CN107103631A - 基于分类置乱和隐藏信息分级的加密域可逆信息隐藏方法 - Google Patents

Abstract

一种基于分类置乱和隐藏信息分级的加密域可逆信息隐藏方法，它通过块分类可变像素和固定像素，并分类置乱可变像素和固定像素为加密图像预留隐藏空间；图像加密时，将图像分为可变像素和固定像素并分别以像素为单位进行按位异或和置乱加密，实现对像素值和像素位置加密保护；同时，将块分类矩阵做为图像加密密钥的一部分，进一步降低加密图像内容泄露的可能性；信息隐藏时，根据待隐藏信息的作用将其分为公开、授权和私密三类，用不同加密方法实现不同等级的保护。信息提取时，只要获得相应授权就能正确提取信息，没有隐藏密钥很难得到私密信息；图像解密时，只需加密密钥，就可以得到与原始图像相同的解密图像。算法实现简单，隐写容量大。

Description

基于分类置乱和隐藏信息分级的加密域可逆信息隐藏方法

技术领域

本发明涉及一种图像加密域的可逆信息隐藏方法。

背景技术

随着网络的普及和云服务的发展，一方面数字图像数据以密文的形式传输和存储在云端以保护数字图像的内容，另一方面云端需要在密文数字图像中再嵌入隐藏信息为数据管理提供便利。接收者需要提取密文数字图像中的隐藏信息，或者将密文数字图像解密、并去掉隐藏信息，恢复为原始图像。这种密文数字图像中的隐藏信息嵌入和提取及图像的无损恢复，即为图像加密域的可逆数据隐藏(RDH-EI:Reversible Data Hiding inEncrypted Image)。

近年来，对图像加密域可逆数据隐藏提出了多种方法。2012年X.Zhang(X.Zhang,Separable reversible data hiding in encrypted image,IEEE Trans.Inf.ForensicsSecurity,2012,7(2):826-832)首次提出了图像密文域可逆数据隐藏方法。此后研究者从提高算法可逆性、隐藏容量、实用性和安全性等方面提出了多种RDH-EI方法。最近，X.Cao等人(X.Cao,L.Du,X.Wei,D.Meng,X.Guo,High capacity reversible data hiding inencrypted images by patch-level sparse representation,IEEE Trans.Cybern.,2016,46(5):1132-1143)提出了一种基于块稀疏编码的RDH-EI方法，该方法利用稀疏编码压缩明文图像块，在加密前预留隐藏空间，进一步扩大了信息隐藏容量和可逆性。不过X.Cao算法的时间复杂度较高且解密图像时需要过完备字典。另外，从提高RDH-EI方法的安全性和实用性的角度，J.Zhou等(J.Zhou,W.Sun,L.Dong et al.,Secure reversibleimage data hiding over encrypted domain via key modulation,IEEETrans.Circuits Syst.Video Technol.,2016,26(3):441-452)在一文中指出，现有RDH-EI方法在恢复得到高质量原始图像时，接收者除了与加密者共享加密密钥外，还需要与隐藏者共享隐藏密钥。这需要构建相应的密钥管理系统(KMS：Key Management System)来管理与分享隐藏密钥，不仅需要额外的花费，还可能带来潜在安全风险。为此J.Zhou提出取消隐藏密钥，由加密密钥同时保护图像内容和隐藏信息。取消隐藏密钥无疑降低了密钥管理的代价，不过如果隐藏的“隐藏信息”用于密文图像的快速检索，解密图像后才能提取隐藏信息则不太适用。事实上，隐藏信息的作用决定它被访问的权限。因此，如何根据隐藏信息的访问权限，设计合理的保护方案以协调密钥管理与隐藏信息使用之间的矛盾，是RDH-EI技术走向实用的关键环节之一。

另一方面，保护原图像内容的私密性是RDH-EI技术重要目标。现有RDH-EI方法包括X.Cao和J.Zhou最近提出的RDH-EI算法大多采用按位“异或”加密数字图像。异或加密可以很好地保护图像像素值，不过像素位置没有得到有效的保护，存在图像内容信息泄露的风险。例如，如果攻击者得到一幅加密图像及其相应的解密图像，无需加密密钥就能估计出密钥流，此时采用相同密钥的加密图像都存在内容泄露的危险。因此，如何进一步降低加密图像内容被泄密的可能性，是RDH-EI技术必须解决的关键问题。

