CN110460737B

CN110460737B - 一种图像分享和还原方法

Info

Publication number: CN110460737B
Application number: CN201910613258.1A
Authority: CN
Inventors: 李鹏; 马坚峰; 尹丽萍
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2019-07-09
Filing date: 2019-07-09
Publication date: 2021-03-23
Anticipated expiration: 2039-07-09
Also published as: CN110460737A

Abstract

本发明提供一种图像分享和还原方法，能够针对两幅大小相同的二值图像进行分享和还原。在两幅图像中选取位置相同的像素块，根据像素块的值选择对应的基础分享矩阵组，利用基础分享矩阵组里的分享矩阵生成分享图像的像素块，最终得到的分享图像为随机图像，任意一个分享图像中不能得到任何原图像信息。本发明还提供了利用任意两个分享图像来还原原图像的方法，并提供了两种还原方案，分别为：基于或运算的图像还原方案和基于异或运算的图像还原方案。两种方案能够还原出不同质量的原始图像，增加了图像还原的手段。

Description

一种图像分享和还原方法

技术领域

本发明涉及到信息安全技术领域，具体的，涉及一种针对图像信息的分享方法和还原方法。

背景技术

图像信息的使用量随着手机、电脑等电子设备的普及变得越来越多，与此同时，图像信息的安全传输也变得尤为重要。所以一种安全的图像传输方案是人们所急需的，而图像的加密分享与还原作为一种安全的图像传输方案，也受到了更多人的重视。

现有的传统图像加密算法一般都包含有一个密钥，信息的安全性完全由密钥信息的安全性决定，这在对信息安全要求高的领域是完全不可接受的。视觉密码方案(简写为VCS)具有强安全性、低计算量、不依赖于计算设备和操作简单的优点，近来受到了广泛的关注。但常见的视觉密码的加密方案存在着像素膨胀度过大、解密手段单一等问题。在对两幅图像进行加密分享时，需要对每一幅单独进行加密和解密，增加了图像分享和图像还原的过程，使得图像传输过程更加繁琐。

发明内容

本发明是为了解决上述技术问题而做出的，其目的是提供一种针对两幅大小相同的秘密图像信息生成分享图像的方法，以及根据分享图像还原秘密图像的方法。

第一方面，本发明提供一种图像分享方法，包括如下步骤：

S11：将两幅待分享的原始图像分别记为I₁和I₂，所述原始图像为二值图像，其每个像素块的值记为0或1，I₁和I₂均可表述为i行j列的矩阵，其中i和j均为大于零的自然数；

S12：构造四个基础分享矩阵组：C₀₀、C₀₁、C₁₀和C₁₁，记为C_pq，其中p和q的取值均为0或1，所述四个基础分享矩阵组分别包括3个行列3×2的基础矩阵；

S13：在原始图像I₁和I₂的相同位置处各取一个像素块，将该像素块的位置记为(m,n)，其中1≤m≤i，1≤n≤j，m和n均为自然数，将原始图像I₁中所取的像素块的值记为p，将原始图像I₂中所取的像素块的值记为q；

S14：根据S13中p和q的值，选择对应的基础分享矩阵组C_pq，并在C_pq中的3个基础矩阵中分别随机选择一列构成一个分享矩阵A，所述分享矩阵A的行数为3，列数为3，分享矩阵A第一行的三个数值记为分享图像A₁中位置为(m,n)，(m,j+n)和(m,2j+n)处的像素块的值，分享矩阵A第二行的三个数值记为分享图像A₂中位置为(m,n)，(m,j+n)和(m,2j+n)处的像素块的值，分享矩阵A第三行的三个数值记为分享图像A₃中位置为(m,n)，(m,j+n)和(m,2j+n)处的像素块的值；

S15：重复执行S13和S14直至原始图像I₁和I₂中的全部像素块均被分享，最后得到三幅分享图像A₁、A₂、A₃。

可选的，步骤S12中所述四个基础分享矩阵组C₀₀、C₀₁、C₁₀、C₁₁的构造为：

第二方面，本发明提供了一种图像还原的方法，用于对经由上述基础分享矩阵组分享后的分享图像进行还原，包括如下步骤：

S21：在上述的分享图像A₁,A₂,A₃中选取任意两幅，记为A_l和A_k，其中(l,k)共包含三种情况：(1,2)、(1,3)和(2,3)；

S22：对S21中选取的两幅分享图像A_l和A_k进行或运算，得到一幅恢复图像M₁，将恢复图像M₁等分为三列，依次记为M₁₁、M₁₂、M₁₃；

S23：根据两幅分享图像A_l和A_k的标号l和k的值，按照一定的对应关系获取原始图像I₁和I₂，所述对应关系为：当(l，k)为(1，2)时，I₁即为M₁₁，I₂即为M₁₃；当(l，k)为(1，3)时，I₁即为M₁₁，I₂即为M₁₂；当(l，k)为(2，3)时，I₁即为M₁₂，I₂即为M₁₃。

