CN111311474A - 一种大容量的图像加密域信息隐藏方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于信息隐藏技术领域，旨在提供一种能够将载体图像解密过程和秘密数据提取过程分离的大容量加密域信息隐藏方法；具体技术方案为：一种大容量的图像加密域信息隐藏方法，由以下四部分组成：一、预测差值的计算和标签地图的产生；二、载体图像的加密；三、预测差值的保存及秘密信息的嵌入；四、载体图像的可逆恢复及秘密信息的无损提取；整个技术方案简单易行，根据用户对图像保护的不同要求，可将用户版权、身份认证或内容检索等信息隐藏到加密图像中，实现对图像的版权保护、安全认证、检索、归类等管理。
Description
技术领域
本发明信息隐藏技术领域，具体涉及一种大容量的图像加密域信息隐藏方法。
背景技术
随着云计算的普及，越来越多涉及个人隐私的图像数据在开放的云平台进行存储和处理，如信用记录、医疗病历、法庭记录、私人财产记录、军事及商业信息等。如何保护这些隐私数据的安全性成为了目前极为重要而紧迫的研究课题之一。传统的加密算法可以将用户数据转换为密文的形式在网络中传输和存储，从而很好的隐藏了用户数据的内容；信息隐藏技术可以将某一秘密信息(如版权、身份认证等)隐藏于密文中，从而实现密文数据的检索、归类或认证等管理。因此，加密算法和信息隐藏技术的结合，能够为用户个人数据在云环境的处理过程中提供双重的安全保障。
近几年来，加密域信息隐藏技术主要致力于三个方面的研究：(1)载体图像的可逆恢复及嵌入信息的无损提取；(2)嵌入容量的提升；(3)可逆恢复与无损提取的可分离性。2008年，Puech等人首次提出了加密域可逆信息隐藏的概念，该方法采用高级加密标准(AES)对原始图像进行加密，然后将加密后的图像分成若干块，每个块中嵌入一个秘密比特位。通过分析解密过程中的局部标准差，实现数据的提取和图像的恢复。然而该方案无法实现图像恢复和信息提取的可分离性，且嵌入容量也不是很理想。之后，Zhang等人利用低密度奇偶校验码压缩加密图像的较低有效位，创建冗余空间进行数据隐藏，实现了数据提取和图像解密可分离的加密域信息隐藏方法，并提高了嵌入容量。2018年，Yi等人基于参数二叉树标记方法，提出了一种可分离的加密域可逆信息隐藏方案，将平均嵌入的容量提升到1.74bpp。同年，Xiang等人利用了MSB预测及哈夫曼编码技术，将嵌入过程中产生的标签地图巧妙的隐藏入原始的载密图像中，进一步扩大了图像的冗余空间，有效地提高了嵌入容量。然而，随着用户对自身隐私数据安全性需求的日益增加，加密域信息隐藏在可逆性、嵌入容量、算法执行效率等方面依然存在着诸多问题有待进一步研究。因此，研究如何将密码技术和信息隐藏技术有效地相结合，更大程度上保护云环境下用户隐私数据的安全，不仅有着十分重要的理论意义，更有着重要的应用价值和迫切的现实需求。
发明内容
本发明克服现有技术存在的嵌入量不足的技术问题，旨在提供一种能够将载体图像解密过程和秘密数据提取过程分离的大容量加密域信息隐藏方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种大容量的图像加密域信息隐藏方法，由以下四部分组成：(Ⅰ)预测差值的计算和标签地图的产生；(Ⅱ)载体图像的加密；(Ⅲ)预测差值的保存及秘密信息的嵌入；(Ⅳ)载体图像的可逆恢复及秘密信息的无损提取。
Ⅰ.预测差值的计算和标签地图的产生，包括下列步骤：
第一步，读入一幅尺寸为M×N的载体图像I；
第二步，预测差值的计算过程:
(1)在载体图像中，标记当前像素为x(i,j)；
(2)使用中值边缘预测法(Median Edge Detector)计算当前像素的预测值px(i,j)，如公式(1)所示，其中，2≤i≤M,2≤j≤N：