发明内容

本发明的目的是提供基于分类置乱和隐藏信息分级的加密域可逆信息隐藏方法，该方法传输的图像安全性好，隐藏密钥的管理难度低，隐写容量大，隐藏信息安全性有保障；且其算法实现简单。

本发明实现其发明目的所采用的技术方案为，一种基于分类置乱和隐藏信息分级的加密域可逆信息隐藏方法，包括如下步骤：

A、分类置乱加密

A1、块分类矩阵：

将大小为(P×M)×(Q×N)的原始图像X，X＝{x_i，j|i＝1，2，...，I，j＝1，2，...，J}划分成M×N个不重叠的图像块X_m，n，X_m，n＝{x_p，q|p＝1，2，...，P，q＝1，2，...，Q}；

其中，I＝P×M为原始图像X的行数，J＝Q×N为原始图像X的列数；m为图像块X_m,n的纵向序号，其最大值为M；n为图像块X_m,n的横向序号，其最大值为N；p为图像块X_m,n的像素x_p,q的行数，q为图像块X_m,n的像素x_p,q的列数；P、Q分别为图像块X_m,n的行数、列数；

如果图像块X_m,n中的所有像素的最高有效位相同，则块分类标识t_m,n的值为0，否则，块分类标识t_m,n的值为1，得到块分类矩阵T，T＝{t_m,n|m＝1,2…,M,n＝1,2,…,N}；

A2、像素类型标示矩阵：

初始化图像块X_m,n的块像素类型标示矩阵C_m,n，C_m,n＝{c_p,q|p＝1,2,…,P,q＝1,2,…,Q}的所有元素值为1；如果对应的块分类标识t_m,n＝0，则在该块像素类型标示矩阵C_m,n中基于加密密钥K_e选择对应的一个元素值不变，其它元素值置为0；将所有块像素类型标示矩阵C_m,n拼接为图像像素类型标示矩阵C＝{C_m,n|m＝1,2,…,M,n＝1,2,…,N}，统计图像像素类型标示矩阵C中元素值为0的元素个数，记为n_c；

A3、生成加密图像：

块像素类型标示矩阵C_m,n中，如果元素c_p,q的值为0，则图像块X_m,n中同一位置的像素x_p,q定义为可变像素；否则，图像块X_m,n中同一位置的像素x_p,q定义为固定像素；将所有图像块X_m,n中的可变像素拼接为可变像素线性表L^c，同时将所有图像块X_m,n中的固定像素拼接为固定像素线性表L^u；

然后，基于加密密钥K_e生成密钥流，分别对可变像素线性表L^c和固定像素线性表L^u依次做“按位异或解密”和“置乱解密”，得到加密的可变像素线性表L^c′和加密固定像素线性表L^u′；接着，将加密可变像素线性表L^c′和加密固定像素线性表L^u′拼接，得到加密图像X′，X′＝{x′_i，j|i＝1，2，...，I，j＝1，2，...，J}；

计算加密图像X′的总像素个数的最小二进制表示的位数a，进而得到加密图像X′的最大嵌入比特数n_max，n_max＝n_c-a，将最大嵌入比特数n_max的二值编码替换加密图像X′的前a个像素即x′_1，1至x′_1，a像素的最高有效位，得到头部替换后的加密图像X″，X″＝{x″_i，j|i＝1，2，...，I，j＝1，2，...，J}；

B、信息隐藏

B1、隐藏信息分类加密：

将隐藏信息S分为公开信息S₁、授权信息S₂和私密信息S₃，即S＝{S₁,S₂,S₃}；S₁，S₂和S₃的比特数分别记为l₁、l₂和l₃，l₁、l₂和l₃均用b位二进制表示，max(.)表示最大值函数；

将授权信息S₂及其比特数l₂用私钥K₂同时进行非对称加密，得到加密授权信息S′₂和授权信息S₂的加密比特数l′₂；

将授权信息S₂的比特数l₂和私密信息S₃的比特数l₃串联，得到授权信息和私密信息的总比特数l_2，3，用隐藏密钥K₃加密授权信息和私密信息的总比特数l_2，3得到授权信息和私密信息的加密总比特数l′_2，3；同时，用隐藏密钥K₃对私密信息S₃进行对称加密，得到加密私密信息S′₃；

将公开信息的比特数l₁、授权信息的加密比特数l′₂、授权信息和私密信息的加密总比特数l′_2，3串接，构成长度为4b比特的长度加密信息L，同时，将公开信息、加密授权信息S′₂和加密私密信息S′₃串接，得到长度为l，l＝l₁+l₂+l₃比特的加密隐藏信息E；