可选的，所述S22的具体步骤为：将两幅分享图像A_l和A_k打印到透明胶片上，之后叠加两张透明胶片上的分享图像，即可获得恢复图像M₁。

可选的，所述S22的具体步骤为：利用计算机对分享图像A_l和A_k中对应位置的像素块的值做或运算，根据运算结果转化为图像即为恢复图像M₁。

第三方面，本发明提供了另一种图像还原的方法，用于对经由上述基础分享矩阵组分享后的分享图像进行还原，包括如下步骤：

S31：在上述的分享图像A₁，A₂，A₃中选取任意两幅，记为A_l和A_k，其中(l，k)共包含三种情况：(1，2)、(1，3)和(2，3)；

S32：对S31中选取的两幅分享图像A_l和A_k进行异或运算，得到一幅恢复图像M₂，将恢复图像M₂等分为三列，依次记为M₂₁、M₂₂、M₂₃；

S33：根据两幅分享图像A_l和A_k的标号l和k的值，按照一定的对应关系获取原始图像I₁和I₂，所述对应关系为：当(l，k)为(1，2)时，I₁即为M₂₁，I₂即为M₂₃；当(l，k)为(1，3)时，I₁即为M₂₁，I₂即为M₂₂；当(l，k)为(2，3)时，I₁即为M₂₂，I₂即为M₂₃。

可选的，所述S32的具体步骤为：将两幅分享图像A_l和A_k首先打印在透明胶片上，再利用具有反转和复印功能的打印机进行还原，具体操作为：反转分享图像A_l得到图像B₁，反转分享图像A_k得到图像B₂，叠加图像B₁和分享图像A_k得到图像B₃，叠加分享图像A_l和图像B₂得到图像B₄，反转图像B₃得到图像B₅，反转图像B₄得到图像B₆，最后叠加图像B₅和图像B₆即可获得恢复图像M₂。

可选的，所述S32的具体步骤为：利用计算机对分享图像A_l和A_k中对应位置的像素块的值做异或运算，根据运算结果转化为图像即为恢复图像M₂。

可选的，在得到恢复图像M₂后，依据步骤S33中所述对应关系，通过计算机对原始图像I₁和I₂进行提取。

根据上面的描述和实践可知，本发明所述的一种图像分享方法，能够将需要隐蔽传输的两幅秘密图像分享成为三幅分享图像，单独的一幅分享图像不能获取原秘密图像的信息，但是从中选取任意两幅分享图像，经过一系列的还原即可获得恢复图像，从该恢复图像中可以获取原秘密图像的信息。本发明提供了两种图像还原方法，能够还原出两种不同显示质量的恢复图像，其中显示质量最高的恢复图像中包含的信息与原秘密图像的信息完全相同，解决了现有的视觉密码加密方案中像素膨胀度过大、解密手段单一的问题，能够同时对两幅图像进行加密分享，简化了图像分享传输的过程。

附图说明

图1为本发明的实施例一中涉及的原始图像与分享图像的示意图，其中图1a和图1b为原始图像，图1c、图1d和图1e为分享图像。

图2为本发明的实施例二中涉及的一种图像还原方法所还原的恢复图像的示意图。

图3为本发明的实施例三中涉及的一种图像还原方法所还原的恢复图像的示意图。

图4为本发明所述图像分享和还原方法流程图的示意图。

具体实施方式

在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。

下面将参照附图来对根据本发明的各个实施例进行详细描述。

实施例一

图1为本发明的实施例一中涉及的原始图像与分享图像的示意图，其中图1a和图1b为原始图像，图1c、图1d和图1e为分享图像。本实施例中对图1a和图1b所示的原始图像进行了分享，具体分享方法包括如下步骤：

步骤S11：将图1a中待分享的原始图像记为I₁，将图1b中待分享的原始图像记为I₂，该两幅原始图像为大小相同的二值图像，其尺寸均为(512,512)，所述的尺寸是以像素为单位的。原始图像中每个像素块的值记为0或1，当像素块的值为0时，表示该像素块的颜色为白色；当像素块的值为1时，表示该像素块的颜色为黑色。

