CN109981918A - 一种基于四叉树动态块分割的加密图像可逆信息隐藏方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于四叉树动态块分割的加密图像可逆信息隐藏方法，包括步骤：1)利用四叉树动态块分割法在图像加密前预留空间；2)采用混沌流密码对图像进行置乱、加密；3)对置乱、加密后的图像进行信息隐藏；4)提取隐藏信息；5)对提取隐藏信息后的图像生成解密‑携密图像，并将比特位进行替换，进行图像复原。与现有技术相比，本发明具有实现简单、安全性高、隐写容量大等优点。

Description

一种基于四叉树动态块分割的加密图像可逆信息隐藏方法
技术领域
本发明涉及数字图像处理技术领域，尤其是涉及一种基于四叉树动态块分割的加密图像可逆信息隐藏方法。
背景技术
近年来，随着网络、云计算等技术的发展，传统的图像加密和明文信息隐藏方式已经逐渐不能满足人们对于信息安全的强烈需求。加密技术与信息隐藏技术对于载体传输的安全性保护并不冲突，而是相辅相成的，因此可以将它们结合起来，实现对载体传输的双重保护。加密图像的可逆信息隐藏方法主要可分为两类，分别为加密前预留空间(RRBE，reserving room before encryption)和加密后腾出空间(VARE，vacating room afterencryption)。RRBE是通过加密前预留出空间，加密后将信息直接隐藏在预留出的空间中；VARE是直接在图像加密后，在加密域隐藏秘密信息。
然而，通过对现有的方法研究发现，当前多数方法嵌入量小，计算复杂度高，无法很好的将图像的纹理区与平滑区分割开，无法充分利用自然图像相关性，从而导致算法嵌入量小。此外，计算复杂度高，加密安全性差也是现有方法的常见缺陷。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于四叉树动态块分割的加密图像可逆信息隐藏方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于四叉树动态块分割的加密图像可逆信息隐藏方法，该方法包括下列步骤：
步骤1：利用四叉树动态块分割法在图像加密前预留空间。具体步骤包括：
1.1、设定最小块的边长为MinDim,MinDim≥2，阈值β,β∈[2,3,...,7]；
1.2、将原始图像I的长宽M,N分别扩展，使(M+M0)/MinDim和(N+N0)/MinDim都为二的整数次幂大小，记扩展后的图像长宽为M′和N′；
1.3、将图像分为M′/N′个大小相等的正方形块B1,B2,...,BM′/N′；
1.4、利用四叉树算法对正方形块Bi进行分割；
1.5、选择满足嵌入条件的块进行腾出空间。
优选地，步骤1.4的具体内容包括：
141)对每个正方形块Bi进行四叉树分解；执行四叉树分解时，将图像分为四个大小相等的子块，计算每个子块中最大像素与最小像素的差值d，并对d进行判断，若d＞2β-1，则对该子块继续进行四叉树分解，直到满足终止分割条件，或子块的边长到达设定的最小值MinDim时终止迭代；随后将大小不等的L个块记为P1,P2,...,PL；
142)将Pi的边长设为MinDim×2n，其中，n∈[0,1,2...,log2(MaxDim/MinDim)]，MaxDim未最大Pi块的边长；则采用个比特来表示每个块的大小信息。
优选地，步骤1.5的具体内容包括：
151)若Pi块中的边长为MinDim，则该块作为不可嵌入块UnEb，若Pi块中边长大于MinDim，则该块作为可嵌入块Eb；
152)令di,j为每个Eb块中像素与块最小像素MinValue的差值，其中i,j为块中像素的坐标，di,j＝Ebi,j-MinValue，将di,j替换到每个像素的高β个比特位；根据设置的阈值β，将Eb块中的每个像素腾出8-β个比特，并使用密钥ke1加密该块的MinValue并自嵌入。
步骤2：采用混沌流密码对图像进行置乱、加密。
