CN107770407B - 联合零水印嵌入的图像加密方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种联合零水印嵌入的图像加密方法和装置，该方法以数字图像为研究对象，基于小波域实现零水印嵌入和混沌加密。其中，加密技术的运用能够有效避免数字图像在传播过程中出现的隐私泄露、非法剽窃等问题，提高图像信息传播过程中的安全性；而零水印嵌入技术，则可以对授权用户使用解密后的图像，进行持续监控，方便实现数字图像的版权验证。

Description

联合零水印嵌入的图像加密方法和装置

技术领域

本发明涉及信息安全技术领域，具体而言，涉及一种联合零水印嵌入的图像加密方法和装置。

背景技术

经发明人研究发现，随着通信技术和互联网技术的快速发展，社交网络可以在任何时间为任何地点的终端提供数字图像分享服务。但随之而来的是数字图像等多媒体数据传播过程中存在的隐私泄露、非法剽窃等问题也愈演愈烈，因此，如何进一步提高图像信息传播过程的安全性是本领域技术人员的重要研究课题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于小波域实现的联合零水印嵌入的图像加密方法和装置，能够有效解决上述问题。

本发明较佳实施例提供一种联合零水印嵌入的图像加密方法，基于小波域实现，包括：

对原始图像进行离散小波变换，以得到近似分量、水平细节分量、垂直细节分量和对角细节分量；

针对所述近似分量、水平细节分量、垂直细节分量和对角细节分量中的每个分量进行处理，并提取各分量中的符号位部分、整数位部分和小数位部分，将各符号位部分保存为符号矩阵、各整数位部分保存为整数矩阵、各小数位部分保存为小数矩阵；

利用秘钥矩阵对各所述符号矩阵进行加密，并对加密后的各所述符号矩阵进行置乱变换以得到4个加密符号矩阵；

对各所述小数矩阵进行处理以得到4个第一小数向量，并对各所述第一小数向量中的各向量元素进行排序，确定排序后的每个向量元素在排序前的所述第一小数向量中的位置，以得到4个第一位置向量；

对水印图像进行离散小波变换得到近似分量、水平细节分量、垂直细节分量和对角细节分量，并对各分量中的向量元素进行小数化处理以得到4个第二小数向量，并对各所述第二小数向量中的各向量元素进行排序，确定排序后的每个向量元素在排序前的该第二小数向量中的位置，以得到4个第二位置向量；

针对由所述水印图像得到的近似分量、水平细节分量、垂直细节分量和对角细节分量中的各分量，确定其在4个所述第二位置向量中的对应向量元素，并进一步确定该向量元素在4个所述第一位置向量中的对应位置，得到4个第三位置向量，以完成对小数矩阵的零水印嵌入；

对各所述整数矩阵分别进行位平面分解以得到多个二进制位平面，将各二进制位平面划分为高位位平面和低八位位平面；其中，将各高位位平面与所述秘钥矩阵进行异或运算、置乱变换得到加密高位矩阵，将各低八位位平面分别表示为第一矩阵、第二矩阵、第三矩阵和第四矩阵；

将所述第一矩阵、第二矩阵、第三矩阵和第四矩阵表示为一个具有32个位平面的第五矩阵，并针对所述第五矩阵中的每个位平面，按照随机位块模式对其进行位块划分和位块交换；

生成包含有32个随机数的随机向量，并对该随机向量中的各随机数按照预设顺序进行排序；

按照排序后的所述随机向量中的各向量元素的下标对完成交换后的所述第五矩阵中的各位平面进行排序；

将排序后的所述第五矩阵按照预设规则划分为4个替换矩阵，再利用所述秘钥矩阵分别对所述替换矩阵进行异或运算以得到4个加密矩阵；

针对由所述原始图像得到的所述近似分量、水平细节分量、垂直细节分量和对角细节分量中的各分量，将所述4个加密矩阵中的每个加密矩阵与其对应的加密高位矩阵进行组合以得到4个加密整数矩阵；

将所述加密符号矩阵、加密整数矩阵以及嵌入零水印后的小数矩阵进行组合以得到联合水印嵌入的加密矩阵，对该联合水印嵌入的加密矩阵进行离散小波逆变换，得到联合水印嵌入的加密图像。