(3)使用公式(2)，计算当前像素与其预测值的差值，将差值记为D(i,j)：
D(i,j)＝x(i,j)-px(i,j) (2)
第三步，设置阈值参数T，并利用公式(3)获得当前像素的标签值m(i,j)：
该值为0，表示x(i,j)可用于藏入秘密信息，为1则不可用；
第四步，所有像素的标签值构成M×N阶的矩阵m(i,j)，该矩阵称为标签地图。
Ⅱ.载体图像的加密，包括下列步骤：
第一步，创建一个加密密钥Ke，并使用此密钥产生一个取值为[0,255]、大小为M×N的随机矩阵r(i,j)；
第二步，利用公式(4),将载体图像及随机矩阵中的每一个值转换为8比特二进制序列；
第三步，使用公式(5)加密载体图像，其中，
表示逐位异或计算；
第四步，将加密后的二进制序列
转换为十进制数，形成加密图像I′。
Ⅲ.预测差值的保存及秘密信息的嵌入，包括下列步骤：
第一步，将待藏入的秘密数据转换成二进制比特流S＝{s1,s2,...,sq}；
第二步，创建一个隐藏密钥Kd，并使用此密钥对二进制比特流进行乱序加密处理；
第三步，预测差值的保存及秘密信息的嵌入过程:
(1)保持加密图像I′的第一行、第一列像素值不变；
(2)在加密图像I′中，标记当前像素为x′(i,j)，其中，2≤i≤M,2≤j≤N；
(3)将当前像素x′(i,j)转化为8位二进制比特序列；
(4)读取标签地图m(i,j)，2≤i≤M,2≤j≤N，并按以下两种情况分别进行考虑：
a)当m(i,j)＝0，按以下分类修改当前像素x′(i,j)以完成预测差值的保存及秘密信息的藏入：
当D(i,j)＝0时，将当前像素x′(i,j)的前7位比特依次替换为待隐藏的秘密比特，并修改其末位比特为0；
当0<D(i,j)≤T时，将当前像素x′(i,j)的最高位比特修改为0，第二到第P位比特依次替换为D(i,j)的二进制表示，这里，
同时，第(P+1)到第七位比特依次替换为未被隐藏的秘密比特，并修改末位比特为1；
当-T≤D(i,j)<0时，将当前像素x′(i,j)的最高位比特修改为1，第二到第P位比特依次替换为|D(i,j)|的二进制表示，这里，
同时，第(P+1)到第七位比特依次替换为未被隐藏的秘密比特，并修改末位比特为1；
b)当m(i,j)＝1，当前像素x′(i,j)不做任何的修改；
(5)将步骤(4)中修改后的二进制比特序列转换为十进制数；
(6)重复以上步骤，直到所有像素全部处理完为止；载密图像Ie产生。
Ⅳ.载体图像的可逆恢复及秘密信息的无损提取，这两个部分是可以分离的过程：
1.当接收者收到载密图像Ie后，若其持有加密密钥Ke和标签地图，则原始的载体图像可以被无失真的恢复，具体包括以下步骤：
第一步，使用加密密钥Ke产生一个取值为[0,255]、大小M×N的随机矩阵r(i,j)；
第二步，在载密图像Ie中，标记当前像素为xe(i,j)，并使用公式(6)解密其第一行及第一列的像素值；
第三步，使用公式(1)计算当前像素的预测像素px(i,j)，2≤i≤M,2≤j≤N；
第四步，将当前像素xe(i,j)转化为8位二进制比特序列；
第五步，读取标签地图m(i,j)，2≤i≤M,2≤j≤N，则：
当m(i,j)＝0且当前像素xe(i,j)的末位比特为0时，x(i,j)＝px(i,j)；
当m(i,j)＝0且当前像素xe(i,j)的末位比特为1时，提取xe(i,j)的第一到第P位比特，并将其转化为十进制数D(i,j)，其中，第一位比特为符号位，0表示“+”，1表示“-”；并利用公式(7)恢复原始像素；
x(i,j)＝D(i,j)+px(i,j) (7)
当m(i,j)＝1时，使用公式(6)解密当前像素xe(i,j)即可恢复原始像素x(i,j)；
第六步，重复以上步骤，直到所有的像素均被处理，则载体图像I被无失真地恢复；
