CN108270544A - 一种基于urDEED算法的密文图像可逆信息隐藏方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于urDEED算法的密文图像可逆信息隐藏装置，其包括，用于读取需要进行加密和隐藏图片的读取模块；用于对图片加密的加密模块；用于对密文进行数据嵌入的数据嵌入模块；用于提取嵌入信息的解码模块；用于将图片恢复到原始状态的解密模块。本发明在实现对图像加密的基础上，主要针对密文图像中信息难度增大的问题，使用一种在密文图像中嵌入信息的算法—urDEED，经过解密和信息提取，可以将原始图像可逆的恢复，加密和信息隐藏的结合既能保证安全运输，也能实现信息认证，从而适用于在线存储器数据安全存储和加密信息管理的应用场景。

Description

一种基于urDEED算法的密文图像可逆信息隐藏方法及装置

技术领域

本发明涉及数据加密和信息隐藏领域，具体涉及一种基于urDEED算法的密文图像可逆信息隐藏方法及装置。

背景技术

互联网，无线通信网和多媒体信息技术的飞速发展，使得人们可以越来越快捷与频繁的进行信息交换。近几年，随着多媒体内容的产生，其在通讯中使用率的逐渐升高，以及云计算的流行，各种云存储平台也应运而生。相对于将多媒体信息存储在硬件设备上，越来越多的用户更倾向于把多媒体信息存储到云平台上，因为这种方式方便快捷，而且成本非常低。但是云存储自身的安全问题依然是云存储技术所要解决的重要问题之一。

在实际应用中，我们希望在云提供商不完全可信的条件下，既能够保证用户数据的隐私性，又能利用云平台的计算能力和存储能力为用户带来方便。这种情况下，为了保护用户隐私，避免未授权的访问，常需要对信息进行加密，由云计算服务提供者在这些加密的图像中嵌入一些信息，例如：分类信息，版权信息，数据检索信息等，从而实现对加密信息的管理，而且，这些任务需要在不解密数据的情况下来完成。然而在加密域上提取特征信息是十分困难的，因为加密后的信号是毫无规律的，难以理解的。因此第三方在没有合法密钥的情况下，很难从加密信号中提取特征，这就为信息隐藏增加了一定的难度。综上，需要研发一种在实现对图像加密的基础上，解决密文图像中信息难度增大问题的算法，使其能够适用于在线存储器数据安全存储和加密信息管理的应用场景。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

发明内容

为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种基于urDEED算法的密文图像可逆信息隐藏装置，包括：

读取模块：其用于读取需要进行加密和隐藏的图片；

加密模块：其用于对所述图片加密；

数据嵌入模块：其用于对密文进行数据嵌入；

解码模块：其用于提取嵌入信息；

解密模块：其用于将所述图片恢复到原始状态。

较佳的，所述数据嵌入模块包括：

解码单元：其用来把数据流分割成不重叠的片段，得到虚拟码字；

编码单元：其使用GRC编码，将数据编码成固定的格式；

处理单元：其用来将所述GRC编码的长度进行统一；

嵌入单元：其用来构建负载信息并实施嵌入。

另一方面，提供一种基于urDEED算法的密文图像可逆信息隐藏方法，其包括以下步骤：

步骤S1：读取图片；

步骤S2：用AES算法对图片进行加密；

步骤S3：用urDEED算法对密文进行数据嵌入；

步骤S4：对嵌入的数据进行解码；

步骤S5：AES解密。

较佳的，所述步骤S2中的AES算法包括：SubBytes、ShiftRows、MixColumns、AddRoundKey变换。

较佳的，所述步骤S3包括：通用解析，熵编码，统一GRC码字长度，在生成GRC中数据嵌入。

较佳的，所述通用解析的步骤为：

按定长把表示加密信号的数据流分割成一些不重叠的片段，每个片段长Lbits，每一个L-bit长的片段就是一个虚拟码字，这样就会得到一组虚拟码字，设N表示所述加密信号的总比特数，用λ_L表示IC的总数量，其计算方法如下：

较佳的，所述熵编码的步骤为：

对每个所述虚拟码字进行编码，用编码对原始比特流进行替换。每个GRC由q、b、r三部分组成，其形式如下：

(qbr)＝(0₁0₂…0_z1_r1r₂...r_n)

其中，q部分为长度为z的0序列，b部分固定为1，r部分长度为n，由0和1的各种不同的组合表示，为了保证所述GRC编码和原始数据大小相同，令其满足L＝n+2的等式。