进一步地，所述秘钥矩阵通过以下步骤生成：

针对所述第一矩阵中的每行向量元素和每列向量元素，分别求取所述第一矩阵中M行向量元素的海明距离之和，以及第一矩阵中的N列向量元素海明距离之和；

利用信息多项式和CRC校验码分别求取M行向量元素海明距离之和的余数以及N列向量元素的海明距离之和的余数；

根据Logistic混沌系统和M行海明距离之和的余数，并以N列海明距离之和的余数作为初值生成秘钥矩阵。

进一步地，将排序后的所述第五矩阵按照预设规则划分为4个替换矩阵的步骤包括：

按照第1到第8、第9到第16、第17到第24、第25到第32将所述第五矩阵中的32个位平面划分为4个替换矩阵。

进一步地，所述随机位块模式的生成步骤为：

根据Henon映射生成两组混沌序列X和Y；

利用公式得到存储块大小的序列D和存储重叠部分大小的序列F，进而根据所述序列D和序列F确定随机位块模式。

进一步地，针对所述第五矩阵中的每个位平面，按照随机位块模式对其进行位块划分和位块交换的步骤包括：

根据所述随机位块模式对所述第五矩阵中的每个位平面进行位块划分，以得到预设数量个位块；

针对所述预设数量个位块中的每个位块，从该预设数量个位块中随机选取任意一个位块与该位块进行交换。

本发明较佳实施例还提供一种联合零水印嵌入的图像加密装置，基于小波域实现，包括：

第一小波变换模块，用于对原始图像进行离散小波变换，以得到近似分量、水平细节分量、垂直细节分量和对角细节分量；

第一处理模块，用于针对所述近似分量、水平细节分量、垂直细节分量和对角细节分量中的每个分量进行处理，并提取各分量中的符号位部分、整数位部分和小数位部分，将各符号位部分保存为符号矩阵、各整数位部分保存为整数矩阵、各小数位部分保存为小数矩阵；

符号位加密模块，用于利用秘钥矩阵对各所述符号矩阵进行加密，并对加密后的各所述符号矩阵进行置乱变换以得到4个加密符号矩阵；

第一排序模块，用于对各所述小数矩阵进行处理以得到4个第一小数向量，并对各所述第一小数向量中的各向量元素进行排序，确定排序后的每个向量元素在排序前的所述第一小数向量中的位置，以得到4个第一位置向量；

第二小波变换模块，用于对水印图像进行离散小波变换得到近似分量、水平细节分量、垂直细节分量和对角细节分量，并对各分量中的向量元素进行小数化处理以得到4个第二小数向量，并对各所述第二小数向量中的各向量元素进行排序，确定排序后的每个向量元素在排序前的该第二小数向量中的位置，以得到4个第二位置向量；

水印嵌入模块，用于针对由所述水印图像得到的近似分量、水平细节分量、垂直细节分量和对角细节分量中的各分量，确定其在4个所述第二位置向量中的对应向量元素，并进一步确定该向量元素在4个所述第一位置向量中的对应位置，得到4个第三位置向量，以完成对小数矩阵的零水印嵌入；

位平面分解模块，用于对各所述整数矩阵分别进行位平面分解以得到多个二进制位平面，将各二进制位平面划分为高位位平面和低八位位平面；其中，将各高位位平面与所述秘钥矩阵进行异或运算、置乱变换得到加密高位矩阵，将各低八位位平面分别表示为第一矩阵、第二矩阵、第三矩阵和第四矩阵；

随机位块处理模块，用于将所述第一矩阵、第二矩阵、第三矩阵和第四矩阵表示为一个具有32个位平面的第五矩阵，并针对所述第五矩阵中的每个位平面，按照随机位块模式对其进行位块划分和位块交换；

随机向量生成模块，用于生成包含有32个随机数的随机向量，并对该随机向量中的各随机数按照预设顺序进行排序；

第二排序模块，用于按照排序后的所述随机向量中的各向量元素的下标对完成交换后的所述第五矩阵中的各位平面进行排序；

矩阵划分及加密模块，用于将排序后的所述第五矩阵按照预设规则划分为4个替换矩阵，再利用所述秘钥矩阵分别对所述替换矩阵进行异或运算以得到4个加密矩阵；

整数矩阵重组模块，用于针对由所述原始图像得到的所述近似分量、水平细节分量、垂直细节分量和对角细节分量中的各分量，将所述4个加密矩阵中的每个加密矩阵与其对应的加密高位矩阵进行组合以得到4个加密整数矩阵；

小波逆变换模块，用于将所述加密符号矩阵、加密整数矩阵以及嵌入零水印后的小数矩阵进行组合以得到联合水印嵌入的加密矩阵，对所述联合水印嵌入的加密矩阵进行离散小波逆变换，得到联合水印嵌入的加密图像。

进一步地，所述秘钥矩阵通过以下步骤生成：

针对所述第一矩阵中的每行向量元素和每列向量元素，分别求取所述第一矩阵中M行向量元素的海明距离之和，以及第一矩阵中的N列向量元素的海明距离之和；

利用信息多项式和CRC校验码分别求取M行向量元素的海明距离之和的余数以及N列向量元素的海明距离之和的余数；

根据Logistic混沌系统和M行海明距离之和的余数，并以N列海明距离之和的余数作为初值生成秘钥矩阵。

进一步地，所述矩阵划分及加密模块用于按照第1到第8、第9到第16、第17到第24、第25到第32将所述第五矩阵中的32个位平面划分为4个替换矩阵。

进一步地，所述随机位块处理模块包括：

Henon映射单元，用于根据Henon映射生成两组混沌序列X和Y；

模式确定单元，用于利用公式得到存储块大小的序列D和存储重叠部分大小的序列F，进而根据所述序列D和序列F确定随机位块模式。

进一步地，所述随机位块处理模块还包括：

位块划分单元，用于根据所述随机位块模式对所述第五矩阵中的每个位平面进行位块划分，以得到预设数量个位块；

位块交换单元，用于针对所述预设数量个位块中的每个位块，从该预设数量个位块中随机选取任意一个位块与该位块进行交换。

与现有技术相比，本发明实施例提供一种联合零水印嵌入的图像加密方法和装置，通过对小波系数中的符号位部分、整数部分以及小数部分分别进行处理，可实现基于小波域的零水印嵌入和混沌加密，一方面有效避免了数字图像在传播过程中出现的隐私泄露、非法剽窃等问题，提高图像信息传播过程中的安全性。另一方面，可以通过水印信息对解密图像的实际使用进行监控与版权验证。因此，本发明能够实现图像传输和使用过程的双重保护，且嵌入水印的信息量更大，抗攻击性能更强，安全性更高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的一种联合零水印嵌入的图像加密装置的应用场景示意图。