此时，I₁和I₂均可表示为一个二维的二值矩阵，该矩阵共有512行、512列，矩阵中的每一个数值为0或1，并且每一个数值代表着原始图像中的一个像素块。

步骤S12：构造四个基础分享矩阵组：C₀₀、C₀₁、C₁₀和C₁₁，将该四个基础分享矩阵组用C_pq表示，其中p和q的取值均为0或1。

具体地说，每个基础分享矩阵组包括3个基础矩阵，该基础矩阵的行数为3，列数为2。本实施例中给出了上述四个基础分享矩阵组的一种构造方式，具体为：

本实施例基于如上构造方式的C₀₀、C₀₁、C₁₀和C₁₁对原始图像进行分享。

当然，本领域的技术人员也可对上述的基础分享矩阵组中所有的基础矩阵做相同的行互换操作。由于基础矩阵都包含三行，因此所有的行互换后不同的基础分享矩阵组共有六种。

步骤S13：在原始图像I₁和I₂的相同位置处各取一个像素块，将该像素块的位置记为(m，n)，其中1≤m≤512，1≤n≤512，m和n均为自然数；将原始图像I₁中所取的像素块的值记为p，将原始图像I₂中所取的像素块的值记为q。

具体地说，当p＝0，q＝0时，选用基础分享矩阵组C₀₀对该两个像素块进行分享；当p＝0，q＝1时，选用基础分享矩阵组C₀₁对该两个像素块进行分享；当p＝1，q＝0时，选用基础分享矩阵组C₁₀对该两个像素块进行分享；当p＝1，q＝1时，选用基础分享矩阵组C₁₁对该两个像素块进行分享。

步骤S14：根据S13中p和q的值，选择对应的基础分享矩阵组C_pq，并在C_pq中的3个基础矩阵中分别随机选择一列构成一个分享矩阵A，所述分享矩阵A的行数为3，列数为3，分享矩阵A第一行的三个数值记为分享图像A₁中位置为(m，n)，(m，512+n)和(m，1024+n)处的像素块的值，分享矩阵A第二行的三个数值记为分享图像A₂中位置为(m，n)，(m，512+n)和(m，1024+n)处的像素块的值，分享矩阵A第三行的三个数值记为分享图像A₃中位置为(m，n)，(m，512+n)和(m，1024+n)处的像素块的值。

需要注意的是，可以对步骤S12中任意一个基础矩阵进行列互换。由于构造分享矩阵A是通过随机选取基础分享矩阵中每个基础矩阵的1列来组成的，因此对任意基础矩阵列进行列互换操作不会影响到方案的实施。

此处以p＝0，q＝1为例进行说明，此时(p，q)＝(0，1)，选取C₀₁进行分享，从C₀₁中的3个基础矩阵中分别随机选择一列构成一个分享矩阵A，这里分别选择C₀₁中第一个基础矩阵的第一列、C₀₁中第二个基础矩阵的第二列、C₀₁中第三个基础矩阵的第二列来组成分享矩阵A。可知分享矩阵

其中，把分享矩阵A第一行的三个数值[0 0 1]分别记为分享图像A₁中位置为(m，n)，(m，512+n)和(m，1024+n)处的像素块的值；把分享矩阵A第二行的三个数值[0 1 0]分别记为分享图像A₂中位置为(m，n)，(m，512+n)和(m，1024+n)处的像素块的值；分享矩阵A第三行的三个数值[0 1 1]分别记为分享图像A₃中位置为(m，n)，(m，512+n)和(m，1024+n)处的像素块的值。

步骤S15：重复执行步骤S13和步骤S14直至原始图像I₁和I₂中的全部像素块均被分享，最后得到三幅分享图像A₁、A₂、A₃。其中A₁参见1c，A₂参见图1d，A₃参见图1e。

具体地说，把原始图像I₁和I₂中所有位置的像素块进行步骤S13和步骤S14中的分享过程，最终便可得到三幅分享图像A₁、A₂、A₃。并且分享图像A₁、A₂、A₃的尺寸均为(512，1536)，即分享图像的高度与原始图像相同，分享图像的宽度是单幅原始图像的三倍。

本发明中的图像分享方法是对两幅同样大小的二值图像，进行一系列的加密转换，最终生成三幅分享图像的过程。

实施例二

图2为本发明的实施例二中涉及的一种图像还原方法所还原的恢复图像的示意图。下面结合实施例一中的分享图像A₁、A₂、A₃来对本实施例中的图像还原方法进行说明，该图像还原方法包含以下步骤：