2.当接收者收到载密图像Ie后，若其持有隐藏密钥Kd和标签地图，则秘密信息能够被无损的提取，具体包括以下步骤：
第一步，在载密图像Ie中，标记当前像素为xe(i,j)，2≤i≤M,2≤j≤N，并将其转化为8比特二进制序列；
第二步，读取标签地图m(i,j)，2≤i≤M,2≤j≤N，则：
当m(i,j)＝0且当前像素xe(i,j)的末位比特为0时，依次提取xe(i,j)的第一到第七比特即为隐藏的秘密比特；
当m(i,j)＝0且当前像素xe(i,j)的末位比特为1时，依次提取xe(i,j)的第(P+1)到第七比特即为隐藏的秘密比特；
当m(i,j)＝1时，不做任何操作；
第三步，使用隐藏密钥Kd对上述步骤提取的秘密比特序列进行解密处理，即可获得原始的秘密信息。
3.当接收者收到载密图像Ie后，若其持有加密密钥Ke、隐藏密钥Kd和标签地图持，则同时执行以上1、2过程，既可以无损恢复载体图像，又可以完全提取嵌入的秘密信息。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果体现如下：
(1)、本发明的技术方案简单，易于实用，且嵌入容量较其他算法有了较大的改进。
(2)、本发明根据用户对图像保护的不同要求，可将用户版权、身份认证或内容检索等信息隐藏到加密图像中，实现对加密图像的版权保护、安全认证、检索、归类等管理。
(3)、本发明实现了可分离的加密域信息隐藏方法；如果授权用户仅需要提取秘密信息，可通过本发明的提取算法直接提取；如果授权用户仅需要重构原始载体图像，则可通过重构算法直接获得无损的载体图像；如果授权用户同时需要秘密信息并重构图像，则可通过两种算法先提取秘密信息再重构原始图像。
具体实施方式
现在结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
本实施例采用Matlab作为软件平台，编程实现本发明方案的设计；实施过程选取512×512的标准测试图像“Lena”作为载体图像，假设阈值T＝8。
一种大容量的图像加密域信息隐藏方法，具体操作步骤如下：
Ⅰ.预测差值的计算和标签地图的产生，包括下列步骤：
第一步，读入一幅尺寸为512×512的载体图像I；
第二步，预测差值的计算过程:
(1)在载体图像中，标记当前像素为x(i,j)；
(2)使用中值边缘预测法(Median Edge Detector)计算当前像素的预测值px(i,j)，如公式(1)所示，其中，2≤i≤512,2≤j≤512：
(3)使用公式(2)，计算当前像素与其预测值的差值，将差值记为D(i,j)：
D(i,j)＝x(i,j)-px(i,j) (2)
第三步，设置阈值参数T＝8，并利用公式(3)获得当前像素的标签值m(i,j)：
该值为0，表示x(i,j)可用于藏入秘密信息，为1，则不可用；
第四步，所有像素的标签值构成512×512阶的矩阵m(i,j)，该矩阵称为标签地图；
Ⅱ.载体图像的加密，包括下列步骤：
第一步，创建一个加密密钥Ke＝365，并使用此密钥产生一个取值为[0,255]、大小为512×512的随机矩阵r(i,j)；
第二步，利用公式(4),将载体图像及随机矩阵中的每一个值转换为8比特二进制序列；
第三步，使用公式(5)加密载体图像，其中，
表示逐位异或计算；
第四步，将加密后的二进制序列
转换为十进制数，形成加密图像I′；
Ⅲ.预测差值的保存及秘密信息的嵌入，包括下列步骤：
第一步，将待藏入的秘密数据转换成二进制比特流S＝{s1,s2,...,sq}；
第二步，创建一个隐藏密钥Kd＝5000，并使用此密钥对二进制比特流进行乱序加密处理；
第三步，预测差值的保存及秘密信息的嵌入过程:
(1)保持加密图像I′的第一行、第一列像素值不变；