图2为图1中所示的服务器的方框结构示意图。

图3为本发明实施例提供的一种联合零水印嵌入的图像加密方法的流程示意图。

图4为本发明实施例提供的一种联合零水印嵌入的图像加密方法子流程示意图。

图5为本发明实施例提供的一种联合零水印嵌入的图像加密方法的另一子流程示意图。

图6为本发明实施例提供的联合零水印嵌入的图像加密装置的方框结构示意图。

图7为图6所示的随机位块处理模块的方框结构示意图。

图标：10-服务器；100-联合零水印嵌入的图像加密装置；110-第一小波变换模块；120-第一处理模块；130-符号位加密模块；140-第一排序模块；150-第二小波变换模块；160-水印嵌入模块；170-位平面分解模块；180-随机位块处理模块；181-Henon映射单元；182-模式确定单元；183-位块划分单元；184-位块交换单元；190-随机向量生成模块；200-第二排序模块；210-矩阵划分及加密模块；220-整数矩阵重组模块；230-小波逆变换模块；200-存储器；300-处理器；400-通信单元；20-网络；30-终端设备。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

如图1所示，为本发明实施例提供的一种联合零水印嵌入的图像加密装置100的应用场景示意图。该应用场景可以包括服务器10、网络20和终端设备30。所述服务器10能够通过网络20与多个终端设备30进行通信。

应理解，所述联合零水印嵌入的图像加密装置100可以应用于所述服务器10实现，即用户可通过终端设备30访问服务器10来调用所述图像安全保护装置以对图像进行加密、解密等，再通过网络20进行传输。此外，所述联合零水印嵌入的图像加密装置100也可直接应用于终端设备30，即用户可通过所述终端设备30调用所述联合零水印嵌入的图像加密装置100对图像进行加密、解密等，再通过所述服务器10和所述网络20进行传输。

可选地，在本实施例中，所述服务器10可以是，但不限于，web(网站)服务器、数据服务器等，还可以是电脑、移动上网设备(mobile Internet device，MID)等具有处理功能的电子设备。所述终端设备30可以是，但不限于，智能手机、个人电脑(personal computer，PC)、平板电脑、个人数字助理(personal digital assistant，PDA)、移动上网设备(mobileInternet device，MID)等。所述网络20可以是，但不限于，有线网络或无线网络。

请结合参阅图2，所述服务器10可以包括存储器200、处理器300及通信单元400。所述存储器200、处理器300及通信单元400相互之间直接或间接地电性连接，以实现数据的传输或交互。例如，这些元件相互之间可通过一条或多条通讯总线或信号线实现电性连接。存储器200中存储有以软件或固件(firmware)的形式存储于所述存储器200中的软件功能模块，所述处理器300通过运行存储在存储器200内的软件程序以及模块，从而执行各种功能应用以及数据处理。

可以理解，图2所示的结构仅为示意，所述服务器10还可包括比图2中所示更多或者更少的组件，或者具有与图2所示不同的配置。图2中所示的各组件可以采用硬件、软件或其组合实现。

进一步地，本发明实施例还提供一种可应用于所述服务器10的联合零水印嵌入的图像加密方法，所述方法有关的流程所定义的方法步骤可以由所述处理器300实现。其中，如图3所示，为所述加密过程的流程示意图，下面将对图3所示的具体流程进行详细阐述。

步骤S110，对原始图像进行离散小波变换，以得到近似分量、水平细节分量、垂直细节分量和对角细节分量。

本实施例中，对原始图像进行离散小波变换时，由于小波的多尺度特性使得在进行小波变换后可得到所述待处理图像的水平细节分量、垂直细节分量、对角细节分量以及近似分量。

步骤S120，针对所述近似分量、水平细节分量、垂直细节分量和对角细节分量中的每个分量进行处理，并提取各分量中的符号位部分、整数位部分和小数位部分，将各符号位部分保存为符号矩阵、各整数位部分保存为整数矩阵、各小数位部分保存为小数矩阵。

具体地，在此以所述近似分量为例，先对该近似分量进行处理以提取近似分量的符号位部分、整数位部分和小数位部分，并分别利用矩阵将所述符号位部分、整数位部分和小数位部分对应保存为符号矩阵、整数矩阵和小数矩阵。其中，所述符号位部分可以是1或-1，用1表示正数，-1表示负数。

应理解，本实施例中，对所述水平细节分量、垂直细节分量和对角细节分量中的各分量的处理方式与所述近似分量的处理方式相同，从而得到4个符号矩阵、4个整数矩阵和4个小数矩阵，在此不再赘述。