较佳的，所述统一GRC码字长度的步骤为：

对每个所述GRC编码的q部分去掉，用虚拟值0代替，所述GRC编码变成如下形式：(0br)＝(01r₁r₂…r_n)，

对于GRC_i＝(q_ib_ir_i)，被剔除的q部分按(设n为偶数)添加到负载中，其中上划线表示比特位的逻辑取反，0到1或1到0的转换标志着下一个q部分的开始。

较佳的，所述在生成GRC中数据嵌入的步骤为：

负载信息由三部分组成，分别为所述统一GRC码字长度中得到的q部分，边信息，和操作者真正要嵌入的外部信息，在嵌入过程中，把GRC的虚拟值0和表示“b部分”的1用负载替换，变成(p_jp_j+1r₁r₂…r_n)的形式，其中，p_jp_j+1为两个bit的负载。

与现有技术比较本发明的有益效果在于：1，本发明在实现对图像加密的基础上，主要针对密文图像中信息难度增大的问题，使用一种在密文图像中嵌入信息的算法——urDEED，经过解密和信息提取，可以将原始图像可逆地恢复，加密和信息隐藏的结合既能保证安全传输，也能实现信息认证，从而适用于在线存储器数据安全存储和加密信息管理的应用场景；2，本装置用于嵌入最主要的算法urDEED，在对于加密数据进行数据嵌入的过程中，不用访问其他域或者信号加密前的某些特征，而是在加密域构造新的特征，并用于提供信息嵌入的空间，这种方式提高了系统的安全性；3，本装置对于所有图片文件都视为二进制流，不依赖于媒体类型和具体编码结构，提高了算法的兼容性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明各实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1是本发明的功能框图；

图2是AES加密流程图；

图3是urDEED框架流程图；

图4是负载信息构成图；

图5是信息嵌入过程图；

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

实施例1

如图1所示，为本发明提供的一种基于urDEED算法的密文图像可逆信息隐藏装置的功能框图，包括读取模块1，加密模块2，数据嵌入模块3，解码模块4，解密模块5。

所述读取模块1，用于读取初始需要进行加密和隐藏的图片；所述加密模块2，用于对图片进行加密；所述数据嵌入模块3，用于对密文进行数据嵌入；所述解码模块4，用于提取嵌入信息；所述解密模块5，用于将加密的图片恢复到原始状态。

所述加密模块2运用AES算法对图片进行加密，包括：对State进行AddRoundKey操作，将RoundKey与State异或；对前Nr-1轮中的每一轮，用S-BOX对State进行一次代换操作，称为SubBytes；对State做置换ShiftRows；对State做操作MixColumns；进行AddRoundKey操作；再依次进行SubBytes、ShiftRows和AddRoundKey操作，数据就变成了密文。

所述数据嵌入模块3，包括解码单元31，编码单元32，处理单元33，嵌入单元34。所述解码单元31，用来按定长把表示加密信号的数据流分割成一些不重叠的片段，得到一组虚拟码字；所述编码单元32，所述基于urDEED算法的密文图像可逆信息隐藏装置，使用Golomb-Rice编码(GRC)，将数据编码成固定的格式；所述处理单元33,将所述GRC编码的长度进行统一，保证了数据的原始大小是定长的；所述嵌入单元34，构建负载信息并实施嵌入。

所述解码单元31的工作过程为：按定长把表示加密信号的数据流分割成一些不重叠的片段，每个片段长L bits，每个L-bit长的片段就是一个虚拟码字(IC)，这样就会得到一组虚拟码字。设N为所述加密信号的总比特数，用λ_L表示IC的总数量，其计算方法为：

所述编码单元32的工作过程为：首先，对每个IC进行编码，然后用编码对原始比特流进行替换，由定义，每个GRC由q、b、r三部分组成，其形式为：

(qbr)＝(0₁、0₂…0_z1r₁r₂...r_n)

其中，q为长度为z的0序列，b固定为1，r长度为n，另外，为了保证GRC编码和原始数据大小相同，令其满足L＝n+2的等式，r由0和1的各种不同的组和表示。在进行编码的时候，出现频率高的虚拟码字(IC)就会用比较短的GRC编码。

所述处理单元33为了统一所述GRC编码的长度，将q部分剔除掉，被剔除的q部分会作为负载的一部分，具体步骤如下：

首先，对每一个所述GRC编码从左到右把整个q部分去掉，用一个被称作“虚拟值”的0代替。被剔除的q部分可能会被取反，用来标记一个码字的结束以及另一个码字的开始。这个过程之后，所有的所述GRC编码会变成如下形式：

