复原始图像I。
在本实施例中，S33的具体实现方法为：
S331：根据隐藏密钥Kd，按照S311～S313提取秘密信息S；
S332：根据加密密钥Kenc，按照S321～S324恢复原始图像I。
另外，在另一实施例中，提供了一种联合JPEG和Huffman编码的加密图像可逆信息隐藏装置，其包括存储器和处理器；
所述存储器，分布于发送用户端、信息隐藏者端和接收用户端中，分别用于存储计算机程序；
所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现如前述的联合JPEG和Huffman编码的加密图像可逆信息隐藏方法。
需要说明的是，其中发送用户端、信息隐藏者端和接收用户端存储的程序是不同的，发送用户端存储的程序用于实现S11～S16，信息隐藏者端存储的程序用于实现S21～S22，接收用户端存储的程序用于实现S31～S33。
需要注意的是，存储器可以包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，也可以包括非易失性存储器(Non-Volatile Memory，NVM)，例如至少一个磁盘存储器。上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、网络处理器(Network Processor，NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital Signal Processing，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。当然，还装置中还应当具有实现程序运行的必要组件，例如电源、通信总线等等。
为了展示本发明所能达到的效果，下面将上述方法应用于一个具体实施例中，其具体步骤不再赘述，下面主要展示其具体参数和技术效果。
实施例
本实施例中，按照前述的步骤S11～S16获取含AI加密图像并腾出冗余空间，按照S21～S22在接收到的含AI加密图像中嵌入秘密信息产生含秘加密图像，最后按照S31～S33对接收到含秘加密图像中提取秘密信息和原始图像。其具体结果展示如下：
i.安全分析
图4以Lena为例，给出了其相应的仿真结果。其中图4(b)-(d)为加密图像、加密图像(含AI)、含秘加密图像的视觉效果图。显然，这三张图很好的将原始图像的信息和秘密信息隐蔽起来，使得无法察觉到任何有用的信息。同时，图5(b)和(c)给出了加密图像和含秘加密图像的像素直方图统计结果。从结果而言，与图5(a)所示的原始Lena图像直方图分布不同的是，图5(b)和(c)所示的直方图分布呈现出均匀分布，这进一步表明本发明能够有效地隐蔽原始图像的信息。此外，图4(e)是从图4(d)中解密而来的恢复图像。其中，恢复图像和原始图像之间的PSNR值为无穷大，表明本发明在接受用户端可以无损地恢复原始图像。
ii.性能分析
在确保加密图像安全的前提下，隐藏容量是RDHEI方法性能的重要衡量指标之一。表1给出了，当QF从10变化至90时，不同图像(包括Lean,Peppers,Barbara,Boat,Lake,Baboon)的净隐藏容量的变化情况。从表1的纵向来看，不同图像获得最大隐藏容量时的QF值是不同的。其中，较为复杂的图像(如Baboon)在较低的QF下获得较高的隐藏容量。这主要是因为，对于复杂图像而言，QF越大，其对应的JPEG熵编码的比特流JE很大，同时复杂图像会使得差值矩阵的差值分布方差较大，不利于Huffman编码，造成差值熵编码JH长度无法随QF增大显著减小。最终，使得复杂图像所需的辅助信息AI的长度增加。从表1的横向来看，对于给定的QF，较为平滑的图像(如Lena)的隐藏容量相比于较为复杂的图像的隐藏容量高。主要原因在于，平滑的图像所产生的JE和JH的长度相对较小，即辅助信息AI长度小。
此外，为了进一步说明本发明在隐藏容量的优越性能，将本发明应用于三个图像数据库，包括1000张BOSSBASE数据库图像,1000张BOWS2数据库图像,800张UCID数据库图像。结果如图6所示。这表明，本发明中，原始图像能够携带高容量的秘密信息。
表1.本发明作用在6张常用图像的净隐藏容量(QF＝10to 90)(单位:bpp)
QF Lena Peppers Barbara Boat Lake Baboon
10 2.8387 2.7551 2.0420 2.3783 2.2761 1.6238
20 3.1280 3.0148 2.3257 2.6154 2.4878 1.6488
30 3.2473 3.0801 2.4460 2.6855 2.5246 1.6209
40 3.2969 3.0962 2.5133 2.7080 2.5165 1.5827
50 3.3247 3.1047 2.5607 2.7113 2.4951 1.5510
60 3.3322 3.0886 2.6020 2.7071 2.4556 1.5101