步骤S130，利用秘钥矩阵对各所述符号矩阵进行加密，并对加密后的各所述符号矩阵进行置乱变换以得到4个加密符号矩阵。

具体地，如图4所示，所述秘钥矩阵可通过以下步骤生成。

步骤S131，针对所述第一矩阵中的每行向量元素和每列向量元素，分别求取所述第一矩阵中M行向量元素的海明距离之和，以及第一矩阵中的N列向量元素的海明距离之和。

步骤S132，利用信息多项式和CRC校验码分别求取M行向量元素的海明距离之和的余数以及N列向量元素的海明距离之和的余数。

其中，以所述近似分量对应的整数矩阵为例，对所述秘钥矩阵的生成进行介绍，其中，首先将所述整数矩阵进行位平面分解以得到多个二进制位平面，并将各二进制位平面划分为高位位平面和低八位位平面，再将其中的低八位位平面表示为第一矩阵。

接着，求取所述第一矩阵中的每一行中的元素的海明距离则M行向量元素的海明距离之和为同理，N列向量元素的海明距离之和为因此可有hc＝HCmod2⁸，hr＝HRmod2⁸，将hc和hr分别转化成二进制作为信息多项式，并利用CRC(Cyclic Redundancy Check，循环冗余校验码)进行循环冗余校验码的运算，以求得hc和hr分别对应的余数为cr1和cr2。

步骤S133，根据Logistic混沌系统和M行向量元素的海明距离之和的余数，并以N列向量元素的海明距离之和的余数作为初值生成秘钥矩阵。

具体地，首先根据Logistic混沌映射系统产生一组一维混沌序列sp＝{x₁,x₂,…,x_M}，再将该一维混沌序列转换成大小为M×N的二维矩阵C，即所述密钥矩阵。

作为一种实施方式，所述密钥矩阵C可通过公式C(i+1)＝mod(mod(sp(mod(C(i)×cr1,M)+1)×10¹⁴,256)+C(i)-K(i),2⁸)得到，其中，初始值C(0)为cr2，K(i)为利用随机种子产生的一组随机数，其长度为32。

应注意，本实施例中的秘钥矩阵C可以是基于所述近似分量生成，也可以是水平细节分量、垂直细节分量和对角细节分量中的任一分量生成，本实施在此不做限制，另外，本实施例中所提到的所述秘钥矩阵均为上述生成的秘钥矩阵C。

步骤S140，对各所述小数矩阵进行处理以得到4个第一小数向量，并对各所述第一小数向量中的各向量元素进行排序，确定排序后的每个向量元素在排序前的所述第一小数向量中的位置，以得到4个第一位置向量。

具体地，在本实施例中，针对各所述小数矩阵中的各元素，以任意一个元素为起点，可采用“Z”型扫描方式对各所述小数矩阵中的各元素进行依次扫描，以得到所述4个第一小数向量，且各第一小数向量为一维向量。其中，在对各小数向量中的各向量元素进行排序时可以为升序或降序，本实施例在此不做限制。

例如，假设其中一个小数矩阵为以该小数矩阵中的元素0.4开始“Z”型扫描，那么，扫描后的第一小数向量为[0.4 0.9 0.7 0.8 0.6 0.2 0.3 0.5 0.1]，若采用升序对扫描后的第一小数向量进行排序后有[0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.80.9]，进而得到第一位置向量[9 6 7 1 8 5 3 4 2]，同理可得到其他三个小数矩阵对应的第一位置向量。

步骤S150，对水印图像进行离散小波变换得到近似分量、水平细节分量、垂直细节分量和对角细节分量，并对各分量中的向量元素进行小数化处理以得到4个第二小数向量，并对各所述第二小数向量中的各向量元素进行排序，确定排序后的每个向量元素在排序前的该第二小数向量中的位置，以得到4个第二位置向量。

其中，在得到所述4个第二小数向量后，对该4个第二小数向量的处理方式与第一小数向量的处理方式相同，以得到所述第二位置向量，本实施例在此不再赘述。

此外，在对各分量中的向量元素进行小数化处理时可通过对各分量乘以小数实现小数化处理。

步骤S160，针对由所述水印图像得到的近似分量、水平细节分量、垂直细节分量和对角细节分量中的各分量，确定其在4个所述第二位置向量中的对应向量元素，并进一步确定该向量元素在4个所述第一位置向量中的对应位置，得到4个第三位置向量，以完成对小数矩阵的零水印嵌入。

具体地，由于每个所述第一位置向量对应由原始图像得到的近似分量、水平细节分量、垂直细节分量和对角细节分中的某个分量，每个所述第二位置向量对应由水印图像得到的近似分量、水平细节分量、垂直细节分量和对角细节分中的某个分量，因此，在确定所述第二位置向量在所述第一位置向量中的位置时，应将对应相同分量的第一位置向量和第二位置向量进行比较，以确定第三位置向量，进而完成零水印嵌入过程，并将该第三位置向量作为秘钥进行保存，用于提取水印信息。

步骤S170，对各所述整数矩阵分别进行位平面分解以得到多个二进制位平面，将各二进制位平面划分为高位位平面和低八位位平面；其中，将各高位位平面与所述秘钥矩阵进行异或运算、置乱变换得到加密高位矩阵，将各低八位位平面分别表示为第一矩阵、第二矩阵、第三矩阵和第四矩阵。

应理解，该步骤S170中的第一矩阵与所述步骤S132中提到的第一矩阵相同。

步骤S180，将所述第一矩阵、第二矩阵、第三矩阵和第四矩阵表示为一个具有32个位平面的第五矩阵，并针对所述第五矩阵中的每个位平面，按照随机位块模式对其进行位块划分和位块交换。

