CN109617682B - 一种基于直方图左右移位的密文域可逆信息隐藏方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于直方图左右移位的密文域可逆信息隐藏方法，通过加性同态加密和块置乱加密实现载体不扩展下的完全加密，利用载体的预测误差直方图的左右移位进行信息双重嵌入，保持密文域的高嵌入率和可逆性的平衡。本发明包括：加密阶段内容拥有者通过加密密钥对载体进行同态加密和置乱加密，生成密文载体；信息隐藏阶段信息隐藏者根据嵌入密钥，通过预测误差直方图左右移位进行信息嵌入，生成载密密文载体；信息提取和载体解密阶段，有效接收者使用加密密钥对载密密文载体直接解密，可得到与原始载体高度相似的载体；有效接收者使用加密密钥和嵌入密钥，可无失真获取密文信息和原始载体。与现有技术相比，本发明的有益效果是：密文载体不扩展同时提供较好的安全性保障，在完全可逆的前提下能提供最高2bit/bit的信息嵌入率，并且载体不局限于图像，对连续的多媒体载体具有可扩展性，具有更高的实际意义。

Description

一种基于直方图左右移位的密文域可逆信息隐藏方法

技术领域

本发明涉及信号加密与信息隐藏领域，特别涉及一种基于直方图左右平移的密文域可逆信息隐藏方法。

背景技术

第三方云存储等技术为数字化信息媒体的存取提供了极大的便利性，也带来了严重的数据安全性与隐私性需求。可逆信息隐藏(RDH)作为信息隐藏技术的重要分支，能同时满足信息嵌入和无失真的恢复载体的要求，适用于对数据认证要求高的场景，尤其是遥感应用、军事通信、医疗应用、多媒体管理等领域。密文域可逆信息隐藏(RDH-ED)作为密文信号处理技术与信息隐藏技术的结合，是当前云环境下隐私数据保护的研究一大热点。

目前现有的密文域可逆信息隐藏算法中，根据加密和获取嵌入空间的先后顺序，存在两种嵌入模型，即加密前腾出空间(VRBE)和加密后腾出空间(VRAE)。VARE模型压缩明文域特征保留嵌入空间，具有很好的便捷性和有效性。但需要内容所有者在位置嵌入内容的前提下，在加密前执行额外操作获取嵌入空间，得到的预留空间往往是相对集中的连续区域，可能会带来版权保护的漏洞。VRAE模型的嵌入操作完全在加密域上进行，具有更高的实用价值，所以本发明主要考虑VRAE模型。

在这种模型下，现有密文域可逆信息隐藏技术主要为：对载体进行流加密后利用LSB及类LSB技术进行隐写；将数据嵌入到不受加密影响的空间，如利用同态加密保留冗余空间。前者在数据提取和载体恢复上存在误差，后者往往存在密文膨胀(膨胀率大于2)，或嵌入率较小(通常小于1bit/bit)。

现有的密文域可逆信息隐藏算法通常难以兼顾高嵌入率、高可逆性、安全性和加密数据不扩展或扩展小的特点，且通常聚焦于图像信号的研究，限制应用的广泛性。

发明内容

本发明正是基于上述问题，提出了一种基于直方图左右移位的密文域可逆信息隐藏方法，通过加性同态加密和块置乱加密实现载体不扩展下的完全加密，利用载体的预测误差直方图的左右移位进行信息双重嵌入，保持密文域的高嵌入率和可逆性的平衡。

本发明包括如下步骤：

A、加密阶段：内容拥有者根据加密密钥对载体进行加性同态加密和置乱加密，生成密文载体并发送到信息隐藏者；

B、信息隐藏阶段：信息隐藏者根据嵌入密钥，通过预测误差直方图左右移位进行信息嵌入，生成载密密文载体并传送给有效接收者；

C、信息提取和载体解密阶段：存在两种情况，情况一：有效接收者使用加密密钥对载密密文载体直接解密，得到与原始载体高度相似的载体；情况二：有效接收者使用加密密钥和嵌入密钥，无失真获取密文信息和原始载体。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：根据使用的加密算法，密文载体不扩展同时提供较好的安全性保障，在完全可逆的前提下能提供最高2bit/bit的信息嵌入率，并且载体不局限于图像，对连续的多媒体载体具有可扩展性，具有更高的实际意义。