步骤S21：在上述的分享图像A₁，A₂，A₃中选取任意两幅，记为A_l和A_k，其中(l，k)共包含三种情况：(1，2)、(1，3)和(2，3)；

步骤S22：对步骤S21中选取的两幅分享图像A_l和A_k进行或运算，得到一幅恢复图像M₁，将恢复图像M₁等分为三列，依次记为M₁₁、M₁₂、M₁₃；

步骤S23：根据两幅分享图像A_l和A_k的标号l和k的值，按照一定的对应关系获取原始图像I₁和I₂，所述对应关系为：当(l，k)为(1，2)时，I₁即为M₁₁，I₂即为M₁₃；当(l，k)为(1，3)时，I₁即为M₁₁，I₂即为M₁₂；当(l，k)为(2，3)时，I₁即为M₁₂，I₂即为M₁₃。

具体地说，分享图像A_l和A_k中每个像素块的值均为0或1，因此A_l和A_k可以用二维的二值矩阵来表示，分别记为I_l和I_k，利用计算机对矩阵I_l和I_k进行或运算得出一矩阵，该矩阵共有512行、1536列。将该矩阵在计算机上转换成图像即可获得恢复图像M₁。

此外，也可将两幅分享图像A_l和A_k打印到透明胶片上，之后叠加两张透明胶片上的分享图像，即可获得恢复图像M₁。为了便于观察可以将叠加后的透明胶片放到投影机上，进行投映。

本实施例中选用分享图像A₁和A₂进行了上述还原步骤，最终获得的恢复图像参见图2，将图2等分为三列后，将该三列从左至右依次记为M₁₁、M₁₂、M₁₃。其中原始图像I₁为图2中的M₁₁部分，原始图像I₂为图2中的M₁₃部分。此还原方法得到的是较低质量的原始图像，其尺寸与原图相同，但其清晰程度与原图相比较低。

需要注意的是，当实施例一中的基础分享矩阵组的具体构造发生变化时，本实施例中步骤S23所提供的对应关系需要重新进行计算。

实施例三

图3为本发明的实施例三中涉及的一种图像还原方法所还原的恢复图像的示意图。下面结合实施例一中的分享图像A₁、A₂、A₃来对本实施例中的图像还原方法进行说明，该图像还原方法包含以下步骤：

具体地说，分享图像A_l和A_k中每个像素块的值均为0或1，因此A_l和A_k可以用二维的二值矩阵来表示，分别记为I_l和I_k，利用计算机对矩阵I_l和I_k进行异或运算得出一矩阵，该矩阵共有512行、1536列。将该矩阵在计算机上转换成图像即可获得恢复图像M₂。此外，依据步骤S33中的对应关系，还可以利用计算机对恢复图像M₂中包含的原始图像I₁和I₂进行提取，以获得精确的原始图像。

此外，也可将两幅分享图像A_l和A_k首先打印在透明胶片上，再利用具有反转和复印功能的打印机进行还原，具体操作为：反转分享图像A_l得到图像B₁，反转分享图像A_k得到图像B₂，叠加图像B₁和分享图像A_k得到图像B₃，叠加分享图像A_l和图像B₂得到图像B₄，反转图像B₃得到图像B₅，反转图像B₄得到图像B₆，最后叠加图像B₅和图像B₆即可获得恢复图像M₂。

本实施例中选用分享图像A₁和A₂进行了上述还原步骤，最终获得的恢复图像参见图3，将图3等分为三列后，将该三列从左至右依次记记为M₂₁、M₂₂、M₂₃。其中原始图像I₁为图3中的M₂₁部分，原始图像I₂为图3中的M₂₃部分。通过计算机对图3中的M₂₁部分和M₂₃部分进行提取，便可得到精确的原始图像I₁和I₂。此还原方法得到的是高质量的原始图像，其与原图完全相同。

需要注意的是，当实施例一中的基础分享矩阵组的具体构造发生变化时，本实施例中步骤S33所提供的对应关系需要重新进行计算。

图4为本发明所述图像分享和还原方法流程图的示意图。如图4所示，本发明以图1a和图1b中的原始图像作为秘密图像，在通过实施例一中所描述的分享方法进行分享后得到了三个分享图像，参见图1c、图1d和图1e，每个分享图像的尺寸是图1a和图1b中单幅原始图像尺寸的3倍。且三个分享图像为随机图像，任意一个分享图像中不能得到任何原图像的信息，但是从中选取任意两个分享图像，经过一系列的还原即可获得恢复图像，从该恢复图像中可以获取原秘密图像的信息。