2.1、随机选取一个置乱密钥ks，以MaxDim为边长，对图像进行分块，并置乱，若MaxDim较大，置乱效果不明显，则进行深层的块内置乱；并记置乱后的L个Pi块大小信息为序列Ls；
2.2、随机选取一个加密密钥ke2,ke2∈(0，1)，以ke2为初始值，生成Logistic混沌映射的二值序列SBk(1≤k≤β×M′×N′)，将序列SB转化成用于加密的二维序列SE；获取二维序列SE的公式为：
2.3、将预留空间后的图像I′与二维序列SE进行异或加密，实际达到的效果为加密图像I′的高β位，生成加密图像IE：
步骤3：对置乱、加密后的图像进行信息隐藏。
3.1、信息嵌入者从云端获取序列Ls，根据序列Ls中的块大小信息序列，将加密图像分割成L个图像块并记作Q1,Q2,...,QL，Qi块中边长为MinDim的块为不适用的不可嵌入块UnEb，边长大于MinDim的块为可嵌入块Eb；
3.2、根据嵌入密钥kq，随机选出Eb块中的像素，将秘密信息嵌入到像素的最后8-β个比特中，生成加密-携密图像IEA。
步骤4：接收者对接收到的图像提取隐藏信息。
4.1、接收者接收到加密-携密图像IEA或解密-携密图像IDA后，根据序列Ls中块大小序列信息将图像进行分块；
4.2、根据嵌入密钥kq，提取出每个Eb块中的秘密信息。
步骤5：接收者对提取隐藏信息后的图像生成解密-携密图像，并将比特位进行替换，进行图像复原。
5.1、生成解密-携密图像；
5.2、恢复无损图像。
优选地，步骤5.1具体包括以下步骤：
511)根据加密密钥ke2生成Logistic混沌映射的二值序列，按照步骤22)中所述的方式生成二维序列SE，并按照步骤23)所述对图像进行异或解密得到IDA′；
512)根据Ls中块大小序列信息对IDA′进行分块；
513)对于Eb块，根据密钥ke1解密得到该块的MinValue；利用高β位比特和MinValue还原出原始图像中Eb块的高β位信息，使用置乱密钥ks进行逆置乱，得到解密-携密图像IDA并计算出原始图像的低8-β位。
优选地，步骤5.2具体包括以下步骤：
521)根据序列Ls中块大小序列信息将解密-携密图像IDA进行分块；
522)取出步骤513)中记录的Le，将Le中的比特位替换到Eb块的每个像素的低8-β位，恢复无损图像。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、本发明利用四叉树分割对图像进行块划分，可以有效的将图像的纹理部分与平滑部分划分开，细分纹理部分的同时将平滑像素尽可能的聚拢在同一块，与传统方法中的将图像分成大小相同的块相比，隐写容量大且算法复杂度低；
二、本发明方法实现了图像加密、信息隐藏、图像解密与信息提取的完全独立，在降低了密钥的管理难度的同时，提高了方法的实用性；
三、本发明方法将秘密信息嵌入在低β位，在嵌入率较高的情况下，解密-携密图像仍然有较好的视觉效果。
附图说明
图1为本发明方法的流程示意图；
图2a)为本发明实施例中仿真实验使用的Lena图像；
图2b)为本发明实施例中仿真实验使用的Baboon图像；
图2c)为本发明实施例中仿真实验得到的加密Lena图像；
图2d)为本发明实施例中仿真实验得到的加密Baboon图像；
图2e)为本发明实施例中仿真实验得到的加密-携密Lena图像；
图2f)为本发明实施例中仿真实验得到的加密-携密Baboon图像；
图2g)为本发明实施例中仿真实验得到的解密-携密Lena图像；
图2h)为本发明实施例中仿真实验得到的解密-携密Baboon图像；
图3为本发明中对于四叉树分割后图像块的扫描方式，其中，图3a)为每个相同层级块的扫描顺序，图3b)为扫描顺序的具体举例；
图4为本发明中对于图像四叉树分割后的块置乱效果，其中图4a)为置乱前块分割细节图，图4b)为置乱后块分割细节图；
图5为本发明实施例中仿真实验得到的Lena和Baboon解密图像PSNR值与嵌入率之间的关系图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