附图说明

图1示出了根据本发明的实施例的密文域可逆信息隐藏具体流程图

图2(a)示出了本发明的实施例使用的Lena原始图像

图2(b)示出了本发明的实施例得到的加密Lena图像

图3(a)示出了本发明的实施例使用的Lena原始图像的直方图

图3(b)示出了本发明的实施例得到的加密Lena图像的直方图

图4(a)示出了本发明的实施例使用的原始水印图像

图4(b)示出了本发明的实施例提取得到的水印图像

图5(a)示出了本发明的实施例得到的Lena直接解密图像

图5(b)示出了本发明的实施例提取信息后得到的Lena解密图像

具体实施方式

为使本发明的上述特征和优点更明显易懂，下面结合具体实施方式和附图对本发明方法作进一步详细说明。

如图1所示，本发明的基于直方图左右移位的密文域可逆信息隐藏方法，该方法包括以下步骤：

步骤101、加密阶段：内容拥有者根据加密密钥对载体进行加性同态加密和置乱加密，生成密文载体并发送到信息隐藏者，其具体步骤如下：

A1、载体分块，将长度为R×C的原载体数据流存储成矩阵X，X＝{x_r，c|r＝1，2，…，R，c＝1，2，…，C}，将矩阵分成I×J个不重叠的子块X_i，j，X_i，j＝{x_ip，jq|p＝1，2，…，P，q＝1，2，…，Q}；

其中，R＝I×P为矩阵总行数，C＝J×Q为矩阵总列数，r、c分别对应矩阵的行序号和列序号，i、j分别对应子块的行序号和列序号，p、q分别对应子块内数据的行序号和列序号，最大值分别对应P、Q；

其中，原载体可以图像、音频、视频等连续的多媒体，图像可直接存储为矩阵，音频可量化后以连续P×Q个幅值作为子块存储得到矩阵，视频可作为多个图像矩阵存储；

A2、加性同态加密，基于加密密钥key_a获得大小为I×J的密钥矩阵KA，KA＝{ka_i，j|i＝1，2，…，I，j＝1，2，…，J}，使用密钥ka_i，j对子块X_i，j内数据进行统一加性同态加密得到加密子块X′_i，j＝Enc_A(X_i，j，ka_i，j)，生成密文矩阵X′，X′＝{X′_i，j|i＝1，2，…，I，j＝1，2，…，J}，加性同态加密表达式为：

X′_i，j＝(X_i，j+ka_i，j)mod N (1)

其中，N取值为大于max(X)的正整数，如当载体为图像时一般取值N＝256；

A3、块置乱加密，基于加密密钥key_b对密文矩阵X′进行块置换，得到完全加密的载体矩阵X″＝Enc_B(X′，key_b)；

其中，基于加密密钥key_b利用上ogistic混沌映射获得大小为I×J的密钥矩阵KB，KB＝{kb_i，j|i＝1，2，…，I，j＝1，2，…，J}，KB中元素和X′子块单元按索引映射，对KB进行有序排列后，对X′子块单元进行同等置换；

步骤102、信息隐藏阶段：信息隐藏者根据嵌入密钥，通过预测误差直方图左右移位进行信息嵌入，生成载密密文载体并传送给有效接收者，具体步骤如下：

B1、密文载体分块，得到X″＝{X″_i，j|i＝1，2，…，I，j＝1，2，…，J}，X″_i，j＝{x″_ip，jq|p＝1，2，…，P，q＝1，2，…，Q}；

B2、预测误差，以子块为单元，基于嵌入密钥key_c选定预测顺序，使用邻域数据Xn″_i，j＝{x′_{ip′，jq′}|p′＝1，2，…，P，p′≠p，q′＝1，2，…，Q，q′≠q}对子块X″_i，j内数据x″_ip，jq进行预测，得到预测值px″_ip，jq，对原始数据值与预测值相减得到预测误差d"_ip，jq，各子块数据x″_ip，jq对应的预测误差集合d″_p，q＝{d″_ip，jq|i＝1，2，…，I，j＝1，2，…，J}构成预测误差直方图f"_p，q；