(2)在加密图像I′中，标记当前像素为x′(i,j)，其中，2≤i≤512,2≤j≤512；
(3)将当前像素x′(i,j)转化为8位二进制比特序列；
(4)读取标签地图m(i,j)，2≤i≤512,2≤j≤512，并按以下两种情况分别进行考虑：
a)当m(i,j)＝0，按以下分类修改当前像素x′(i,j)以完成预测差值的保存及秘密信息的藏入：
当D(i,j)＝0时，将当前像素x′(i,j)的前7位比特依次替换为待隐藏的秘密比特，并修改末位比特为0；
当0<D(i,j)≤T时，将当前像素x′(i,j)的最高位比特修改为0，第二到第P位比特依次替换为D(i,j)的二进制表示，这里，
同时，第(P+1)到第七位比特依次替换为未被隐藏的秘密比特，并修改末位比特为1；
当-T≤D(i,j)<0时，将当前像素x′(i,j)的最高位比特修改为1，第二到第P位比特依次替换为|D(i,j)|的二进制表示，这里，
同时，第(P+1)到第七位比特依次替换为未被隐藏的秘密比特，并修改末位比特为1；
b)当m(i,j)＝1，当前像素x′(i,j)不做任何的修改；
(5)将步骤(4)中修改后的二进制比特序列转换为十进制数；
(6)重复以上步骤，直到所有像素全部处理完为止；载密图像Ie产生；
Ⅳ.载体图像的可逆恢复及秘密信息的无损提取，这两个部分是可以分离的过程：
1.当接收者收到载密图像Ie后，若其持有加密密钥Ke和标签地图，则原始的载体图像可以被无失真的恢复，具体包括以下步骤：
第一步，使用加密密钥Ke产生一个取值为[0,255]、大小512×512的随机矩阵r(i,j)；
第二步，在载密图像Ie中，标记当前像素为xe(i,j)，并使用公式(6)解密其第一行及第一列的像素值；
第三步，使用公式(1)计算当前像素的预测像素px(i,j)，2≤i≤512,2≤j≤512；
第四步，将当前像素xe(i,j)转化为8位二进制比特序列；
第五步，读取标签地图m(i,j)，2≤i≤512,2≤j≤512，则：
当m(i,j)＝0且当前像素xe(i,j)的末位比特为0时，x(i,j)＝px(i,j)；
当m(i,j)＝0且当前像素xe(i,j)的末位比特为1时，提取xe(i,j)的第一到第四位比特，并将其转化为十进制数D(i,j)，其中，第一位比特为符号位，0表示“+”，1表示“-”；并利用公式(7)恢复原始像素；
x(i,j)＝D(i,j)+px(i,j) (7)
当m(i,j)＝1时，使用公式(6)解密当前像素xe(i,j)即可恢复原始像素x(i,j)；
第六步，重复以上步骤，直到所有的像素均被处理，则载体图像I被无失真地恢复。
2.当接收者收到载密图像Ie后，若其持有隐藏密钥Kd和标签地图，则秘密信息能够被无损的提取，具体包括以下步骤：
第一步，在载密图像Ie中，标记当前像素为xe(i,j)，2≤i≤512,2≤j≤512，并将其转化为8比特二进制序列；
第二步，读取标签地图m(i,j)，2≤i≤512,2≤j≤512，则：
当m(i,j)＝0且当前像素xe(i,j)的末位比特为0时，依次提取xe(i,j)的第一到第七比特即为隐藏的秘密比特；
当m(i,j)＝0且当前像素xe(i,j)的末位比特为1时，依次提取xe(i,j)的第五到第七比特即为隐藏的秘密比特；
当m(i,j)＝1时，不做任何操作；
第三步，使用隐藏密钥Kd对上述步骤提取的秘密比特序列进行解密处理，即可获得原始的秘密信息。
3.当接收者收到载密图像Ie后，若其持有加密密钥Ke、隐藏密钥Kd和标签地图，则同时执行以上1、2过程，既可以无损恢复载体图像，又可以完全提取嵌入的秘密信息。
为了进一步说明本发明的可行性，我们选用六幅512×512大小的标准测试图像(Lena，Baboon，Airplane，Man，Peppers，Tiffany)作为载体图像，对本发明提出的方案进行了实验。
