CN104574262B - 一种扩展可视加密和解密方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扩展可视加密和解密方法。在扩展可视加密过程中，首先将掩盖图像分块，将每块中的像素随机分为三类：秘密信息像素、辅助黑色像素和普通像素；然后在秘密信息位置上填入(2,2)可视密码基本矩阵的行，将分存图像分为四个区域，依次嵌入秘密图像和水印图像；最后使用受限误差扩散编入掩盖图像的特征。在扩展可视解密过程中，首先将两幅分存图像错位叠加恢复水印；再将两幅图像对齐叠加恢复秘密图像。本发明方法同时具有(1)分存图像有意义，(2)尺寸不扩展，(3)解码不需计算机，(4)篡改认证功能，(5)恢复的秘密图像和水印无掩盖图像的干扰等优点。

Description

一种扩展可视加密和解密方法

技术领域

本发明涉及一种扩展可视加密方法、以及一种扩展可视解密方法。

背景技术

可视加密是一种解码过程高效且不需要任何计算的秘密分存方法，它将一幅秘密图像分成n份传输，只有获得其中的至少k份，将其叠加才能恢复秘密图像的内容。然而，一般可视加密方法产生的分存图像表现为无意义的噪声，在传输过程中可能会引起潜在攻击者的注意，激起攻击者截获或破解的兴趣。此外，分存图像在传输过程中可能会被攻击者截获，攻击者可能会对截获的分存图像实施替换攻击，例如攻击者截获分存图像1，它可根据自己的伪造秘密图像和分存图像1构造一个伪造的分存图像2，将分存图像1和伪造的分存图像2叠加，恢复的是伪造的秘密图像。另外一个问题是分存图像的像素扩展问题，如果分存图像相对于掩盖图像有像素扩展，则增加了传输和存储的要求，并降低了编码速度。

综上所述，现有的可视加密方法存在如下缺陷：(1)产生的分存图像无意义；(2)产生的分存图像相对于掩盖图像有像素扩展；(3)解码秘密信息时需要计算机参与；(4)没有篡改认证功能；(5)恢复的秘密信息或者水印上有来自载体图像的干扰。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种扩展可视加密方法，使用该方法产生的分存图像有意义，尺寸没有扩展，不容易引起攻击者注意、传输和存储效率高。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种扩展可视加密方法，包括如下步骤：

s11、输入两幅掩盖图像、一幅秘密图像和一幅水印图像，使用秘密图像嵌入和水印嵌入器获得两幅分存图像，即第一分存图像和第二分存图像；

将分存图像、掩盖图像都分割为Q×Q大小的块，每次处理一块；采用随机分割方法将每块中的像素分为三类：秘密图像像素SIP、辅助黑色像素ABP和普通像素OP；

s12、同时将水印图像和秘密图像像素编码到两幅分存图像上；将两幅分存图像根据平移参数d分割为四个区域，图像的尺寸为M_c×N_c：

在这些区域中的秘密图像像素SIP位置上同时嵌入秘密图像和水印图像；

s13、将掩盖图像的特征编码到分存图像中；对普通像素使用基于误差扩散的半色调方法变换为二值图像，但是限制误差不扩散到秘密图像像素SIP和辅助黑色像素ABP上；对于秘密图像像素SIP和辅助黑色像素ABP，误差扩散过程中不改变他们的值。

上述步骤s11，进一步包括步骤：

s111、设γ表示每个图像块中秘密图像像素SIP的数量，β表示辅助黑色像素ABP的数量，首先随机生成一个从整数1到Q²的随机置换p，取p前γ个数作为SIP的位置，中间β个数作为第一分存图像的ABP的位置，最后β个数作为第二分存图像的ABP的位置；

s112、将上述一维数按列转换成二维下标，则获得SIP和ABP在两幅分存图像的图像块中的位置。

上述步骤s12，进一步包括步骤：

s121、定义如下指示矩阵，用以指示像素是否是SIP，或者是否是ABP；

其中，表示所有SIP的集合，表示第一分存图像上所有ABP的集合，表示第二分存图像上所有ABP的集合；

s122、复制SIP和ABP的位置；

首先将第二分存图像区域内的SIP位置拷贝到第一分存图像区域的SIP位置，即：

s(i,j)←s(i,j-d+1),d≤j≤N_c.