其中，被预测过的数据x″_ip，jq在进行下一步直方图移位后使用最终的预测值替换原有数据值，参与对其余数据的预测；

B3、直方图左右移位，基于嵌入密钥key_d选定预测误差直方图的嵌入区间[t₁，t₂]，通过直方图左右移位嵌入信息比特，得到移位后的直方图f″′_p，q和标记后的密文载体矩阵X″′，X"′＝{X"′_i，j|i＝1，2，…，I，j＝1，2，…，J}，X″′_i，j＝{x″′_ip，jq|p＝1，2，…，P，q＝1，2，…，Q}；

其中，嵌入规则为：当直方图向右扩展，扩展后嵌入区间为[t₁，2t₂-t₁+1]，若信息为0，则差值不变，即对应预测值不变；若信息为1，则差值加1，即对应预测值减1；当直方图向左扩展，扩展后嵌入区间为[2t₁-t₂-1，t₂]，若信息为0，则差值不变，即对应预测值不变；若信息为1，则差值减1，即对应预测值加1；

其中，直方图的向右和向左的扩展移位可以独立进行；如果组合进行，不涉及固定的移动方向，可以实现嵌入双重秘密信息，当直方图先右移再左移且嵌入区间范围大于[-2max(X)-2，2max(X)+1]或直方图先左移再右移且嵌入区间范围大于[-max(X)-1，3max(X)+2]时，嵌入率达到2bit/bit；

步骤103、信息提取和载体解密阶段：存在两种情况，情况一：有效接收者使用加密密钥对载密密文载体直接解密，得到与原始载体高度相似的载体；情况二：有效接收者使用加密密钥和嵌入密钥，无失真获取密文信息和原始载体；

其中，情况一的具体步骤如下：

C1、载密密文载体分块，X″′＝{X″′_i，j|i＝1，2，…，I，j＝1，2，…，J}，X″′_i，j＝{x″′_ip，jq|p＝1，2，…，P，q＝1，2，…，Q}；

C2、块置乱解密，基于加密密钥key_b对载密密文矩阵X″′进行块置换解密，得到初步解密的载体矩阵Xd″＝Dec_B(X″′，key_b)，Xd″＝{Xd″_i，j|i＝1，2，…，I，j＝1，2，…，J}；

其中，基于加密密钥key_b利用Logistic混沌映射获得大小为I×J的密钥矩阵KB，KB＝{kb_i，j|i＝1，2，…，I，j＝1，2，…，J}，X″′子块单元与KB有序排序后的元素存在索引映射，依据KB有序排序前后关系对X″′子块单元进行置换解密；

C3、加性同态解密，基于加密密钥key_a获得大小为I×J的密钥矩阵KA，KA＝{ka_i，j|i＝1，2，…，I，j＝1，2，…，J}，使用密钥ka_i，j对子块Xd"_i，j内数据进行统一加性同态解密得到解密子块Xd′_i，j＝Dec_A(Xd″_i，j，ka_i，j)，生成直接解密矩阵Xd′，Xd′＝{Xd′_i，j|i＝1，2，…，I，j＝1，2，…，J}，加性同态解密表达式为：

Xd′_i，j＝(Xd_i，j-ka_i，j)mod N (2)

其中，情况二得具体步骤如下：

C1、载密密文载体分块，X″′＝{X″′_i，j|i＝1，2，…，I，j＝1，2，…，J}，X″′_i，j＝{x″′_ip，jq|p＝1，2，…，P，q＝1，2，…，Q}；

C2、预测误差，预测算法与步骤B2一致，基于嵌入密钥key_c得到预测顺序，逆序得到x″′_ip，jq对应的预测误差直方图f″′_p，q；

其中，被预测过的数据x″′_ip，jq在进行下一步C3信息提取和直方图恢复后使用最终的预测值替换原有数据值，参与对其余数据的预测；

C3、信息提取和载体恢复，基于嵌入密钥key_d确定预测误差直方图f"′_p，q的嵌入区间，提取嵌入信息并反向移位直方图，无失真得到嵌入信息和直方图f″_p，q，得到密文矩阵X″，基于加密密钥key_b和key_a对X″先后执行解密得到原载体；