RRBE是通过加密前预留出空间，加密后将信息直接隐藏在预留出的空间中；VARE是直接在图像加密后，在加密域隐藏秘密信息。由于加密图像熵值一般都很高，所以VARE很难构造出大量的空间，而大部分用于明文图像的可逆信息隐藏方法都可以应用于RRBE方法中，所以该方法可以充分利用自然图像中存在的冗余预留出足够大的空间。
如图1所示，本发明涉及一种基于四叉树动态块分割的加密图像可逆信息隐藏方法，包括以下步骤：
步骤一、利用四叉树动态块分割法在图像加密前预留空间。
步骤二、使用混沌流密码对图像进行置乱、加密。
步骤三、对图像进行信息隐藏。
步骤四、提取隐藏信息。
步骤五、生成解密-携密图像并复原图像。
进一步地，作为优选方案，步骤一的具体过程包括：
(a1)设定最小块的边长为MinDim,MinDim≥2，阈值为β,β∈[2,3,...,7]；
将原始图像I的长宽M,N分别扩展；使(M+M0)/MinDim和(N+N0)/MinDim都为2的整数次幂大小，记扩展后的图像长宽为M′和N′，将图像分为M′/N′个大小相等的正方形块B1,B2,...,BM′/N′；
(a2)利用四叉树算法对正方形块Bi进行分割；
(a3)选择满足嵌入条件的块进行腾出空间。
进一步地，作为优选方案，所述步骤(a2)的具体过程为：
(a21)对每个正方形块Bi进行四叉树分解；执行四叉树分解时，将图像分为4个大小相等的子块，求出每个子块中最大像素与最小像素的差值d，并对d进行判断。若d＞2β-1，则对该子块继续进行四叉树分解；直到满足终止分割条件，或子块的边长到达设定的最小值MinDim时终止迭代；并将这些大小不等的L个块记为P1,P2,...,PL；
(a22)Pi的边长为MinDim×2n，其中，n∈[0,1,2…,log2(MaxDim/MinDim)]，MaxDim是最大Pi块的边长；则可以用个比特来表示每个块的大小信息。
进一步地，作为优选方案，所述步骤(a3)的具体过程为：
(a31)Pi块中边长为MinDim的块为不可嵌入块UnEb，不会被使用；边长大于MinDim的块为可嵌入块Eb；
(a32)令di,j为每个Eb块中像素与块最小像素MinValue的差值，其中i,j为块中像素的坐标，di,j＝Ebi,j-MinValue，将di,j替换到每个像素的高β个比特位；根据设置的阈值β，Eb块中的每个像素都可以腾出8-β个比特；此外，使用密钥ke1加密该块的MinValue并自嵌入，需要使用8个比特。
进一步地，作为优选方案，步骤二的具体过程为：
(b1)随机选取一个置乱密钥ks，以MaxDim为边长，对图像进行分块，并置乱。如果MaxDim较大，置乱效果不明显，可以进行深层的块内置乱；并记置乱后的L个Pi块大小信息为序列Ls；这一步主要为防止他人(如信息隐藏者)根据纹理分布信息查看到图像概貌；如图4所示，该图展示了Lena图像置乱前后的分块细节；
(b2)随机选取一个加密密钥ke2,ke2∈(0，1)，以ke2为初始值，生成Logistic混沌映射的二值序列SBk(1≤k≤β×M′×N′)，进一步将序列SB转化成用于加密的二维序列SE；所使用的公式如下：
(b3)将预留空间后的图像I′与二维序列SE进行异或加密，实际达到的效果为加密图像I′的高β位，生成加密图像IE：
进一步地，作为优选方案，步骤三的具体过程为：
(c1)信息嵌入者从云端获取Ls，根据Ls中的块大小信息序列，将加密图像分割成L个图像块记为Q1,Q2,…,QL，Qi块中边长为MinDim的块为不可嵌入块UnEb，不会被使用；边长大于MinDim的块为可嵌入块Eb；
(c2)根据嵌入密钥kq，随机选出Eb块中像素，将秘密信息嵌入到像素的最后8-β个比特中；生成加密-携密图像IEA。
进一步地，作为优选方案，步骤四的具体过程为：
(d1)接收到加密-携密图像IEA或解密-携密图像IDA后，根据Ls中块大小序列信息将图像进行分块；
(d2)根据嵌入密钥kq，提取出每个Eb块中的秘密信息。
进一步地，作为优选方案，步骤五的具体过程为：