具体地，本实施例中，所述随机位块模式是指将位平面划分为随机的重叠位块和不同位平面之间的交换位块，以实现加密。其中，如图5所示，该随机位块模式可通过以下步骤进行确定。

步骤S181，根据Henon映射生成两组混沌序列X和Y；

步骤S182，利用公式得到存储块大小的序列D和存储重叠部分大小的序列F，进而根据所述序列D和序列F确定随机位块模式。

进一步地，请再次参阅图5，针对所述第五矩阵中的每个位平面，按照随机位块模式对其进行位块划分和位块交换的步骤包括：

步骤S183，根据所述随机位块模式对所述第五矩阵中的每个位平面进行位块划分，以得到预设数量个位块。

步骤S184，针对所述预设数量个位块中的每个位块，从该预设数量个位块中随机选取任意一个位块与该位块进行交换。

其中，在针对所述预设数量个位块中的每个位块进行替换(交换)时，可从划分后的所述预设数量个位块中任意选取一个位块实现。具体地，假如将k₁作为随机种子，产生32个随机数并记录在数组G中。假设B_i,j表示第i个位平面的第j块(i＝{1,2,3,...,32})，B_m,l表示第m个位平面的第l块，下面对B_i,j和B_m,l进行交换，具体如下：

当i＝1，利用D(i)和F(i)得到位块数和位块坐标，其中，sum表示总位块数，G(i)是随机产生器种子，可得到两个一维混沌序列P＝mod(rand(1,sum)×2⁴⁸,32)+1和Q＝mod(rand(1,sum)×2⁴⁸,sum)+1，当j＝{1,2,3,...,sum}，交换的位块所在的位平面m为P(j)。如果m恰好等于第i个位平面，则判断m是否为第32个位平面，如果是则让m为1，否则m取P(j)+1。在确定了交换位平面，交换的位块就位于第m个位平面的第l块，l由Q(j)确定，然后做B_i,j和B_m,l交换。此外，在对B_i,j和B_m,l交换进行交换时，可通过以下伪代码实现。

P＝mod(rand(1,K)×2⁴⁸,32)+1

Q＝mod(rand(1,K)×2⁴⁸,K)+1

For(j＝1；j<＝K；j++)

{m＝P[j]；

if(m＝＝i)

{

if(m＝＝32)m＝1；

else m++；

}

l＝Q[j]；

swap B_i,j和B_m,l

}

}

步骤S190，生成包含有32个随机数的随机向量，并对该随机向量中的各随机数按照预设顺序进行排序。

步骤S200，按照排序后的所述随机向量中的各向量元素的下标对完成交换后的所述第五矩阵中的各位平面进行排序。

其中，所述随机向量可以为上述的步骤184中的G，然后对该随机向量中的各随机数按照从小到大的顺序进行排序，并记住排序后的各随机数的下标，再将所述第五矩阵中的1到32的32个位平面按照随机数的下标进行重新排序，并将排序后的位平面序号作为新的顺序。

步骤S210，将排序后的所述第五矩阵按照预设规则划分为4个替换矩阵，再利用所述秘钥矩阵分别对所述替换矩阵进行异或运算以得到4个加密矩阵。

所述预设规则为按照第1个位平面到第8个位平面、第9个位平面到第16个位平面、第17个位平面到第24个位平面、第25个位平面到第32个位平面将对排序后的第五矩阵划分为4个替换矩阵。

另外，还需通过所述秘钥矩阵对4个替换矩阵中的每个替换矩阵进行异或运算，进而得到4个加密矩阵，能够有效实现像素扩散，增加图像信息的安全性。

步骤S220，针对由所述原始图像得到的所述近似分量、水平细节分量、垂直细节分量和对角细节分量中的各分量，将所述4个加密矩阵中的每个加密矩阵与其对应的加密高位矩阵进行组合以得到4个加密整数矩阵。

其中，根据各加密矩阵和各加密高位矩阵与所述近似分量、水平细节分量、垂直细节分量和对角细节分量中的各分量的对应关系，将每个加密矩阵与其对应的加密高位矩阵进行组合以得到4个加密整数矩阵。

步骤S230，将所述加密符号矩阵、加密整数矩阵以及嵌入零水印后的小数矩阵进行组合以得到联合水印嵌入的加密矩阵，对所述联合水印嵌入的加密矩阵进行离散小波逆变换，即得到联合水印嵌入的加密图像。

进一步地，应理解，所述加密图像的解密过程为加密过程的逆运算，本实施例在此不再赘述。同时，当出现版权纠纷等问题时，原始图像的版权所有者可以通过提取水印信息证明版权的合法性。

请结合参阅图7，本发明实施例提供的可应用于所述服务器10的联合零水印嵌入的图像加密装置100包括第一小波变换模块110、第一处理模块120、符号位加密模块130、第一排序模块140、第二小波变换模块150、水印嵌入模块160、位平面分解模块170、随机位块处理模块180、随机向量生成模块190、第二排序模块200、矩阵划分及加密模块210、整数矩阵重组模块220和小波逆变换模块230。

所述第一小波变换模块110，用于对原始图像进行离散小波变换，以得到近似分量、水平细节分量、垂直细节分量和对角细节分量。本实施例中，图3中的步骤S110由所述第一小波变换模块110执行，具体过程请参阅步骤S110。