然后，在每幅分存图像上，将区域的ABP复制到区域上，即：

a₂(i,j)←a₂(i,j-d+1),d≤j≤N_c；

a₁(i,j)←a₁(i,j-d+1),d≤j≤N_c.

s123、确定所用的可视加密基本矩阵；

设所用的可视加密基本矩阵是M₀和M₁，每个矩阵的维数是2×γ；如果需要编码的秘密像素或者水印像素是1，则将经过列置换后的M₁的两行分别填入两个分存图像的SIP位置；否则，将经过列置换后的M₀的两行分别填入两个分存图像的SIP位置，用П(M)来表示对矩阵M的随机列置换；

s124、在两幅分存图像的区域，以秘密图像的像素来决定SIP处的值；用(k,l)表示图像块的下标，也是秘密图像像素的下标；

如果秘密图像像素s(k,l)是0，则将П(M₀)的两行分别填入两个分存图像的SIP位置，否则将П(M₁)的两行分别填入两个分存图像的SIP位置；

s125、确定第二分存图像区域处的SIP值，该处的SIP值由水印图像W和第一分存图像区域处的SIP值所决定，即如果水印比特w(k,l)是0，则将区域处像素的补填入到区域处，否则，直接将区域处像素值拷贝到区域处；

其中，像素的补，具体是指黑像素的补是白像素，白像素的补是黑像素；

s126、确定第一分存图像区域处的SIP值，此区域的SIP值由第二分存图像区域处值以及秘密图像像素决定，即如果秘密图像像素s(k,l)是0，则将第二分存图像区域的SIP值的补填入到第一分存图像区域的对应位置，否则，则将第二分存图像区域的SIP值复制到第一分存图像上区域的对应位置。

上述步骤s13，进一步包括步骤：

s131、首先如下构造指示函数F_q(i,j),q＝1,2，用来指示位置(i,j)处的像素是否为普通像素，即：

s132、修改扩散系数；若修改前位置(i,j)处的扩散系数是h_i,j(k,l)，那么修改后的扩散系数是：h_i,j(k,l)←h_i,j(k,l)·F_q(k,l)；

s133、受限量化；使用如下量化方法量化像素值：

其中，表示使用一个阈值为127的两级量化器量化x。

此外，本发明还针对上述扩展可视加密方法提出了一种扩展可视解密方法，该方法解码秘密信息时不需要计算机参与，且具有篡改认证功能，恢复的秘密图像和水印图像质量高。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种扩展可视解密方法，针对如上所述的扩展可视加密方法，其包括如下步骤：

s21、将第一幅分存图像相对于第二幅分存图像平移d后叠加，如果能恢复出水印图像，则通过篡改认证，否则判定其中一幅图像受到了篡改；

s22、若通过步骤s21的认证，则将两幅分存图像对齐后叠加，可恢复出秘密图像。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)分存图像有意义，从而不容易引起攻击者的注意，降低了被截获和分析的概率；(2)分存图像无像素扩展，即分存图像的尺寸与掩盖图像的尺寸一样，这样不仅降低了传输带宽要求，降低了存储容量要求，也降低了编码器的计算复杂性；(3)解码秘密图像和水印都不需要计算机的参与，也就是说解码水印和秘密图像都不需要计算，只需要将分存图像错位叠加和对齐叠加即可；(4)具有篡改认证功能，如果攻击者实施替换攻击，则解码器无法从分存图像中提取水印，从而可检测分存图像是否受到了篡改；(5)恢复的秘密图像和水印图像质量高，图像中没有从分存图像或者掩盖图像来的干扰。