其中，信息提取和直方图恢复规则为：当直方图向右移位嵌入，若嵌入区间内数值与t₁相减为奇数，提取信息1，差值减1，即对应预测值加1，否则提取信息0，差值不变，即对应预测值不变，提取后直方图向左缩紧；当直方图向左移位嵌入，若嵌入区间内数值与t₂相减为奇数，提取信息1，差值加1，即对应预测值减1，否则提取信息0，差值不变，即对应预测值不变，提取后直方图向右缩紧；

相应地，当嵌入过程使用组合移位，则提取过程需要双重提取，且顺序与嵌入过程相反；

其中，对载体X"执行解密的方法与情况一一致，可无失真得到原载体。

具体地，如图2-图5所示，以Lena图像为例，本实施例的原始图像Lena大小R×C＝512×512，划分成256×256个不重叠的2×2的子块。Lena的原始图像和密文图像效果图分别如图2(a)和图2(b)所示，原始图像和密文图像的直方图分别如图3(a)和图3(b)所示，加密后载体具有抗统计攻击性。根据预测算法和直方图左右移位算法嵌入信息，秘密信息为64×64的水印图像如图4(a)所示。直接解密的Lena图像如图5(a)所示，与原始图像高度一致。提取的秘密信息如图4(b)所示，与图4(a)完全一致，提取后恢复的Lena图像如图5(b)所示，与原始图像图2(a)完全一致。

以上所述之具体实施方式为本发明的较佳实施方式，并非以此限定本发明的具体实施范围，本发明的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本发明所作的等效变化均在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于直方图左右移位的密文域可逆信息隐藏方法，其特征在于，所述方法包括：

A、加密阶段：内容拥有者根据加密密钥对载体进行加性同态加密和基于密钥的块置乱加密，生成密文载体并发送到信息隐藏者；

A1、载体分块，将长度为R×C的原载体数据流存储成矩阵X，X＝{x_r,c|r＝1,2,…,R,c＝1,2,…,C},将矩阵分成I×J个不重叠的子块X_i,j，X_i,j＝{x_ip,jq|p＝1,2,…,P,q＝1,2,…,Q}；

其中，R＝I×P为矩阵总行数，C＝J×Q为矩阵总列数，r、c分别对应矩阵的行序号和列序号，i、j分别对应子块的行序号和列序号，最大值分别为I、J，p、q分别对应子块内数据的行序号和列序号，最大值分别为P、Q；

A2、加性同态加密，基于加密密钥key_a获得大小为I×J的密钥矩阵KA，KA＝{ka_i,j|i＝1,2,…,I,j＝1,2,…,J}，使用密钥ka_i,j对子块X_i,j内数据进行统一加性同态加密得到加密子块X′_i,j＝Enc_A(X_i,j,ka_i,j)，生成密文矩阵X′，X′＝{X′_i,j|i＝1,2,…,I,j＝1,2,…,J}；

A3、块置乱加密，使用Logistic混沌映射加密密钥key_b对密文矩阵X′进行块置换，先将密文矩阵化为一维子块序列，利用Logistic混沌函数得到同样长度序列并与子块序列元素一一对应，升序排列，后进行同等置换，最后将子块序列恢复成矩阵，得到完全加密的载体矩阵X″＝Enc_B(X′,key_b)；

B、信息隐藏阶段：信息隐藏者根据嵌入密钥，通过“基于像素子块的组合加权均值预测误差”和“左右双向直方图移位”进行信息嵌入，生成载密密文载体并传送给有效接收者；

C、信息提取和载体解密阶段：存在两种情况，情况一：有效接收者使用加密密钥对载密密文载体直接解密，得到与原始载体高度相似的载体；情况二：有效接收者使用加密密钥和嵌入密钥，无失真获取密文信息和原始载体。

2.根据权利要求1所述的密文域可逆信息隐藏方法，其特征在于，步骤B进一步包括以下步骤：

B1、密文载体分块，得到X″＝{X″_i,j|i＝1,2,…,I,j＝1,2,…,J}，X″_i,j＝{x″_ip,jq|p＝1,2,…,P,q＝1,2,…,Q}；