表1给出了阈值T为8时，各载体图像的可用于隐藏的像素数量、预测差值为0的像素数量、嵌入的秘密比特数、嵌入容量、重构图像的PSNR以及SSIM的值。可以看出，由于相邻像素之间的相关性，使得像素与其预测值的差值大都集中在0值附近，这就为秘密信息的嵌入提供了很大的冗余空间。以“Man”为例，图像中预测差值在[-8,8]的像素的数量为179297，占到图像像素总量的68％，且差值为0的像素占可隐藏的像素数量的98％，也就是说，可用于隐藏的像素中，98％的像素可藏7个比特的秘密信息，其隐藏容量达到了4.75bpp。同时，表1中PSNR及SSIM的值也充分说明了本发明的方案能够实现载体图像的无失真恢复以及秘密信息的无损提取。表2给出了本发明方案和现有三种方案的比较，相比较于其他三种方案，本发明方案在嵌入容量方面均有明显的提升。
表1
表2
| 图像 | Puyang等人的方案 | Yi等人的方案 | Xiang等人的方案 | 本发明方案 |
| Lena | 1.158 | 2.045 | 2.583 | 3.06 |
| Baboon | 0.372 | 0.482 | 1.066 | 1.57 |
| Airplane | 1.468 | 2.457 | 3.725 | 3.80 |
| Man | 1.152 | 1.792 | 2.349 | 4.75 |
| Peppers | 1.063 | 1.523 | 2.683 | 2.75 |
| Tiffany | 1.539 | 2.134 | 2.624 | 2.73 |
本发明可用其他的不违背本发明的精神或主要特征的具体形式来概述。因此，无论从那一点来看，本发明的上述实施方案都只能认为是对本发明的说明而不能限制发明，权利要求书指出了本发明的范围，而上述的说明并未指出本发明的范围，因此，在与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何变化，都应认为是包括在权利要求书的范围内。
Claims (1)
1.一种大容量的图像加密域信息隐藏方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一、预测差值的计算和标签地图的产生，包括下列步骤：
第一步，读入一幅尺寸为M×N的载体图像I；
第二步，预测差值的计算过程：
(一)、在载体图像中，标记当前像素为x(i,j)；
(二)、使用中值边缘预测法计算当前像素的预测值px(i,j)，如公式(1)所示，其中，2≤i≤M,2≤j≤N：
(三)、使用公式(2)，计算当前像素与预测值的差值，将差值记为D(i,j)：
D(i,j)＝x(i,j)-px(i,j) (2)
第三步，设置阈值参数T，并利用公式(3)获得当前像素的标签值m(i,j)：
标签值m(i,j)为0，表示x(i,j)可用于藏入秘密信息；标签值为1，则不可用；
第四步，所有像素的标签值构成M×N阶的矩阵m(i,j)，该矩阵称为标签地图；
步骤二、载体图像的加密，包括下列步骤：
第一步，创建一个加密密钥Ke，并使用此密钥产生一个取值为[0,255]、大小为M×N的随机矩阵r(i,j)；
第二步，利用公式(4),将载体图像及随机矩阵中的每一个值转换为8比特二进制序列；
第三步，使用公式(5)加密载体图像，其中，
表示逐位异或计算；
第四步，将加密后的二进制序列
转换为十进制数，形成加密图像I′；
步骤三、预测差值的保存及秘密信息的嵌入，包括下列步骤：
第一步，将待藏入的秘密数据转换成二进制比特流S＝{s1,s2,...,sq}；
第二步，创建一个隐藏密钥Kd，并使用此密钥对二进制比特流进行乱序加密处理；