(e1)生成解密-携密图像IDA；
(e2)无损恢复图像。
进一步地，作为优选方案，所述步骤(e1)的具体过程为：
(e11)根据加密密钥ke2，生成Logistic混沌映射的二值序列，按照(b2)中所述的方式生成二维序列SE，并按照(b3)所述对图像进行异或解密得到IDA′；
(e12)根据Ls中块大小序列信息对IDA′进行分块；
(e13)对于Eb块，根据密钥ke1解密得到该块的MinValue；利用高β位比特和MinValue还原出原始图像中Eb块的高β位信息，使用置乱密钥ks进行逆置乱，得到解密-携密图像IDA并计算出原始图像的低8-β位记录为：
进一步地，作为优选方案，所述步骤(e2)的具体过程为：
(e21)根据Ls中块大小序列信息将解密-携密图像IDA进行分块；
(e22)取出(e13)中记录的Le，将Le中的比特位替换到Eb块的每个像素的低8-β位；图像即无损恢复。
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。
实验仿真以大小为512×512的Lena和Baboon为测试图像，参数选择为MinDim＝2，β＝6。
计算得到的Lena图像和Baboon图像的最大隐写容量分别为444528比特和238824比特，可以看出，本发明由于利用自然图像像素相关性，所以对于平滑图像效果更好。
由图2e)和图2f)可以看出，两个加密-携密图像与加密图像相似，类似噪声分布，这说明本发明的信息隐藏没有改变加密图像的特性。
当接收者获得加密密钥，则可以解密获取近似的图像，在获得嵌入密钥的条件下，可以100％正确提取秘密信息，在同时得到加密密钥和信息隐藏密钥的条件下，信息能够被正确提取，图像也能被完全正确恢复。
图2g)和图2h)分别是携带有0.2bpp嵌入率的解密-携密Lena图像和Baboon图像，他们的PSNR(峰值信噪比)值分别为43.5336和40.7570。从视觉角度而言，图像质量极好，非常接近原图。图5显示了更详细的嵌入率与图像PSNR值之间的关系。
最后，验证本发明的隐写容量与参数的关系。很明显可以看出，最小块的边长MinDim设置地越小，图像划分越细，嵌入量越大，但MinDim的值不能过小，得保证足够的空间嵌入MinValue信息。验证本发明的隐写容量与阈值β的关系，最大隐写容量的计算公式如下：
式中，Npn表示边长为2n×MinDim的块的个数，可以从公式中看出，决定最大容量的是Npn。表1给出了β分别取4、5、6、7时的最大隐写容量。
表1 不同β下的最大嵌入容量
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于四叉树动态块分割的加密图像可逆信息隐藏方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
1)利用四叉树动态块分割法在图像加密前预留空间；
2)采用混沌流密码对图像进行置乱、加密；
3)对置乱、加密后的图像进行信息隐藏；
4)接收者对接收到的图像提取隐藏信息；
5)接收者对提取隐藏信息后的图像生成解密-携密图像，并将比特位进行替换，进行图像复原。
2.根据权利要求1所述的一种基于四叉树动态块分割的加密图像可逆信息隐藏方法，其特征在于，步骤1)具体包括以下步骤：
11)设定最小块的边长为MinDim,MinDim≥2，阈值β,β∈[2,3,...,7]；
12)将原始图像I的长宽M,N分别扩展，使(M+M0)/MinDim和(N+N0)/MinDim都为二的整数次幂大小，记扩展后的图像长宽为M′和N′；
13)将图像分为M′/N′个大小相等的正方形块B1,B2,...,BM′/N′；
14)利用四叉树算法对正方形块Bi进行分割；
15)选择满足嵌入条件的块进行腾出空间。
3.根据权利要求2所述的一种基于四叉树动态块分割的加密图像可逆信息隐藏方法，其特征在于，步骤14)的具体内容包括：