(0br)＝(01r₁r₂…r_n)

这样的GRC叫做“生成GRC”。

其次，对于GRC_i＝(q_ib_ir_i)，被剔除的q部分按(设n为偶数)的格式添加到负载中，式中上划线表示比特位的逻辑取反，0到1或者1到0的转换标志着下一个q部分的开始。

所述嵌入单元34的工作过程为：所要嵌入的负载信息由三部分组成：所述处理单元33得到的q部分，边信息和操作者真正想要嵌入的外部信息，其中所述边信息由按频率排序后的虚拟码字组成。

将所述负载信息嵌入的过程为：用负载将GRC中的虚拟值0和b部分的“1”替换，每个生成GRC变成(p_jp_j+1r₁r₂…r_n)的形式，其中p_jp_j+1为两个bit的负载，这样，每一个生成的GRC就可以容纳2bit的负载。至此，每2bit的负载替换掉每个GRC前两个比特，所述嵌入单元完成所述负载信息嵌入的过程。

所述解码模块4，当需要提取嵌入信息的时候，所述解码模块4工作，包括负载的提取和原始宿主信息的恢复。在urDEED中，所述解码模块4的工作过程与所述数据嵌入模块3的工作过程互为逆过程。

所述解密模块5，其工作过程与所述加密模块2的过程相同，其中的变换为加密算法变换的逆变换，且密钥扩展策略稍有不同。

本发明在实现对图像加密的基础上，解决了密文图像中信息难度增大的问题，所述基于urDEED算法的密文图像可逆信息隐藏装置能够适用于在线存储器数据安全存储和加密信息管理的应用场景，具有很高的实用性，能够给加密工作带来了一定的便利。

实施例2

如图3所示，其为本发明一种基于urDEED算法的密文图像可逆信息隐藏方法的流程图，所述方法包括以下步骤：

S1：读取图片。

S2：用AES算法对图片进行加密。

S3：用urDEED算法对密文进行数据嵌入。

S4：当需要提取嵌入信息的时候执行此步骤，包括负载的提取和原始宿主信息的恢复，又叫做解码阶段。在urDEED中，这个过程基本上是编码阶段的逆过程，在此不再赘述。

S5：AES解密：AES解密算法的结构与加密算法的结构相同，其中的变换为加密算法变换的逆变换，且密钥扩展策略稍有不同。

实施例3

所述步骤S2，AES是美国国家标准和技术研究所(NIST)发布征集的加密算法，是一种高效、安全的对称加密算法，用AES算法对图片进行加密的具体步骤如下(如图2所示，其为AES加密流程图)：

S2-1：首先，对State进行AddRoundKey操作，将RoundKey与State异或；

S2-2：对前Nr-1轮中的每一轮，用S-BOX对State进行一次代换操作，称为SubBytes；

S2-3：对State做一置换ShiftRows；

S2-4：再对State做一次操作MixColumns；

S2-5：然后进行AddRoundKey操作；

S2-6：最后依次进行SubBytes、ShiftRows和AddRoundKey操作，数据就变成了密文。

实施例4

所述步骤S3，用urDEED算法对密文进行数据嵌入的具体步骤为：

S3-1：通用解析

按定长把表示加密信号的数据流分割成一些不重叠的片段，每个片段长Lbits，每一个L-bit长的片段就是一个虚拟码字(IC)，这样就会得到一组虚拟码字，这个过程称为通用解码器解码。设N表示所述加密信号的总比特数，用λ_L表示IC的总数量，其计算方法如式(1)：

表示Q在正无穷方向上的最接近的正整数。

S3-2：熵编码

所述基于urDEED算法对密文进行数据嵌入中使用的是Golomb–Rice编码(GRC)。首先，对每一个IC进行编码，然后，用编码对原始比特流进行替换。由定义，每个GRC由q、b、r三部分组成，其形式如式(2)：

(qbr)＝(0₁0₂…0_z1r₁r₂…r_n) (2)

其中，q部分为长度为z的0序列，b部分固定为1，r部分长度为n，同时，为了保证GRC编码和原始数据大小相同，令其满足L＝n+2的等式。r部分由0和1的各种不同的组合表示。

例如：n＝2时，可以组成的GRC的种类就有(0100)、(0101)、(0110)、(0111)、(00100)等等。在进行编码的时候，出现频率高的虚拟码字(IC)就会用比较短的GRC编码。例如，假设L＝3时，有8(2³)种可能的IC，此时n＝L-2＝1；那么按照频率的从高到低可以得到固定的编码分别为010、011、0010、0011、00010、00011、000010、000011。