附图说明

图1为本发明中扩展可视加密和解密过程的总体框图。

图2为本发明实施例中使用的秘密图像和水印图像示意图。

图3为本发明中随机分配秘密图像像素SIP位置和辅助黑色像素ABP位置的示意图。

图4为本发明中将一维下标转换为二维下标的示意图。

图5为本发明中在分存图像上定义的四个区域的示意图。

图6为本发明中受限误差扩散的示意图。

图7为本发明中从半色调分存图像恢复的黑白水印图像的示意图。

图8为本发明中从半色调分存图像恢复的黑白秘密图像的示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

在本发明实施例中，采用的二值秘密图像和水印图像如图2所示。

需说明的是，在本发明实施例中，任何尺寸符合的M_s×N_s大小的二值图像都可作为秘密图像，任何尺寸符合的M_s×N_s大小的二值图像都可作为水印图像，其中表示对x向-∞方向取整。

本发明实施例中使用的参数如表1所示。

表1具体实施例中使用的参数

扩展可视加密和解密过程的总体框图如图1所示。

扩展可视加密过程，包括三个阶段：(1)像素划分、(2)嵌入秘密图像和水印、(3)受限误差扩散。

(1)、在像素划分阶段，输入两幅掩盖图像C₁、C₂、一幅秘密图像S和一幅水印图像W，使用秘密图像嵌入和水印嵌入器获得两幅分存图像，即第一分存图像B₁和第二分存图像B₂，分存图像有意义，体现了掩盖图像的内容；

将分存图像、掩盖图像都分割为Q×Q大小的块，每次处理一块；采用随机分割方法将每块中的像素分为三类：秘密图像像素SIP、辅助黑色像素ABP和普通像素OP。

其中，秘密图像像素SIP用于承载秘密图像和水印，辅助黑色像素ABP用于保证背景黑色，普通像素OP用于承载掩盖图像的内容。

设γ表示每个图像块中秘密图像像素SIP的数量，β表示辅助黑色像素ABP的数量。

首先随机生成一个从整数1到Q²的随机置换p，取p前γ个数作为SIP的位置，中间β个数作为第一分存图像ABP的位置，最后β个数作为第二分存图像的ABP的位置，如果最后像素少于β，则从非SIP像素的开始处再多取一个像素，这个过程如图3所示。注意，每块图像块对应的随机置换不同。

将上述一维数列按列转换成二维下标，则获得SIP和ABP在两幅分存图像的图像块中的位置，如图4所示。我们使用了随机划分，这种方法具有以下优点：(1)首先能保证每个图像块内有正好γ个SIP和β个ABP；(2)可保证安全性，在随机划分情况下，攻击者无法获得SIP和ABP的位置，从而无法直接对SIP和ABP处的像素进行替换攻击；而在普通的确定性划分方法情况下，攻击者完全知道SIP和ABP的位置，收到一幅分存图像后，攻击者可以将所有的SIP处像素置黑，导致接收端无法恢复秘密图像和水印。

(2)、在嵌入秘密图像阶段，为了同时将水印图像和秘密图像像素编码到两幅分存图像上，需将两幅分存图像根据平移参数d分割为四个区域，图像尺寸为M_c×N_c，如图5所示：

现在可在这些区域中的秘密图像像素SIP位置上同时嵌入秘密图像和水印图像。为描述方便，我们定义如下指示矩阵，用以指示像素是否是SIP，或者是否是ABP。

其中，表示所有SIP的集合，表示第一分存图像上所有ABP的集合，表示第二分存图像上所有ABP的集合；

下一步需复制SIP和ABP的位置。为了保证对齐叠加分存图像能恢复秘密图像，同时叠加错位的分存图像能恢复水印图像，需如下处理不同区域中SIP和ABP的位置：

首先将第二分存图像区域内的SIP位置拷贝到第一分存图像区域的SIP位置，即：

s(i,j)←s(i,j-d+1),d≤j≤N_c.

然后，在每幅分存图像上，将区域的ABP复制到区域上，即：

a₂(i,j)←a₂(i,j-d+1),d≤j≤N_c；

a₁(i,j)←a₁(i,j-d+1),d≤j≤N_c.