B2、信息分类隐藏：

提取头部替换后的加密图像X″的前a个像素即x″_1，1至x″_1，a像素的最高有效位，即提取得到加密图像的最大嵌入比特数n_max；如果最大嵌入比特数n_max不小于加密隐藏信息E的长度l，则依次将4b比特的长度加密信息L和l比特的加密隐藏信息E写入头部替换后的加密图像X″中的前n_max+a个像素的最高有效位，生成含加密隐藏信息的加密图像即加密-携密图像X″′，X″′＝{x″′_i，j|i＝1，2，...，I，j＝1，2，...，J}；

C、隐藏信息提取

C1、提取长度加密信息：提取加密-携密图像X″′的前4b个像素的最高有效位，提取得到4b比特的长度加密信息L；

C2、分权限提取隐藏信息：

有权访问加密-携密图像X″′的用户，利用长度加密信息L中的前b个元素得出公开信息的长度l₁，并在加密-携密图像X″′的第4b+1至第4b+l₁个像素中提取得出公开信息S₁；

获得隐藏者的公钥K₁的授权用户，利用公钥K₁对加密-携密图像X″′的第b+1至第2b个像素进行非对称加密运算的反运算，得到授权信息的长度l₂，并用公钥K₁对加密-携密图像X″′的第4b+l₁+1至第4b+l₁+l₂个像素进行非对称加密运算的反运算，得到授权信息S₂；

获得隐藏密钥K₃的授权用户，利用隐藏密钥K₃对加密-携密图像X″′的第2b+1至4b第个像素进行对称加密运算的反运算，同时得到授权信息的长度l₂和私密信息的长度l₃，并用隐藏密钥K₃对加密-携密图像X″′的第4b+l₁+l₂+1至第n_max+a个像素进行对称加密运算的反运算，得到授权信息S₃；

D、图像解密

D1、像素类型标示矩阵：

接收者收到加密-携密图像X″′,X″′＝{x″′_i，j|i＝1，2，...，I，j＝1，2，...，J}和块分类矩阵T，T＝{t_m,n|m＝1,2…M,n＝1,2…N}，算出加密-携密图像块的行数P，P＝I/M和列数Q，Q＝J/N；将加密-携密图像X″′划分成M×N个不重叠的加密-携密图像块X″′_m，n，X″′_m，n＝{X″′_p，q|p＝1，2，...，P，q＝1，2，...，Q}；

初始化加密-携密图像块X″′_m，n的携密块像素类型标示矩阵 的所有元素值为1；如果对应的块分类标识t_m,n＝0，则在该块像素类型标示矩阵中基于加密密钥K_e选择对应的一个元素值不变，其它元素值置为0；将所有携密块像素类型标示矩阵接为携密图像像素类型标示矩阵统计携密图像像素类型标示矩阵中元素值为0的元素个数，记为n_c′；

D2、生成初始解密图像：

将加密-携密图像X″′的前n_c′个像素组成携密可变像素线性表其余像素组成携密固定像素线性表分别对携密可变像素线性表和携密固定像素线性表依次做“置乱解密”和“按位异或解密”，得到解密可变像素线性表和解密固定像素线性表

初始化解密图像D⁰，D⁰中所有像素均为1；如果携密图像像素类型标示矩阵中的元素且为第y个为0的元素，则将初始解密图像D⁰中同一位置的像素的替换为解密可变像素线性表中的第y个元素；如果携密块像素类型标示矩阵中的元素且为第z个为1的元素，将初始解密图像D⁰中位置的像素的替换为解密可变像素线性表中的第z个元素。

D3、生成解密图像：

将初始解密图像D⁰，划分成M×N个不重叠的初始解密图像块 如果块分类标识t_m,n的值为0，找出对应携密块像素类型标示矩阵中值为1的元素，令该元素为p0和q0分别为元素在携密块像素类型标示矩阵中的行数和列数；再用初始解密图像块中同一位置(p0,q0)处的像素的最高有效位更新初始解密图像块中的其他像素的最高有效位，生成解密图像块D_m，n，将所有解密图像块D_m，n拼接为解密图像D，即完成解密图像的生成。

与现有技术相比，本发明的有益效果是:

一、本发明在现有图像异或加密保护图像像素内容的基础上，增加了对图像像素的分类置乱加密，实现了对像素位置的保护，进一步提高了图像加密的安全性；同时，对内容保护要求较高的图像，加密者可以将图像块分类矩阵做为加密密钥的一部分，进一步降低加密图像信息泄露的可能性。