S3-3：统一GRC码字的长度

按着上述步骤，把IC编码成GRC之后的比特流不是定长的，所以为了保证数据的原始大小，需要统一所述GRC编码的长度。在这个过程中q部分将被剔除掉，被剔除的q会作为负载的一部分。进一步的，如下所述：

S3-3-1：这个过程是对每一个所述GRC编码从左到右把整个q部分去掉，然后用一个被称作“虚拟值”的0代替。在式(2)中，被剔除的q部分可能会被取反，标记一个码字的结束以及另一个码字的开始。完成这个剔除过程之后，所有的所述GRC编码都会变成如下式(3)的形式：

(0br)＝(01r₁r₂…r_n) (3)

这样的GRC叫做“生成GRC”。

接步骤S3-2的例子，统一码字长度的时候需要剔除q部分，那么得到的“生成GRC”依次为：依次为010、011、010、011、010、011、010、011。

S3-3-2：对于GRC_i＝(q_ib_ir_i)，被剔除的q部分按(设n为偶数)添加到负载中，其中上划线表示比特位的逻辑取反，0到1或者1到0的转换标志着下一个q部分的开始。例如有GRC集合如下：{(00000100)，(00101)，(000110)，(000100)}，那么q部分就是00000，00，000，000。经过取反等转换之后添加到负载的比特串如下：00000，11，000，111。

S3-4：在生成GRC中数据嵌入

负载信息由三部分组成，分别为步骤S3-3-2中得到的q部分，边信息(sideinformation)和操作者真正要嵌入的外部信息，如图4所示，其为负载信息的构成图。其中所述边信息由按频率排序后的虚拟码字组成，其长度为L×M，M是整个文件流中按L分组之后，实际出现过的IC的种数。

在嵌入的过程中，把GRC中的虚拟值0和表示“b部分”的1用负载替换掉，这样，每一个生成的GRC可以容纳2bit的负载。结果就是每一个生成GRC变成(p_jp_j+1r₁r₂…r_n)的形式，其中p_jp_j+1为两个bit的负载。如图5所示，其为信息嵌入的过程图，每2bit的负载替换掉每个GRC的前两个比特，实现嵌入的过程。

至此完成了信息嵌入的全部过程，用urDEED算法在对于加密数据进行数据嵌入的过程中，不用访问其他域或者信号加密前的某些特征，而是在加密域构造新的特征，用来提供信息嵌入的空间，这种方式大大提高了系统的安全性。

实施例5

上述实施例中的AES算法，过程主要基于置换和代换，它以128比特为分组进行加密处理，分组数据块经过多次变换操作。128位信息分成16个字节，并按顺序复制到一个名为4x4字节的State(矩阵)中。State在每一层都进行加密。它的主循环对State执行4个不同的操作：SubBytes(字节替换)、ShiftRows(行位移变换)、MixColumns(列混合变换)和AddRoundKey(轮密钥加)。四种变换具体如下：

(1)SubBytes是一种非线性的变换。

所述基于urDEED算法的密文图像可逆信息隐藏方法及装置包含一个作用在状态字节上的S-BOX，用SRD表示，它是由字节在GF(2⁸)域中求其乘法逆，并外加一个仿射变换实现。S-BOX是一个16x 16的矩阵，如表1所示，其显示了S-BOX的前五行。

表1AES算法中S-BOX的局部图

(2)ShiftRows(线性变换)

它和列混合运算相互影响，在多轮变换后，使密码信息达到充分的混乱，提高非线性度。

(3)MixColumns(列混合变换)

它用State字节列的值进行数学域加和域乘的结果代替每个字节，是以状态的列为单位进行的操作。

(4)AddRoundKey(轮密钥加)

加密例程获取该密钥数组并生成一个名为w[]的密钥调度表。密钥调度表中的前4行对State实行一个字节的异或(XOR)操作，并用轮密钥表w[e，r]异或输入的State[r.c]。

AES解密算法的结构与加密算法的结构相同，其中的变换为加密算法变换的逆变换，且密钥扩展策略稍有不同。

实施例6

对加密信号指派新的特征然后通过改变这些特征来实现数据嵌入。这种指派过程是可逆的，而且原始加密信号可以被完美的恢复。这个过程由解析器实现，形式上我们可以把解析器定义成排序函数D(X，L)，其中X是比特序列，L是虚拟码字的长度。这个描述表示把X分割成不重叠的有序元组，每个元组包含来自X的L个符号，如下：