所述第一处理模块120，用于针对所述近似分量、水平细节分量、垂直细节分量和对角细节分量中的每个分量进行处理，并提取各分量中的符号位部分、整数位部分和小数位部分，将各符号位部分保存为符号矩阵、各整数位部分保存为整数矩阵、各小数位部分保存为小数矩阵。本实施例中，图3中的步骤S120由所述第一处理模块120执行，具体过程请参阅步骤S120。

所述符号位加密模块130，用于利用秘钥矩阵对各所述符号矩阵进行加密，并对加密后的各所述符号矩阵进行置乱变换以得到4个加密符号矩阵；

所述第一排序模块140，用于对各所述小数矩阵进行处理以得到4个第一小数向量，并对各所述第一小数向量中的各向量元素进行排序，确定排序后的每个向量元素在排序前的所述第一小数向量中的位置，以得到4个第一位置向量。本实施例中，图3中的步骤S140由所述第一排序模块140执行，具体过程请参阅步骤S140。

所述第二小波变换模块150，用于对水印图像进行离散小波变换得到近似分量、水平细节分量、垂直细节分量和对角细节分量，并对各分量中的向量元素进行小数化处理以得到4个第二小数向量，并对各所述第二小数向量中的各向量元素进行排序，确定排序后的每个向量元素在排序前的该第二小数向量中的位置，以得到4个第二位置向量。本实施例中，图3中的步骤S150由所述第二小波变换模块150执行，具体过程请参阅步骤S150。

所述水印嵌入模块160，用于针对由所述水印图像得到的近似分量、水平细节分量、垂直细节分量和对角细节分量中的各分量，确定其在4个所述第二位置向量中的对应向量元素，并进一步确定该向量元素在4个所述第一位置向量中的对应位置，得到4个第三位置向量以完成对小数矩阵的水印嵌入。本实施例中，图3中的步骤S160由所述水印嵌入模块160执行，具体过程请参阅步骤S160。

所述位平面分解模块170，用于对各所述整数矩阵分别进行位平面分解以得到二进制位平面，将各二进制位平面划分为高位位平面和低八位位平面；其中，将各高位位平面与所述秘钥矩阵进行异或运算以及置乱变换得到加密高位矩阵，将各低八位位平面分别表示为第一矩阵、第二矩阵、第三矩阵和第四矩阵。本实施例中，图3中的步骤S170由所述位平面分解模块170执行，具体过程请参阅步骤S170。

所述随机位块处理模块180，用于将所述第一矩阵、第二矩阵、第三矩阵和第四矩阵表示为一个具有32个位平面的第五矩阵，并针对所述第五矩阵中的每个位平面，按照随机位块模式对其进行位块划分和位块交换。具体地，如图7所示，所述随机位块处理模块180包括Henon映射单元181、模式确定单元182、位块划分单元183和位块交换单元184。

所述Henon映射单元181，用于根据Henon映射生成两组混沌序列X和Y。本实施例中，图5中的步骤S181由所述Henon映射单元181执行，具体过程请参阅步骤S181。

所述模式确定单元182，用于利用公式得到存储块大小的序列D和存储重叠部分大小的序列F，进而根据所述序列D和序列F确定随机位块模式。本实施例中，图5中的步骤S182由所述模式确定单元182执行，具体过程请参阅步骤S182。

所述位块划分单元183，用于根据所述随机位块模式对所述第五矩阵中的每个位平面进行位块划分，以得到预设数量个位块。本实施例中，图5中的步骤S183由所述位块划分单元183执行，具体过程请参阅步骤S183。

所述位块交换单元184，用于针对所述预设数量个位块中的每个位块，从该预设数量个位块中随机选取任意一个位块与该位块进行交换。本实施例中，图5中的步骤S184由所述位块交换单元184执行，具体过程请参阅步骤S184。

所述随机向量生成模块190，用于生成包含有32个随机数的随机向量，并对该随机向量中的各随机数按照预设顺序进行排序。本实施例中，图3中的步骤S190由所述随机向量生成模块190执行，具体过程请参阅步骤S190。

所述第二排序模块200，用于按照排序后的所述随机向量中的各向量元素的下标对完成交换后的所述第五矩阵中的各位面进行排序。本实施例中，图3中的步骤S200由所述第二排序模块200执行，具体过程请参阅步骤S200。

所述矩阵划分及加密模块210，用于将排序后的所述第五矩阵按照预设规则划分为4个替换矩阵，再利用所述秘钥矩阵分别对所述替换矩阵进行异或运算以得到4个加密矩阵。本实施例中，图3中的步骤S210由所述矩阵划分及加密模块210执行，具体过程请参阅步骤S210。

所述整数矩阵重组模块220，用于针对由所述原始图像得到的所述近似分量、水平细节分量、垂直细节分量和对角细节分量中的各分量，将所述4个加密矩阵中的每个加密矩阵与其对应的加密高位矩阵进行组合以得到4个加密整数矩阵。本实施例中，图3中的步骤S220由所述整数矩阵重组模块220执行，具体过程请参阅步骤S220。

所述小波逆变换模块230，用于将所述加密符号矩阵、加密整数矩阵以及嵌入水印后的小数矩阵进行组合以得到联合水印嵌入的加密矩阵，对所述加密矩阵进行离散小波逆变换，即得到联合水印嵌入的加密图像。本实施例中，图3中的步骤S230由所述小波逆变换模块230执行，具体过程请参阅步骤S230。