第三步，预测差值的保存及秘密信息的嵌入过程：
(一)、保持加密图像I′的第一行、第一列像素值不变；
(二)、在加密图像I′中，标记当前像素为x′(i,j)，其中，2≤i≤M,2≤j≤N；
(三)、将当前像素x′(i,j)转化为8位二进制比特序列；
(四)、读取标签地图m(i,j)，2≤i≤M,2≤j≤N，并按以下两种情况分别进行判断：
a)、当m(i,j)＝0，按以下分类修改当前像素x′(i,j)以完成预测差值的保存及秘密信息的藏入：
当D(i,j)＝0时，将当前像素x′(i,j)的前7位比特依次替换为待隐藏的秘密比特，并修改末位比特为0；
当0<D(i,j)≤T时，将当前像素x′(i,j)的最高位比特修改为0，第二到第P位比特依次替换为D(i,j)的二进制表示，这里，
同时，第(P+1)到第七位比特依次替换为未被隐藏的秘密比特，并修改末位比特为1；
当-T≤D(i,j)<0时，将当前像素x′(i,j)的最高位比特修改为1，第二到第P位比特依次替换为|D(i,j)|的二进制表示，这里，
同时，第(P+1)到第七位比特依次替换为未被隐藏的秘密比特，并修改末位比特为1；
b)、当m(i,j)＝1，当前像素x′(i,j)不做任何的修改；
(五)、将步骤(四)中修改后的二进制比特序列转换为十进制数；
(六)、重复以上步骤，直到所有像素全部处理完为止；载密图像Ie产生；
步骤四、载体图像的可逆恢复及秘密信息的无损提取，包括下列操作过程：
过程一、当接收者收到载密图像Ie后，若持有加密密钥Ke和标签地图，则原始的载体图像可以被无失真的恢复，具体包括以下步骤：
第一步，使用加密密钥Ke产生一个取值为[0,255]、大小M×N的随机矩阵r(i,j)；
第二步，在载密图像Ie中，标记当前像素为xe(i,j)，并使用公式(6)解密第一行及第一列的像素值；
第三步，使用公式(1)计算当前像素的预测像素px(i,j)，2≤i≤M,2≤j≤N；
第四步，将当前像素xe(i,j)转化为8位二进制比特序列；
第五步，读取标签地图m(i,j)，2≤i≤M,2≤j≤N，则：
当m(i,j)＝0且当前像素xe(i,j)的末位比特为0时，x(i,j)＝px(i,j)；
当m(i,j)＝0且当前像素xe(i,j)的末位比特为1时，提取xe(i,j)的第一到第P位比特，并转化为十进制数D(i,j)，其中，第一位比特为符号位，0表示“+”，1表示“-”；并利用公式(7)恢复原始像素；
x(i,j)＝D(i,j)+px(i,j) (7)
当m(i,j)＝1时，使用公式(6)解密当前像素xe(i,j)即可恢复原始像素x(i,j)；
第六步，重复以上步骤，直到所有的像素均被处理，则载体图像I被无失真地恢复；
过程二、当接收者收到载密图像Ie后，若持有隐藏密钥Kd和标签地图，则秘密信息能够被无损的提取，具体包括以下步骤：
第一步，在载密图像Ie中，标记当前像素为xe(i,j)，2≤i≤M,2≤j≤N，并转化为8比特二进制序列；
第二步，读取标签地图m(i,j)，2≤i≤M,2≤j≤N，则：
当m(i,j)＝0且当前像素xe(i,j)的末位比特为0时，依次提取xe(i,j)的第一到第七比特即为隐藏的秘密比特；
当m(i,j)＝0且当前像素xe(i,j)的末位比特为1时，依次提取xe(i,j)的第(P+1)到第七比特即为隐藏的秘密比特；
当m(i,j)＝1时，不做任何操作；
第三步，使用隐藏密钥Kd对上述步骤提取的秘密比特序列进行解密处理，即可获得原始的秘密信息；
当接收者收到载密图像Ie后，若持有加密密钥Ke、隐藏密钥Kd和标签地图，则同时执行以上一、二过程，既可以无损恢复载体图像，又可以完全提取嵌入的秘密信息。
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