在完全确定了SIP和ABP位置后，下一步需确定所用的可视加密基本矩阵。

设所用的可视加密基本矩阵是M₀和M₁，每个矩阵的维数是2×γ。在具体实施方式中，可以使用如下基本可视加密矩阵：

如果需编码的秘密像素或者水印像素是1，则将经过列置换后的M₁的两行分别填入两个分存图像的SIP位置；否则，将经过列置换后的M₀的两行分别填入两个分存图像的SIP位置，用П(M)来表示对矩阵M的随机列置换。

下边给出依次在不同区域的嵌入方法：

首先，在两幅分存图像的区域，用秘密图像的像素来决定SIP处的值，用(k,l)表示图像块的下标，也是秘密图像像素的下标；

如果s(k,l)是0，则将П(M₀)的两行分别填入两个分存图像的SIP位置，否则将П(M₁)的两行分别填入两个分存图像的SIP位置。

接着，确定第二分存图像区域处的SIP值；该处的SIP值由水印图像W和第一分存图像区域处的SIP值所决定，即，如果水印比特w(k,l)是0，则将区域处像素的补填入到区域处，否则，直接将区域处像素值拷贝到区域处。

这一步保证了如果将区域和叠加，则能恢复水印图像。其中，上述所称的像素的补，具体而言，黑像素的补是白像素，白像素的补是黑像素。

最后，确定第一分存图像区域处的SIP值；此区域的SIP值由第二分存图像区域处值以及秘密图像像素决定，即如果秘密图像像素s(k,l)是0，则将第二分存图像区域的SIP值的补填入到第一分存图像区域的对应位置，否则，则将第二分存图像区域的SIP值复制到第一分存图像区域的对应位置。

经过上述步骤，已将秘密图像和水印图像同时嵌入到两幅分存图像中了。

(3)、在受限误差扩散阶段，需将掩盖图像的特征编码到分存图像中。

对普通像素使用基于误差扩散的半色调方法变换为二值图像，但是限制误差不扩散到秘密图像像素SIP和辅助黑色像素ABP上。对于秘密图像像素SIP和辅助黑色像素ABP，误差扩散过程中不改变他们的值，如图6所示。

为此，首先如下构造指示函数F_q(i,j),q＝1,2，用来指示位置(i,j)处的像素是否为普通像素，即：

使用上述指示函数修改扩散系数。若修改前位置(i,j)处的扩散系数是h_i,j(k,l)，可以用任何扩散核，例如Floyd-Steinberg扩散核、Jarvis扩散核或者Stucki扩散核。在本具体实现中选择了Floyd-Steinberg扩散核，修改后的扩散系数是：h_i,j(k,l)←h_i,j(k,l)·F_q(k,l)，从而可保证不将误差扩散到SIP和ABP位置。

最后实施受限量化。使用如下量化方法量化像素值：

其中，表示使用一个阈值为127的两级量化器量化x。

通过以上步骤，就完成了秘密嵌入阶段，获得两幅分存图像。可以将分存图像打印到透明胶片上，通过不同的信道传输。

若攻击者截获了其中一幅分存图像，它不能从中获得任何关于秘密图像和水印图像的信息，因为基本可视加密方法具有完全安全性的特性。

扩展可视解密过程，接收端收到两幅分存图像后，需进行认证和秘密恢复操作。

在认证操作中，将第一分存图像相对于第二分存图像平移d后叠加，如果能恢复出水印图像，则通过篡改认证，否则判定其中一幅图像受到了篡改。

在秘密恢复操作中，若通过上述认证则将两幅分存图像对齐后叠加，恢复出秘密图像恢复的水印图像如图7所示，恢复的秘密图像如图8所示。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (5)

1.一种扩展可视加密方法，其特征在于，包括如下步骤：

s11、输入两幅掩盖图像、一幅秘密图像和一幅水印图像，使用秘密图像嵌入和水印嵌入器获得两幅分存图像，即第一分存图像和第二分存图像；

将分存图像、掩盖图像都分割为Q×Q大小的块，每次处理一块；采用随机分割方法将每块中的像素分为三类：秘密图像像素SIP、辅助黑色像素ABP和普通像素OP；

s12、同时将水印图像和秘密图像像素编码到两幅分存图像上；将两幅分存图像根据平移参数d分割为四个区域，图像的尺寸为M_c×N_c：

在这些区域中的秘密图像像素SIP位置上同时嵌入秘密图像和水印图像；

s13、将掩盖图像的特征编码到分存图像中；对普通像素使用基于误差扩散的半色调方法变换为二值图像，但是限制误差不扩散到秘密图像像素SIP和辅助黑色像素ABP上；对于秘密图像像素SIP和辅助黑色像素ABP，误差扩散过程中不改变他们的值。