B2、预测误差，以子块为单元，基于嵌入密钥key_c选定预测顺序，使用邻域数据Xn″_i,j＝{x′_ip′,jq′|p′＝1,2,…,P,p′≠p,q′＝1,2,…,Q,q′≠q}对子块X″_i,j内数据x″_ip,jq进行箱型、菱形、半菱形组合加权均值误差预测，得到预测值px″_ip,jq，对原始数据值与预测值相减得到预测误差d″_ip,jq，各子块数据x″_ip,jq对应的预测误差集合d″_p,q＝d″_ip,jq|i＝1,2,…,I,j＝1,2,…,J}构成预测误差直方图f″_p,q；

其中，被预测过的数据x″_ip,jq在进行下一步直方图移位后使用最终的预测值替换原有数据值，参与对其余数据的预测；

B3、直方图左右移位，基于嵌入密钥key_d选定预测误差直方图的嵌入区间[t₁,t₂]，通过直方图左右移位嵌入信息比特，得到移位后的直方图f″′_p,q和标记后的密文载体矩阵X″′，X″′＝{X″′_i,j|i＝1,2,…,I,j＝1,2,…,J}，X″′_i,j＝{x″′_ip,jq|p＝1,2,…,P,q＝1,2,…,Q}；

其中，嵌入规则为：当嵌入直方图向右扩展，若信息为0，则差值不变，即对应预测值不变；若信息为1，则差值加1，即对应预测值减1；当对直方图进行向左扩展，若信息为0，则差值不变，即对应预测值不变；若信息为1，则差值减1，即对应预测值加1；

其中，直方图的向右和向左的扩展移位可以独立进行；如果组合进行，不涉及固定的移动方向，可以实现嵌入双重秘密信息。

3.根据权利要求1所述的密文域可逆信息隐藏方法，其特征在于，步骤C情况一下进一步包括以下步骤：

C1、载密密文载体分块，X″′＝{X″′_i,j|i＝1,2,…,I,j＝1,2,…,J}，X″′_i,j＝{x″′_ip,jq|p＝1,2,…,P,q＝1,2,…,Q}；

C2、块置乱解密，基于加密密钥key_b对载密密文矩阵X″′进行块置换解密，得到初步解密的载体矩阵Xd″＝Dec_B(X″′,key_b)；

C3、加性同态解密，基于加密密钥key_a获得大小为I×J的密钥矩阵KA，使用密钥ka_i,j对子块Xd″_i,j内数据进行统一加性同态解密得到解密子块Xd′_i,j＝Dec_A(Xd″_i,j,ka_i,j)，生成直接解密矩阵Xd′，Xd′＝{Xd′_i,j|i＝1,2,…,I,j＝1,2,…,J}。

4.根据权利要求1所述的密文域可逆信息隐藏方法，其特征在于，步骤C情况二下进一步包括以下步骤：

C1、载密密文载体分块，X″′＝{X″′_i,j|i＝1,2,…,I,j＝1,2,…,J}，X″′_i,j＝{x″′_ip,jq|p＝1,2,…,P,q＝1,2,…,Q}；

C2、预测误差，预测算法与步骤B2一致，基于嵌入密钥key_c得到预测顺序，逆序得到x″′_ip,jq对应的预测误差直方图f″′_p,q；

其中，被预测过的数据x″′_ip,jq在进行下一步直方图移位恢复后使用最终的预测值替换原有数据值，参与对其余数据的预测；

C3、信息提取和载体恢复，基于嵌入密钥key_d确定预测误差直方图f″′_p,q的嵌入区间，提取嵌入信息并反向移位直方图，无失真得到嵌入信息和直方图f″_p,q，得到密文矩阵X″，基于加密密钥key_b和key_a对X″先后执行解密得到原载体；

其中，信息提取和直方图恢复规则为：当直方图向右移位嵌入，若嵌入区间内数值与t₁相减为奇数，提取信息1，差值减1，即对应预测值加1，否则提取信息0，差值不变，即对应预测值不变，提取后直方图向左缩紧；当直方图向左移位嵌入，若嵌入区间内数值与t₂相减为奇数，提取信息1，差值加1，即对应预测值减1，否则提取信息0，差值不变，即对应预测值不变，提取后直方图向右缩紧；

相应地，当嵌入过程使用组合移位，则提取过程需要双重提取，且顺序与嵌入过程相反；

其中，对载体X″执行解密的方法与情况一一致。

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