一般地，就是一个长度为L的虚拟码字(IC)。从形式上说，是包含来自X的L个符号的有序元组，其定义如下：

根据信息论的知识可以证明X_L的熵取决于L。那么对于长度为N的符号集，通过通用解析器把L设置成不同的长度可以得到N种不同的模型，也就会改变元组集的熵H(X_L)。熵编码的目的就是使得符号集中冗余量的消除，从而为数据嵌入提供足够的空间。最优的L一般被经验性定义。

本发明针对密文图像中信息难度增大的问题，使用一种在密文图像中嵌入信息的算法—urDEED，经过解密和信息提取，可以将原始图像可逆地恢复，加密和信息隐藏的结合既能保证安全传输，也能实现信息认证，所述方法为图像的加密提供了一种新的思路。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的，本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于urDEED算法的密文图像可逆信息隐藏装置，其特征在于，包括：

读取模块：其用于读取需要进行加密和隐藏的图片；

加密模块：其用于对所述图片加密；

数据嵌入模块：其用于对密文进行数据嵌入；

解码模块：其用于提取嵌入信息；

解密模块：其用于将所述图片恢复到原始状态。

2.如权利要求1所述的一种基于urDEED算法的密文图像可逆信息隐藏装置，其特征在于，所述数据嵌入模块包括：

解码单元：其用来把数据流分割成不重叠的片段，得到虚拟码字；

编码单元：其使用GRC编码，将数据编码成固定的格式；

处理单元：其用来将所述GRC编码的长度进行统一；

嵌入单元：其用来构建负载信息并实施嵌入。

3.一种基于urDEED算法的密文图像可逆信息隐藏方法，其包括以下步骤：

步骤S1：读取图片；

步骤S2：用AES算法对图片进行加密；

步骤S3：用urDEED算法对密文进行数据嵌入；

步骤S4：对嵌入的数据进行解码；

步骤S5：AES解密。

4.如权利要求3所述的基于urDEED算法的密文图像可逆信息隐藏方法，其特征在于，所述步骤S2中的AES算法包括：SubBytes、ShiftRows、MixColumns、AddRoundKey变换。

5.如权利要求4所述的基于urDEED算法的密文图像可逆信息隐藏方法，其特征在于，所述步骤S3包括：通用解析，熵编码，统一GRC码字长度，在生成GRC中数据嵌入。

6.如权利要求5所述的基于urDEED算法的密文图像可逆信息隐藏方法，其特征在于，所述通用解析的步骤为：

按定长把表示加密信号的数据流分割成一些不重叠的片段，每个片段长L bits，每一个L-bit长的片段就是一个虚拟码字，这样就会得到一组虚拟码字，设N表示所述加密信号的总比特数，用λ_L表示IC的总数量，其计算方法如下：

7.如权利要求6所述的基于urDEED算法的密文图像可逆信息隐藏方法，其特征在于，所述熵编码的步骤为：

对每个所述虚拟码字进行编码，用编码对原始比特流进行替换。每个GRC由q、b、r三部分组成，其形式如下：

(qbr)＝(0₁0₂...0_z1_r1r₂...r_n)

其中，q部分为长度为z的0序列，b部分固定为1，r部分长度为n，由0和1的各种不同的组合表示，为了保证所述GRC编码和原始数据大小相同，令其满足L＝n+2的等式。

8.如权利要求7所述的基于urDEED算法的密文图像可逆信息隐藏方法，其特征在于，所述统一GRC码字长度的步骤为：

对每个所述GRC编码的q部分去掉，用虚拟值0代替，所述GRC编码变成如下形式：(0br)＝(01r₁r₂…r_n)，

对于GRC_i＝(q_ib_ir_i)，被剔除的q部分按(设n为偶数)添加到负载中，其中上划线表示比特位的逻辑取反，0到1或1到0的转换标志着下一个q部分的开始。

9.如权利要求8所述的基于urDEED算法的密文图像可逆信息隐藏方法，其特征在于，所述在生成GRC中数据嵌入的步骤为：

负载信息由三部分组成，分别为所述统一GRC码字长度中得到的q部分，边信息，和操作者真正要嵌入的外部信息，在嵌入过程中，把GRC的虚拟值0和表示“b部分”的1用负载替换，变成(p_jp_j+1r₁r₂…r_n)的形式，其中，p_jp_j+1为两个bit的负载。