综上所述，本发明实施例提供一种联合零水印嵌入的图像加密方法和装置，通过对小波系数中的符号位部分、整数部分以及小数部分分别进行处理，可实现基于小波域的零水印嵌入和混沌加密，一方面有效避免了数字图像在传播过程中出现的隐私泄露、非法剽窃等问题，提高图像信息传播过程中的安全性。另一方面，可以通过水印信息对解密图像的实际使用进行监控与版权验证。因此，本发明能够实现图像传输和使用过程的双重保护，且嵌入水印的信息量更大，抗攻击性能更强，安全性更高。

在本发明的描述中，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明实施例所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其他方式实现。以上所描述的装置和方法实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的预设数量个实施例的装置、方法和计算机程序产品可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分。所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或预设数量个用于实现规定的逻辑功能。

也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种联合零水印嵌入的图像加密方法，基于小波域实现，其特征在于，包括：

对原始图像进行离散小波变换，以得到近似分量、水平细节分量、垂直细节分量和对角细节分量；

针对所述近似分量、水平细节分量、垂直细节分量和对角细节分量中的每个分量进行处理，并提取各分量中的符号位部分、整数位部分和小数位部分，将各符号位部分保存为符号矩阵、各整数位部分保存为整数矩阵、各小数位部分保存为小数矩阵；

利用秘钥矩阵对各所述符号矩阵进行加密，并对加密后的各所述符号矩阵进行置乱变换以得到4个加密符号矩阵；

对各所述小数矩阵进行处理以得到4个第一小数向量，并对各所述第一小数向量中的各向量元素进行排序，确定排序后的每个向量元素在排序前的所述第一小数向量中的位置，以得到4个第一位置向量；

对水印图像进行离散小波变换得到近似分量、水平细节分量、垂直细节分量和对角细节分量，并对各分量中的向量元素进行小数化处理以得到4个第二小数向量，并对各所述第二小数向量中的各向量元素进行排序，确定排序后的每个向量元素在排序前的该第二小数向量中的位置，以得到4个第二位置向量；

针对由所述水印图像得到的近似分量、水平细节分量、垂直细节分量和对角细节分量中的各分量，确定其在4个所述第二位置向量中的对应向量元素，并进一步确定该向量元素在4个所述第一位置向量中的对应位置，得到4个第三位置向量，以完成对小数矩阵的零水印嵌入；

对各所述整数矩阵分别进行位平面分解以得到多个二进制位平面，将各二进制位平面划分为高位位平面和低八位位平面；其中，将各高位位平面与所述秘钥矩阵进行异或运算、置乱变换得到加密高位矩阵，将各低八位位平面分别表示为第一矩阵、第二矩阵、第三矩阵和第四矩阵；

将所述第一矩阵、第二矩阵、第三矩阵和第四矩阵表示为一个具有32个位平面的第五矩阵，并针对所述第五矩阵中的每个位平面，按照随机位块模式对其进行位块划分和位块交换；

生成包含有32个随机数的随机向量，并对该随机向量中的各随机数按照预设顺序进行排序；

按照排序后的所述随机向量中的各向量元素的下标对完成交换后的所述第五矩阵中的各位平面进行排序；

将排序后的所述第五矩阵按照预设规则划分为4个替换矩阵，再利用所述秘钥矩阵分别对所述替换矩阵进行异或运算以得到4个加密矩阵；

针对由所述原始图像得到的所述近似分量、水平细节分量、垂直细节分量和对角细节分量中的各分量，将所述4个加密矩阵中的每个加密矩阵与其对应的加密高位矩阵进行组合以得到4个加密整数矩阵；

将所述加密符号矩阵、加密整数矩阵以及嵌入零水印后的小数矩阵进行组合以得到联合水印嵌入的加密矩阵，对该联合水印嵌入的加密矩阵进行离散小波逆变换，得到联合水印嵌入的加密图像。