二、本发明在图像加密之前以图像块为单位将像素分为可变像素和固定像素，以简单操作为加密图像的信息隐藏预留空间。与现有采用明文图像可逆隐藏、稀疏编码压缩等预留空间方法相比，操作简单、算法复杂度低，隐写容量大。

三、接收者仅需要图像加密密钥，无需隐藏密钥，就可以得到与原始图像相同的解密图像，实现了图像加密与信息隐藏、图像解密与信息提取的完全独立，不仅降低了隐藏密钥的管理难度，而且提高了算法的实用性。

四、本发明首次提出待隐藏信息不同等级保护的思想，隐藏者(或加密数据的管理者)根据待隐藏信息的作用，将待隐藏信息分为公开、授权和私密信息三部分，对不同类型的待隐藏信息采用不同的加密方式，有效缓解了密钥管理、管理信息实用性和隐藏信息保密性之间的矛盾：

对待隐藏信息的分类保护，实现了公开信息的无密钥提取、授权信息和私密信息的独立提取；拥有隐藏密钥的人，可以估计出授权信息长度，但无法解密授权信息；任何人(包括加密密钥拥有者、授权信息提取者)都无法提取私密信息，甚至难以推断私密信息的长度。

总之，本发明加密时以像素为单位对像素值和像素位置加密保护，提高了图像内容保护的安全性；将待隐藏信息根据其作用分为公开、授权和私密信息三类，通过不同的加密方式实现待隐藏信息的不同等级保护，即任何访问加密图像的用户均可提取公开信息，授权用户提取半公开信息，隐藏密钥控制私密信息的提取；对于接收者，无需隐藏密钥，只要获取加密密钥，就可以得到与原始图像完全相同的解密图像，有效降低了隐藏密钥的管理难度；算法实现简单，隐写容量大。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1a为本发明仿真实验使用的Pappers原始图像。

图1b为本发明仿真实验得到的加密Pappers图像。

图2a为本发明仿真实验使用的Lena原始图像。

图2b为本发明仿真实验得到的Lena加密图像。

图3a本发明仿真实验得到的P appers的加密-携密图像；

图3b Lena的加密-携密图像。

图4a为本发明仿真实验得到的Lena解密图像；

图4b Pappers块分类矩阵得到Lena解密图像。

图5为不同条件下分块大小与最大隐写容量关系图。

具体实施方式

实施例

本发明的一种具体实施方式是，一种基于分类置乱和隐藏信息分级的加密域可逆信息隐藏方法，包括如下步骤：

A、分类置乱加密

A1、块分类矩阵：

将大小为(P×M)×(Q×N)的原始图像X，X＝{x_i，j|i＝1，2，...，I，j＝1，2，...，J划分成M×N个不重叠的图像块X_m，n，X_m，n＝{x_p，q|p＝1，2，...，P，q＝1，2，...，Q}；

其中，I＝P×M为原始图像X的行数，J＝Q×N为原始图像X的列数；m为图像块X_m,n的纵向序号，其最大值为M；n为图像块X_m,n的横向序号，其最大值为N；p为图像块X_m,n的像素x_p,q的行数，q为图像块X_m,n的像素x_p,q的列数；P、Q分别为图像块X_m,n的行数、列数；

如果图像块X_m,n中的所有像素的最高有效位相同，则块分类标识t_m,n的值为0，否则，块分类标识t_m,n的值为1，得到块分类矩阵T，T＝{t_m,n|m＝1,2…,M,n＝1,2,…,N}；

A2、像素类型标示矩阵：

初始化图像块X_m,n的块像素类型标示矩阵C_m,n，C_m,n＝{c_p,q|p＝1,2,…,P,q＝1,2,…,Q}的所有元素值为1；如果对应的块分类标识t_m,n＝0，则在该块像素类型标示矩阵C_m,n中基于加密密钥K_e选择对应的一个元素值不变，其它元素值置为0；将所有块像素类型标示矩阵C_m,n拼接为图像像素类型标示矩阵C＝{C_m,n|m＝1,2,…,M,n＝1,2,…,N}，统计图像像素类型标示矩阵C中元素值为0的元素个数，记为n_c；

A3、生成加密图像：

块像素类型标示矩阵C_m,n中，如果元素c_p,q的值为0，则图像块X_m,n中同一位置的像素x_p,q定义为可变像素；否则，图像块X_m,n中同一位置的像素x_p,q定义为固定像素；将所有图像块X_m,n中的可变像素拼接为可变像素线性表L^c，同时将所有图像块X_m,n中的固定像素拼接为固定像素线性表L^u；