2.根据权利要求1所述的扩展可视加密方法，其特征在于，所述步骤s11，进一步包括：

s111、设γ表示每个图像块中秘密图像像素SIP的数量，β表示辅助黑色像素ABP的数量，首先随机生成一个从整数1到Q²的随机置换p，取p前γ个数作为SIP的位置，中间β个数作为第一分存图像的ABP的位置，最后β个数作为第二分存图像的ABP的位置；

s112、将上述一维数按列转换成二维下标，则获得SIP和ABP在两幅分存图像的图像块中的位置。

3.根据权利要求2所述的扩展可视加密方法，其特征在于，所述步骤s12，进一步包括：

s121、定义如下指示矩阵，用以指示像素是否是SIP，或者是否是ABP；

其中，表示所有SIP的集合，表示第一分存图像上所有ABP的集合，表示第二分存图像上所有ABP的集合；

s122、复制SIP和ABP的位置；

首先将第二分存图像区域内的SIP位置拷贝到第一分存图像区域的SIP位置，即：

s(i,j)←s(i,j-d+1),d≤j≤N_c,

然后，在每幅分存图像上，将区域的ABP复制到区域上，即：

a₂(i,j)←a₂(i,j-d+1),d≤j≤N_c；

a₁(i,j)←a₁(i,j-d+1),d≤j≤N_c；

s123、确定所用的可视加密基本矩阵；

设所用的可视加密基本矩阵是M₀和M₁，每个矩阵的维数是2×γ；如果需要编码的秘密像素或者水印像素是1，则将经过列置换后的M₁的两行分别填入两个分存图像的SIP位置；否则，将经过列置换后的M₀的两行分别填入两个分存图像的SIP位置，用П(M)来表示对矩阵M的随机列置换；

s124、在两幅分存图像的区域，以秘密图像的像素来决定SIP处的值；用(k,l)表示图像块的下标，也是秘密图像像素的下标；

如果秘密图像像素s(k,l)是0，则将П(M₀)的两行分别填入两个分存图像的SIP位置，否则将Π(M₁)的两行分别填入两个分存图像的SIP位置；

s125、确定第二分存图像区域处的SIP值，该处的SIP值由水印图像W和第一分存图像区域处的SIP值所决定，即如果水印比特w(k,l)是0，则将区域处像素的补填入到区域处，否则，直接将区域处像素值拷贝到区域处；

其中，像素的补，具体是指黑像素的补是白像素，白像素的补是黑像素；

s126、确定第一分存图像区域处的SIP值，此区域的SIP值由第二分存图像区域处值以及秘密图像像素决定，即如果秘密图像像素s(k,l)是0，则将第二分存图像区域的SIP值的补填入到第一分存图像区域的对应位置，否则，则将第二分存图像区域的SIP值复制到第一分存图像上区域的对应位置。

4.根据权利要求3所述的扩展可视加密方法，其特征在于，所述步骤s13，进一步包括：

s131、首先如下构造指示函数F_q(i,j),q＝1,2，用来指示位置(i,j)处的像素是否为普通像素，即：

s132、修改扩散系数；若修改前位置(i,j)处的扩散系数是h_i,j(k,l)，那么修改后的扩散系数是：h_i,j(k,l)←h_i,j(k,l)·F_q(k,l)；

s133、受限量化；使用如下量化方法量化像素值：

其中，表示使用一个阈值为127的两级量化器量化x。

5.一种扩展可视解密方法，其特征在于，针对如权利要求1所述的扩展可视加密方法，其包括如下步骤：

s21、将第一幅分存图像相对于第二幅分存图像平移d后叠加，如果能恢复出水印图像，则通过篡改认证，否则判定其中一幅图像受到了篡改；

s22、若通过步骤s21的认证，则将两幅分存图像对齐后叠加，可恢复出秘密图像。