2.根据权利要求1所述的联合零水印嵌入的图像加密方法，其特征在于，所述秘钥矩阵通过以下步骤生成：

针对所述第一矩阵中的每行向量元素和每列向量元素，分别求取所述第一矩阵中M行向量元素的海明距离之和，以及第一矩阵中的N列向量元素海明距离之和；

利用信息多项式和CRC校验码分别求取M行向量元素海明距离之和的余数以及N列向量元素的海明距离之和的余数；

根据Logistic混沌系统和M行海明距离之和的余数，并以N列海明距离之和的余数作为初值生成秘钥矩阵。

3.根据权利要求1所述的联合零水印嵌入的图像加密方法，其特征在于，将排序后的所述第五矩阵按照预设规则划分为4个替换矩阵的步骤包括：

按照第1到第8、第9到第16、第17到第24、第25到第32将所述第五矩阵中的32个位平面划分为4个替换矩阵。

4.根据权利要求1所述的联合零水印嵌入的图像加密方法，其特征在于，所述随机位块模式的生成步骤为：

根据Henon映射生成两组混沌序列X和Y；

利用公式得到存储块大小的序列D和存储重叠部分大小的序列F，进而根据所述序列D和序列F确定随机位块模式。

5.根据权利要求4所述的联合零水印嵌入的图像加密方法，其特征在于，针对所述第五矩阵中的每个位平面，按照随机位块模式对其进行位块划分和位块交换的步骤包括：

根据所述随机位块模式对所述第五矩阵中的每个位平面进行位块划分，以得到预设数量个位块；

针对所述预设数量个位块中的每个位块，从该预设数量个位块中随机选取任意一个位块与该位块进行交换。

6.一种联合零水印嵌入的图像加密装置，基于小波域实现，其特征在于，包括：

第一小波变换模块，用于对原始图像进行离散小波变换，以得到近似分量、水平细节分量、垂直细节分量和对角细节分量；

第一处理模块，用于针对所述近似分量、水平细节分量、垂直细节分量和对角细节分量中的每个分量进行处理，并提取各分量中的符号位部分、整数位部分和小数位部分，将各符号位部分保存为符号矩阵、各整数位部分保存为整数矩阵、各小数位部分保存为小数矩阵；

符号位加密模块，用于利用秘钥矩阵对各所述符号矩阵进行加密，并对加密后的各所述符号矩阵进行置乱变换以得到4个加密符号矩阵；

第一排序模块，用于对各所述小数矩阵进行处理以得到4个第一小数向量，并对各所述第一小数向量中的各向量元素进行排序，确定排序后的每个向量元素在排序前的所述第一小数向量中的位置，以得到4个第一位置向量；

第二小波变换模块，用于对水印图像进行离散小波变换得到近似分量、水平细节分量、垂直细节分量和对角细节分量，并对各分量中的向量元素进行小数化处理以得到4个第二小数向量，并对各所述第二小数向量中的各向量元素进行排序，确定排序后的每个向量元素在排序前的该第二小数向量中的位置，以得到4个第二位置向量；

水印嵌入模块，用于针对由所述水印图像得到的近似分量、水平细节分量、垂直细节分量和对角细节分量中的各分量，确定其在4个所述第二位置向量中的对应向量元素，并进一步确定该向量元素在4个所述第一位置向量中的对应位置，得到4个第三位置向量，以完成对小数矩阵的零水印嵌入；

位平面分解模块，用于对各所述整数矩阵分别进行位平面分解以得到多个二进制位平面，将各二进制位平面划分为高位位平面和低八位位平面；其中，将各高位位平面与所述秘钥矩阵进行异或运算、置乱变换得到加密高位矩阵，将各低八位位平面分别表示为第一矩阵、第二矩阵、第三矩阵和第四矩阵；

随机位块处理模块，用于将所述第一矩阵、第二矩阵、第三矩阵和第四矩阵表示为一个具有32个位平面的第五矩阵，并针对所述第五矩阵中的每个位平面，按照随机位块模式对其进行位块划分和位块交换；

随机向量生成模块，用于生成包含有32个随机数的随机向量，并对该随机向量中的各随机数按照预设顺序进行排序；

第二排序模块，用于按照排序后的所述随机向量中的各向量元素的下标对完成交换后的所述第五矩阵中的各位平面进行排序；

矩阵划分及加密模块，用于将排序后的所述第五矩阵按照预设规则划分为4个替换矩阵，再利用所述秘钥矩阵分别对所述替换矩阵进行异或运算以得到4个加密矩阵；

整数矩阵重组模块，用于针对由所述原始图像得到的所述近似分量、水平细节分量、垂直细节分量和对角细节分量中的各分量，将所述4个加密矩阵中的每个加密矩阵与其对应的加密高位矩阵进行组合以得到4个加密整数矩阵；

小波逆变换模块，用于将所述加密符号矩阵、加密整数矩阵以及嵌入零水印后的小数矩阵进行组合以得到联合水印嵌入的加密矩阵，对所述联合水印嵌入的加密矩阵进行离散小波逆变换，得到联合水印嵌入的加密图像。

7.根据权利要求6所述的联合零水印嵌入的图像加密装置，其特征在于，所述秘钥矩阵通过以下步骤生成：

针对所述第一矩阵中的每行向量元素和每列向量元素，分别求取所述第一矩阵中M行向量元素的海明距离之和，以及第一矩阵中的N列向量元素的海明距离之和；

利用信息多项式和CRC校验码分别求取M行向量元素的海明距离之和的余数以及N列向量元素的海明距离之和的余数；

根据Logistic混沌系统和M行海明距离之和的余数，并以N列海明距离之和的余数作为初值生成秘钥矩阵。

8.根据权利要求6所述的联合零水印嵌入的图像加密装置，其特征在于，所述矩阵划分及加密模块用于按照第1到第8、第9到第16、第17到第24、第25到第32将所述第五矩阵中的32个位平面划分为4个替换矩阵。

9.根据权利要求6所述的联合零水印嵌入的图像加密装置，其特征在于，所述随机位块处理模块包括：

Henon映射单元，用于根据Henon映射生成两组混沌序列X和Y；

模式确定单元，用于利用公式得到存储块大小的序列D和存储重叠部分大小的序列F，进而根据所述序列D和序列F确定随机位块模式。

10.根据权利要求9所述的联合零水印嵌入的图像加密装置，其特征在于，所述随机位块处理模块还包括：

位块划分单元，用于根据所述随机位块模式对所述第五矩阵中的每个位平面进行位块划分，以得到预设数量个位块；

位块交换单元，用于针对所述预设数量个位块中的每个位块，从该预设数量个位块中随机选取任意一个位块与该位块进行交换。