70 3.3267 3.0337 2.6229 2.6745 2.3830 1.4426
80 3.2710 2.9242 2.6411 2.5686 2.2470 1.3244
90 3.0688 2.5653 2.5371 2.2931 1.8799 1.1032
iii性能比较
图7比较了本发明与其他相关方法[1-9]在三种图像数据库所提供的平均净隐藏容量。从图7可以发现，本发明提供的隐藏容量高于其他相关方法所提供的隐藏容量。方法[1]由于引入了较多的参数信息，使得每个2×2所能携带的秘密信息较为有限。方法[2]采用MSB预测的方法实现冗余空间的腾出，但其仍存在较低的误码率，且其紧将秘密信息藏在MSB，使得隐藏容量低于1。为此，方法[7]考虑到区域像素内的MSBs存在极强的关联性(相同)，提出了对MSBs平面进行压缩与编码，从而获得了较高的隐藏容量。方法[3]采用了基于特殊加密方法获取较高的冗余空间，但由于其设计的结构中，参考像素的数量占比大且标记码存在冗余，因此容量还有待提升。为了解决方法[3]中存在的像素突变和标记码的问题，方法[4]提出了基于自适应像素偏移和块压缩方法以进一步改善隐藏容量，但是效果较为有限。为了解决方法[3]中参考像素占比过多的问题，方法[6]采用了中值预测器去预测像素值，去产生更多可藏的像素，从而显著地提高了隐藏容量。方法[8]考虑到区域内的像素差值较小，提出了基于本地差值表达的RDHEI方法，实现了较高的容量。方法[9]观察到预测像素值矩阵的MSBs具有更高的冗余空间，并采用了为平面重排与压缩技术，实现高性能的秘密信息携带能力。方法[5]与本发明都是通过将图像区块压缩获取压缩码，并将差值编码，从而获取冗余空间并确保可逆性。不同在于，方法[5]作用于空间域而本发明作用频率域；方法[5]所使用的是内容相关的Huffman字典和本发明采用通用的JPEG的Huffman字典。与此同时，方法[5]中每个图像区块使用各自的Huffman字典，并非全局考虑，使得其隐藏容量受到限制。总而言之，相比于其他相关方法，本发明在嵌入容量具有较为优越的性能。
上述对比的方法具体做法参见以下参考文献：
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[6]Wu,Y.,Xiang,Y.,Guo,Y.,Tang,J.,&Yin,Z.(2019).An improved reversibledata hiding in encrypted images using parametric binary tree labeling.IEEETransactions on Multimedia.
[7]Yin,Z.,Xiang,Y.,&Zhang,X.(2019).Reversible data hiding inencrypted images based on multi-MSB prediction and Huffman coding.IEEETransactions on Multimedia,22(4),874-884.
[8]Mohammadi A,Nakhkash M,Akhaee M A.A High-Capacity Reversible DataHiding in Encrypted Images Employing Local Difference Predictor[J].IEEETransactions on Circuits and Systems for Video Technology,2020.
[9]Yin,Z.,Peng,Y.,&Xiang,Y.(2020).Reversible data hiding in encryptedimages based on pixel prediction and bit-plane compression.IEEE Transactionson Dependable and Secure Computing.
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种联合JPEG和Huffman编码的加密图像可逆信息隐藏方法，用于在发送用户端、信息隐藏者端和接收用户端之间进行隐蔽地秘密信息通信，其特征在于：
在所述发送用户端，按照S11～S16产生具有冗余空间的含辅助信息AI加密图像：
S11、将原始图像I分割成若干个不重叠的图像区块，每个图像区块大小为8×8；
S12、对原始图像I的每个图像区块实施类JPEG压缩，得到JPEG熵编码比特流JE，并根据JE解码获得参考图像R；
S13、检测原始图像I与所述参考图像R的差值，并对差值实施Huffman编码，获得相应的Huffman字典HD和熵编码比特流JH；
S14、根据预设的辅助信息AI的数据结构，形成有效AI比特流；
S15、根据加密密钥Kenc，对原始图像I实施加密，得到加密图像；
S16、将所述AI比特流加密后嵌入所述加密图像，获取具有冗余空间的含辅助信息加密图像，并将其发送到信息隐藏者端；