然后，基于加密密钥K_e生成密钥流，分别对可变像素线性表L^c和固定像素线性表L^u依次做“按位异或解密”和“置乱解密”，得到加密的可变像素线性表L^u′和加密固定像素线性表L^u′；接着，将加密可变像素线性表L^c′和加密固定像素线性表L^u′拼接，得到加密图像X′，X′＝{x′_i，j|i＝1，2，...，I，j＝1，2，...，J}；

计算加密图像X′的总像素个数的最小二进制表示的位数a，进而得到加密图像X′的最大嵌入比特数n_max，n_max＝n_c-a，将最大嵌入比特数n_max的二值编码替换加密图像X′的前a个像素即x′_1，1至x′_1，a像素的最高有效位，得到头部替换后的加密图像X″，X″＝{x″_i，j|i＝1，2，...，I，j＝1，2，...，J}；

B、信息隐藏

B1、隐藏信息分类加密：

将隐藏信息S分为公开信息S₁、授权信息S₂和私密信息S₃，即S＝{S₁,S₂,S₃}；S₁，S₂和S₃的比特数分别记为l₁、l₂和l₃，l₁、l₂和l₃均用b位二进制表示，max(.)表示最大值函数；

将授权信息S₂及其比特数l₂用私钥K₂同时进行非对称加密，得到加密授权信息S′₂和授权信息S₂的加密比特数l′₂；

将授权信息S₂的比特数l₂和私密信息S₃的比特数l₃串联，得到授权信息和私密信息的总比特数l_2，3，用隐藏密钥K₃加密授权信息和私密信息的总比特数l_2，3得到授权信息和私密信息的加密总比特数l′_2，3；同时，用隐藏密钥K₃对私密信息S₃进行对称加密，得到加密私密信息S′₃；

将公开信息的比特数l₁、授权信息的加密比特数l′₂、授权信息和私密信息的加密总比特数S′_2，3串接，构成长度为4b比特的长度加密信息L，同时，将公开信息、加密授权信息S′₂和加密私密信息S′₃串接，得到长度为l，l＝l₁+l₂+l₃比特的加密隐藏信息E；

B2、信息分类隐藏：

提取头部替换后的加密图像X″的前a个像素即x″_1，1至x″_1，a像素的最高有效位，即提取得到加密图像的最大嵌入比特数n_max；如果最大嵌入比特数n_max不小于加密隐藏信息E的长度l，则依次将4b比特的长度加密信息L和l比特的加密隐藏信息E写入头部替换后的加密图像X″中的前n_max+a个像素的最高有效位，生成含加密隐藏信息的加密图像即加密-携密图像X″′，X″′＝{x″′_i，j|i＝1，2，...，I，j＝1，2，...，J}；

C、隐藏信息提取

C1、提取长度加密信息：提取加密-携密图像X″′的前4b个像素的最高有效位，提取得到4b比特的长度加密信息L；

C2、分权限提取隐藏信息：

有权访问加密-携密图像X″′的用户，利用长度加密信息L中的前b个元素得出公开信息的长度l₁，并在加密-携密图像X″′的第4b+1至第4b+l₁个像素中提取得出公开信息S₁；

获得隐藏者的公钥K₁的授权用户，利用公钥K₁对加密-携密图像X″′的第b+1至第2b个像素进行非对称加密运算的反运算，得到授权信息的长度l₂，并用公钥K₁对加密-携密图像X″′的第4b+l₁+1至第4b+l₁+l₂个像素进行非对称加密运算的反运算，得到授权信息S₂；

获得隐藏密钥K₃的授权用户，利用隐藏密钥K₃对加密-携密图像X″′的第2b+1至4b第个像素进行对称加密运算的反运算，同时得到授权信息的长度l₂和私密信息的长度l₃，并用隐藏密钥K₃对加密-携密图像X″′的第4b+l₁+l₂+1至第n_max+a个像素进行对称加密运算的反运算，得到授权信息S₃；

D、图像解密

D1、像素类型标示矩阵：

接收者收到加密-携密图像X″′,X″′＝{x″′_i，j|i＝1，2，...，I，j＝1，2，...，J}和块分类矩阵T，T＝{t_m,n|m＝1,2…M,n＝1,2…N}，算出加密-携密图像块的行数P，P＝I/M和列数Q，Q＝J/N；将加密-携密图像X″′划分成M×N个不重叠的加密-携密图像块X″′_m，n，X″′_m，n＝{x″′_p，q|p＝1，2，...，P，q＝1，2，...，Q}；