141)对每个正方形块Bi进行四叉树分解；执行四叉树分解时，将图像分为四个大小相等的子块，计算每个子块中最大像素与最小像素的差值d，并对d进行判断，若d＞2β-1，则对该子块继续进行四叉树分解，直到满足终止分割条件，或子块的边长到达设定的最小值MinDim时终止迭代；随后将大小不等的L个块记为P1,P2,...,PL；
142)将Pi的边长设为MinDim×2n，其中，n∈[0,1,2...,log2(MaxDim/MinDim)]，MaxDim未最大Pi块的边长；则采用个比特来表示每个块的大小信息。
4.根据权利要求3所述的一种基于四叉树动态块分割的加密图像可逆信息隐藏方法，其特征在于，步骤15)的具体内容包括：
151)若Pi块中的边长为MinDim，则该块作为不可嵌入块UnEb，若Pi块中边长大于MinDim，则该块作为可嵌入块Eb；
152)令di,j为每个Eb块中像素与块最小像素MinValue的差值，其中i,j为块中像素的坐标，di,j＝Ebi,j-MinValue，将di,j替换到每个像素的高β个比特位；根据设置的阈值β，将Eb块中的每个像素腾出8-β个比特，并使用密钥ke1加密该块的MinValue并自嵌入。
5.根据权利要求4所述的一种基于四叉树动态块分割的加密图像可逆信息隐藏方法，其特征在于，步骤2)具体包括以下步骤：
21)随机选取一个置乱密钥ks，以MaxDim为边长，对图像进行分块，并置乱，若MaxDim较大，置乱效果不明显，则进行深层的块内置乱；并记置乱后的L个Pi块大小信息为序列Ls；
22)随机选取一个加密密钥ke2,ke2∈(0，1)，以ke2为初始值，生成Logistic混沌映射的二值序列SBk(1≤k≤β×M′×N′)，将序列SB转化成用于加密的二维序列SE；获取二维序列SE的公式为：
23)将预留空间后的图像I′与二维序列SE进行异或加密，实际达到的效果为加密图像I′的高β位，生成加密图像IE：
。
6.根据权利要求5所述的一种基于四叉树动态块分割的加密图像可逆信息隐藏方法，其特征在于，步骤3)具体包括以下步骤：
31)信息嵌入者从云端获取序列Ls，根据序列Ls中的块大小信息序列，将加密图像分割成L个图像块并记作Q1,Q2,...,QL，Qi块中边长为MinDim的块为不适用的不可嵌入块UnEb，边长大于MinDim的块为可嵌入块Eb；
32)根据嵌入密钥kq，随机选出Eb块中的像素，将秘密信息嵌入到像素的最后8-β个比特中，生成加密-携密图像IEA。
7.根据权利要求6所述的一种基于四叉树动态块分割的加密图像可逆信息隐藏方法，其特征在于，步骤4)具体包括以下步骤：
41)接收者接收到加密-携密图像IEA或解密-携密图像IDA后，根据序列Ls中块大小序列信息将图像进行分块；
42)根据嵌入密钥kq，提取出每个Eb块中的秘密信息。
8.根据权利要求7所述的一种基于四叉树动态块分割的加密图像可逆信息隐藏方法，其特征在于，步骤5)具体包括以下步骤：
51)生成解密-携密图像；
52)恢复无损图像。
9.根据权利要求8所述的一种基于四叉树动态块分割的加密图像可逆信息隐藏方法，其特征在于，步骤51)具体包括以下步骤：
511)根据加密密钥ke2生成Logistic混沌映射的二值序列，按照步骤22)中所述的方式生成二维序列SE，并按照步骤23)所述对图像进行异或解密得到IDA′；
512)根据Ls中块大小序列信息对IDA′进行分块；
513)对于Eb块，根据密钥ke1解密得到该块的MinValue；利用高β位比特和MinValue还原出原始图像中Eb块的高β位信息，使用置乱密钥ks进行逆置乱，得到解密-携密图像IDA并计算出原始图像的低8-β位。
10.根据权利要求9所述的一种基于四叉树动态块分割的加密图像可逆信息隐藏方法，其特征在于，步骤52)具体包括以下步骤：
521)根据序列Ls中块大小序列信息将解密-携密图像IDA进行分块；
522)取出步骤513)中记录的Le，将Le中的比特位替换到Eb块的每个像素的低8-β位，恢复无损图像。
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