本发明共提供了两种不同类型的图像还原方案，图4中的方案一为实施例二中所描述的还原方案，通过此方案可以获得低质量的恢复图像，其尺寸是单幅原始图像的3倍，从中可以获取原秘密图像所包含的信息；图4中的方案二为实施例三中所描述的还原方案，通过此方案可以获得高质量的恢复图像，其尺寸是单幅原始图像尺寸的3倍，从中可以获取原秘密图像所包含的信息。上述两种类型的图像还原方案，均可通过两种技术手段实现。例如方案一中基于或运算的还原方法可通过计算机或者透明胶片来实现；方案二中基于异或运算的还原方法可以通过计算机或者具有反转和复印功能的打印机来实现。用户可以根据实际情况对分享图像进行还原。

以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种图像分享方法，其特征在于，包括如下步骤：

S12：构造四个基础分享矩阵组：C₀₀、C₀₁、C₁₀和C₁₁，记为C_pq，其中，p的取值为0或1，q的取值为0或1，所述四个基础分享矩阵组分别包括3个行列3×2的基础矩阵；

S13：在原始图像I₁和I₂的相同位置处各取一个像素块，将该像素块的位置记为(m，n)，其中1≤m≤i，1≤n≤j，m和n均为自然数，将原始图像I₁中所取的像素块的值记为p，将原始图像I₂中所取的像素块的值记为q；

S14：根据S13中p和q的值，选择对应的基础分享矩阵组C_pq，并在C_pq中的3个基础矩阵中分别随机选择一列构成一个分享矩阵A，所述分享矩阵A的行数为3，列数为3，分享矩阵A第一行的三个数值记为分享图像A₁中位置为(m，n)，(m，j+n)和(m，2j+n)处的像素块的值，分享矩阵A第二行的三个数值记为分享图像A₂中位置为(m，n)，(m，j+n)和(m，2j+n)处的像素块的值，分享矩阵A第三行的三个数值记为分享图像A₃中位置为(m，n)，(m，j+n)和(m，2j+n)处的像素块的值；

2.如权利要求1所述的图像分享方法，其特征在于，S12中所述四个基础分享矩阵组C₀₀、C₀₁、C₁₀、C₁₁的构造为：

3.一种图像还原方法，用于将权利要求2所述的分享图像还原为所述的原始图像，其特征在于，包含如下步骤：

S21：在权利要求2所述的分享图像A₁，A₂，A₃中选取任意两幅，记为A_l和A_k，其中(l，k)共包含三种情况：(1，2)、(1，3)和(2，3)；

4.如权利要求3所述的图像还原方法，其特征在于，所述S22的具体步骤为：将两幅分享图像A_l和A_k打印到透明胶片上，之后叠加两张透明胶片上的分享图像，即可获得恢复图像M₁。

5.如权利要求3所述的图像还原方法，其特征在于，所述S22的具体步骤为：利用计算机对分享图像A_l和A_k中对应位置的像素块的值做或运算，根据运算结果转化为图像即为恢复图像M₁。

6.一种图像还原方法，用于将权利要求2所述的分享图像还原为所述的原始图像，其特征在于，包含如下步骤：

S31：在权利要求2所述的分享图像A₁，A₂，A₃中选取任意两幅，记为A_l和A_k，其中(l，k)共包含三种情况：(1，2)、(1，3)和(2，3)；

7.如权利要求6所述的图像还原方法，其特征在于，所述S32的具体步骤为：将两幅分享图像A_l和A_k首先打印在透明胶片上，再利用具有反转和复印功能的打印机进行还原，具体操作为：反转分享图像A_l得到图像B₁，反转分享图像A_k得到图像B₂，叠加图像B₁和分享图像A_k得到图像B₃，叠加分享图像A_l和图像B₂得到图像B₄，反转图像B₃得到图像B₅，反转图像B₄得到图像B₆，最后叠加图像B₅和图像B₆即可获得恢复图像M₂。

8.如权利要求6所述的图像还原方法，其特征在于，所述S32的具体步骤为：利用计算机对分享图像A_l和A_k中对应位置的像素块的值做异或运算，根据运算结果转化为图像即为恢复图像M₂。

9.如权利要求8所述的图像还原方法，其特征在于，在得到恢复图像M₂后，依据步骤S33中所述对应关系，通过计算机对原始图像I₁和I₂进行提取。