在所述信息隐藏者端，按照S21～S22产生含秘加密图像：
S21、根据隐藏密钥Kd，对原始秘密信息S实施加密，得到加密秘密信息；
S22、将加密秘密信息嵌入到含辅助信息加密图像的冗余空间中，得到含秘加密图像，并将其发送到接收用户端；
在所述接收用户端，按照其拥有的密钥类型在S31～S33中择一对接收到的含秘加密图像实施秘密信息提取和图像恢复：
S31、在接收用户端收到含秘加密图像后，若其拥有隐藏密钥Kd，则提取原始秘密信息S；
S32、在接收用户端收到含秘加密图像后，若其拥有加密密钥Kenc，则恢复原始图像I；
S33、在接收用户端收到含秘加密图像后，若其同时拥有隐藏密钥Kd和加密密钥Kenc，则提取原始秘密信息S并恢复原始图像I；
所述S12的具体实现方法为：
S121：对8×8图像区块内的所有像素实施像素偏移，使其像素值范围偏移至[-128,127]，并对像素偏移后的图像区块实施离散余弦变换，获取DCT系数矩阵；
S122：根据质量因子QF和量化矩阵，对所述DCT系数矩阵内的所有系数进行量化，得到量化DCT系数矩阵；
S123：收集所有量化DCT系数矩阵的第一个系数后，将其转换成一维DC系数系列，对该一维DC系数系列实施差分脉冲编码，获取DC差分系数，并对所述DC差分系数实施熵编码；
S124：对每个量化DCT系数矩阵，使用Zig-zag顺序对其余63个系数进行扫描，形成一维AC系数系列，对所述一维AC系数系列实施行程长度编码，并对行程长度编码得到的数据对实施熵编码；
S125：以图像区块为基本单位，将步骤S123和S124所获得的熵编码串接起来形成JPEG熵编码比特流JE；
S126：根据JE，按照上述步骤S121～S125的逆过程，解码出JPEG图像，即为参考图像；
所述S13的具体实现方法为：
S131：计算原始图像I和参考图像R的差值，公式如下：
E(r,c)＝I(r,c)-R(r,c),
其中，I(r,c)和R(r,c)分别表示图像I和图像R在坐标(r,c)上的像素值，E(r,c)为对应位置上的差值；
S132：根据差值分布，构建Huffman字典HD，并根据所述HD对每个差值进行熵编码，获取差值的熵编码比特流JH；
所述S14中，辅助信息AI的数据结构依次由LAI、QF、LJE、JE、LHD、HD、LJH和JH组成，其中QF、JE、HD、JH分别表示质量因子、JPEG熵编码比特流、Huffman字典、差值的熵编码比特流，LAI表示所有辅助信息的长度，占4字节；LJE表示比特流JE的长度；LHD表示比特流HD的长度；LJH表示比特流JH的长度；Huffman字典HD的数据结构依次由|C|、
Figure FDA0004051200380000021
和/>
Figure FDA0004051200380000022
组成，|C|表示所有HD中最长码字的长度；SHCi表示码字长度为i的Ni个(符号,码字)对，
Figure FDA0004051200380000023
Si,j表示符号，HCi,j为Si,j对应的码字；
所述S16中，将所述AI比特流加密后嵌入所述加密图像的前端，加密图像的剩余位置作为冗余空间，得到具有冗余空间的含辅助信息加密图像；
所述S22中，所述加密秘密信息S嵌入含辅助信息加密图像的冗余空间中；
所述S31的具体实现方法为：
S311：从接收到的含秘加密图像的最前面四个字节中提取LAI；
S312：根据所提取LAI，定位嵌入的加密秘密信息的起始嵌入位置，并提取加密秘密信息；
S313：根据隐藏密钥Kd，解密加密秘密信息，获得秘密信息S；
所述S32的具体实现方法为：
S321：从接收到的含秘加密图像的最前面四个字节中提取LAI，然后再根据LAI从含秘加密图像中提取辅助信息比特流AI；
S322：根据AI的数据结构，从AI中分别提取出加密的JE、HD、JH，并根据加密密钥Kenc，将其解密为JE、HD、JH比特流；
S323：根据所述解密的JE，解码出JPEG图像，即为参考图像R；根据HD和JH解码出差值矩阵E；
S324：根据解码后的参考图像R和差值矩阵E，重建原始图像I，公式如下：
I(r,c)＝R(r,c)+E(r,c)。
2.根据权利要求1所述的一种联合JPEG和Huffman编码的加密图像可逆信息隐藏方法，其特征在于，所述S33的具体实现方法为：
S331：根据隐藏密钥Kd，按照S311～S313提取秘密信息S；
S332：根据加密密钥Kenc，按照S321～S324恢复原始图像I。
3.一种联合JPEG和Huffman编码的加密图像可逆信息隐藏装置，其特征在于，包括存储器和处理器；
所述存储器，分布于发送用户端、信息隐藏者端和接收用户端中，分别用于存储计算机程序；
所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现如权利要求1或2所述的联合JPEG和Huffman编码的加密图像可逆信息隐藏方法。
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