初始化加密-携密图像块X″′_m，n的携密块像素类型标示矩阵 的所有元素值为1；如果对应的块分类标识t_m,n＝0，则在该块像素类型标示矩阵中基于加密密钥K_e选择对应的一个元素值不变，其它元素值置为0；将所有携密块像素类型标示矩阵拼接为携密图像像素类型标示矩阵统计携密图像像素类型标示矩阵中元素值为0的元素个数，记为n_c′；

D2、生成初始解密图像：

将加密-携密图像X″′的前n_c′个像素组成携密可变像素线性表其余像素组成携密固定像素线性表分别对携密可变像素线性表和携密固定像素线性表依次做“置乱解密”和“按位异或解密”，得到解密可变像素线性表和解密固定像素线性表

初始化解密图像D⁰，D⁰中所有像素均为1；如果携密图像像素类型标示矩阵中的元素且为第y个为0的元素，则将初始解密图像D⁰中同一位置的像素的替换为解密可变像素线性表中的第y个元素；如果携密块像素类型标示矩阵中的元素且为第z个为1的元素，将初始解密图像D⁰中位置的像素的替换为解密可变像素线性表中的第z个元素。

D3、生成解密图像：

将初始解密图像D⁰，划分成M×N个不重叠的初始解密图像块 如果块分类标识t_m,n的值为0，找出对应携密块像素类型标示矩阵中值为1的元素，令该元素为p0和q0分别为元素在携密块像素类型标示矩阵中的行数和列数；再用初始解密图像块中同一位置(p0,q0)处的像素的最高有效位更新初始解密图像块中的其他像素的最高有效位，生成解密图像块D_m，n，将所有解密图像块D_m，n拼接为解密图像D，即完成解密图像的生成。

本发明的效果可以通过以下性能分析及仿真实验测试得到验证和说明。

仿真实验及性能分析

实验仿真以大小为：(P×M)×(Q×N)＝(8×64)×(8×64)＝512×512的Pappers图像和Lena为测试图像，以块大小P×Q＝8×8为例，验证本发明方法的各项性能。实验中采用Matlab提供的标准Rand函数生成随机数对测试图像加密，加密密钥为89327366。

图1a为原始的Pappers图像，图1b为利用本发明方法得到的Pappers加密图像；图2a为原始的Lena图像，图2b为利用本发明方法得到的Lena加密图像。

由图1b和图2b看以看出，两个加密图像都类似随机噪声，加密效果良好。计算得到的Pappers和Lena的最大隐写容量分别为178461比特和167310比特。

给定隐藏信息S的三类信息的长度分别为：公开信息S₁为5000比特，授权信息S₂为5000比特，私密信息S₃为8000比特，b的取值与a相同，均为18比特，因此，隐写的信息的总比特数为18072比特。图3a为本发明方法得到的加密-携密Pappers图像，图3b为本发明方法得到的加密-携密Lena图像。

由图3a和图3b看以看出，两个加密-携密图像与加密图像相似，都类似噪声分布，这说明本发明的信息隐写没有改变加密图像特性。需要强调的是：加密-携密Pappers图像与加密-携密Lena图像是采用相同加密密钥和相同隐写密钥生成的。

在得到隐藏者公钥和隐藏密钥的条件下，根据本发明的提取算法提取各类信息，三类信息都能以100％概率正确提取。当接收者获得加密密钥和相应的加密-携密图像，利用本发明的图像解密步骤可以得到与原始图像相同的解密图像，图4a是Lena图像的解密图像。另一方面，即使接收着拥有加密密钥，如果没有获得图像的块分类矩阵，也无法解密得到原始图像。图4b是利用加密密钥和Lena的块分类矩阵，对加密-携密Pappers图像执行解密得到的解密图像。

由图4b可以看出，解密图像几乎不包含Pappers图像的语义内容，这说明即使攻击者得到加密密钥，如果没有相应的块分类矩阵也很难得到加密-携密图像的原始内容。这样，解密者可以采用相同的加密密钥加密多幅图像，方便密钥管理的同时也进一步增强了对加密图像内容的保护。

最后，验证本发明方法的隐写容量与图像块大小间的关系。分别取块大小为P×Q(P＝2,3,4,...,24,Q＝2,3,4,...,24)加密图像并统计不同块大小下的最大隐写容量。最大隐写容量分两种情况，(1)将块分类矩阵做为密钥的一部分；(2)将块分类矩阵加密后隐藏在与固定像素临近的可变像素中，此时最大隐写容量为可变像素个数减去块分类矩阵大小。

图5为不同条件下Pappers图像和Lena图像的最大隐写容量与块大小的关系曲线。

由图5可以看出，随着图像块的增大，两种条件下的隐写容量近似相等，这是因为图像块越大，块分类矩阵越小的缘故。需要说明的是，图5中的隐写容量做了归一化处理(bpp:bit per pixel)，即将最大隐写容量(比特数)除以图像的像素个数。

Claims (1)

1.一种基于分类置乱和隐藏信息分级的加密域可逆信息隐藏方法，包括如下步骤：

A、分类置乱加密

A1、块分类矩阵：

将大小为(P×M)×(Q×N)的原始图像X，X＝{x_i，j|i＝1，2，...，I，j＝1，2，...，J}划分成M×N个不重叠的图像块X_m，n，X_m，n＝{x_p，q|p＝1，2，...，P，q＝1，2，...，Q}；

其中，I＝P×M为原始图像X的行数，J＝Q×N为原始图像X的列数；m为图像块X_m,n的纵向序号，其最大值为M；n为图像块X_m,n的横向序号，其最大值为N；p为图像块X_m,n的像素x_p,q的行数，q为图像块X_m,n的像素x_p,q的列数；P、Q分别为图像块X_m,n的行数、列数；

如果图像块X_m,n中的所有像素的最高有效位相同，则块分类标识t_m,n的值为0，否则，块分类标识t_m,n的值为1，得到块分类矩阵T，T＝{t_m,n|m＝1,2…,M,n＝1,2,…,N}；

A2、像素类型标示矩阵：

初始化图像块X_m,n的块像素类型标示矩阵C_m,n，C_m,n＝{c_p,q|p＝1,2,…,P,q＝1,2,…,Q}的所有元素值为1；如果对应的块分类标识t_m,n＝0，则在该块像素类型标示矩阵C_m,n中基于加密密钥K_e选择对应的一个元素值不变，其它元素值置为0；将所有块像素类型标示矩阵C_m,n拼接为图像像素类型标示矩阵C＝{C_m,n|m＝1,2,…,M,n＝1,2,…,N}，统计图像像素类型标示矩阵C中元素值为0的元素个数，记为n_c；

A3、生成加密图像：

块像素类型标示矩阵C_m,n中，如果元素c_p,q的值为0，则图像块X_m,n中同一位置的像素x_p,q定义为可变像素；否则，图像块X_m,n中同一位置的像素x_p,q定义为固定像素；将所有图像块X_m,n中的可变像素拼接为可变像素线性表L^c，同时将所有图像块X_m,n中的固定像素拼接为固定像素线性表L^u；

然后，基于加密密钥K_e生成密钥流，分别对可变像素线性表L^c和固定像素线性表L^u依次做“按位异或解密”和“置乱解密”，得到加密的可变像素线性表L^c′和加密固定像素线性表L^u′；接着，将加密可变像素线性表L^c′和加密固定像素线性表L^u′拼接，得到加密图像X′，{X′＝{x′_i，j|i＝1，2，...，I，j＝1，2，...，J}；

计算加密图像X′的总像素个数的最小二进制表示的位数a，进而得到加密图像X′的最大嵌入比特数n_max，n_max＝n_c-a，将最大嵌入比特数n_max的二值编码替换加密图像X′的前a个像素即x′_1，1至x′_1，a像素的最高有效位，得到头部替换后的加密图像X″，X″＝{x″_i，j|i＝1，2，...，I，j＝1，2，...，J}；

B、信息隐藏

B1、隐藏信息分类加密：

将隐藏信息S分为公开信息S₁、授权信息S₂和私密信息S₃，即S＝{S₁,S₂,S₃}；S₁，S₂和S₃的比特数分别记为l₁、l₂和l₃，l₁、l₂和l₃均用b位二进制表示，max(.)表示最大值函数；

将授权信息S₂及其比特数l₂用私钥K₂同时进行非对称加密，得到加密授权信息S′₂和授权信息S₂的加密比特数l′₂；

将授权信息S₂的比特数l₂和私密信息S₃的比特数l₃串联，得到授权信息和私密信息的总比特数l_2，3，用隐藏密钥K₃加密授权信息和私密信息的总比特数l_2，3得到授权信息和私密信息的加密总比特数l′_2，3；同时，用隐藏密钥K₃对私密信息S₃进行对称加密，得到加密私密信息S′₃；

将公开信息的比特数l₁、授权信息的加密比特数l′₂、授权信息和私密信息的加密总比特数l′_2，3串接，构成长度为4b比特的长度加密信息L，同时，将公开信息、加密授权信息S′₂和加密私密信息S′₃串接，得到长度为l，l＝l₁+l₂+l₃比特的加密隐藏信息E；

B2、信息分类隐藏：

提取头部替换后的加密图像X″的前a个像素即x″_1，1至x″_1，a像素的最高有效位，即提取得到加密图像的最大嵌入比特数n_max；如果最大嵌入比特数n_max不小于加密隐藏信息E的长度l，则依次将4b比特的长度加密信息L和l比特的加密隐藏信息E写入头部替换后的加密图像X″中的前n_max+a个像素的最高有效位，生成含加密隐藏信息的加密图像即加密-携密图像X″′，X″′＝{x″′_i，j|i＝1，2，...，I，j＝1，2，...，J}；

C、隐藏信息提取

C1、提取长度加密信息：提取加密-携密图像X″′的前4b个像素的最高有效位，提取得到4b比特的长度加密信息L；

C2、分权限提取隐藏信息：

有权访问加密-携密图像X″′的用户，利用长度加密信息L中的前b个元素得出公开信息的长度l₁，并在加密-携密图像X″′的第4b+1至第4b+l₁个像素中提取得出公开信息S₁；

获得隐藏者的公钥K₁的授权用户，利用公钥K₁对加密-携密图像X″′的第b+1至第2b个像素进行非对称加密运算的反运算，得到授权信息的长度l₂，并用公钥K₁对加密-携密图像X″′的第4b+l₁+1至第4b+l₁+l₂个像素进行非对称加密运算的反运算，得到授权信息S₂；

获得隐藏密钥K₃的授权用户，利用隐藏密钥K₃对加密-携密图像X″′的第2b+1至4b第个像素进行对称加密运算的反运算，同时得到授权信息的长度l₂和私密信息的长度l₃，并用隐藏密钥K₃对加密-携密图像X″′的第4b+l₁+l₂+1至第n_max+a个像素进行对称加密运算的反运算，得到授权信息S₃；

D、图像解密

D1、像素类型标示矩阵：

接收者收到加密-携密图像X″′,X″′＝{x″′_i，j|i＝1，2，...，I，j＝1，2，...，J}和块分类矩阵T，T＝{t_m,n|m＝1,2…M,n＝1,2…N}，算出加密-携密图像块的行数P，P＝I/M和列数Q，Q＝J/N；将加密-携密图像X″′划分成M×N个不重叠的加密-携密图像块X″′_m，n，X″′_m，n＝{x″′_p，q|p＝1，2，...，P，q＝1，2，...，Q}；

初始化加密-携密图像块X″′_m，n的携密块像素类型标示矩阵 的所有元素值为1；如果对应的块分类标识t_m,n＝0，则在该块像素类型标示矩阵中基于加密密钥K_e选择对应的一个元素值不变，其它元素值置为0；将所有携密块像素类型标示矩阵拼接为携密图像像素类型标示矩阵统计携密图像像素类型标示矩阵中元素值为0的元素个数，记为n_c′；

D2、生成初始解密图像：

将加密-携密图像X″′的前n_c′个像素组成携密可变像素线性表其余像素组成携密固定像素线性表分别对携密可变像素线性表和携密固定像素线性表依次做“置乱解密”和“按位异或解密”，得到解密可变像素线性表和解密固定像素线性表

初始化解密图像D⁰，D⁰中所有像素均为1；如果携密图像像素类型标示矩阵中的元素且为第y个为0的元素，则将初始解密图像D⁰中同一位置的像素的替换为解密可变像素线性表中的第y个元素；如果携密块像素类型标示矩阵中的元素且为第z个为1的元素，将初始解密图像D⁰中位置的像素的替换为解密可变像素线性表中的第z个元素。

D3、生成解密图像：

将初始解密图像D⁰，划分成M×N个不重叠的初始解密图像块 如果块分类标识t_m,n的值为0，找出对应携密块像素类型标示矩阵中值为1的元素，令该元素为p0和q0分别为元素在携密块像素类型标示矩阵中的行数和列数；再用初始解密图像块中同一位置(p0,q0)处的像素的最高有效位更新初始解密图像块中的其他像素的最高有效位，生成解密图像块D_m，n，将所有解密图像块D_m，n拼接为解密图像D，即完成解密图像的生成。