CN111654592B - 基于秘密分享的多图像隐藏方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于秘密分享的多图像隐藏方法，属于信息安全领域。为保护隐藏图像内容的安全性，提高算法鲁棒性与扩大隐藏容量，本发明提出一种基于秘密分享的多图像隐藏方法。首先，利用对k幅载体图像进行分块，用二维Zigzag变换对图像块进行置乱，并将其分别从空间域映射到离散余弦变换（Discrete Cosine Transform，DCT）域；其次，利用加性扩频算法或乘性扩频算法，将隐藏图像比特嵌入k幅载体图像中；最后，将伪装后DCT系数映射回空间域，用二维Zigzag逆变换对图像块进行置乱恢复，并按原顺序将图像分块拼接，得到k幅伪装图像。实验表明：该算法高效、嵌入效果良好、隐藏容量大、鲁棒性强、安全性高。

Description

基于秘密分享的多图像隐藏方法
技术领域
本发明涉及一种信息加密技术，特别是涉及一种多图像隐藏方法。
背景技术
多媒体技术的飞速发展和Internet的普及带来了一系列政治、经济、军事和文化问题，产生了许多新的研究热点。图像隐藏作为一种新的多媒体安全技术，具有隐蔽性好的特征，逐渐引起研究者的关注。研究者们已提出一些图像隐藏方法。这些方法有的已被破译，有的安全性较弱，有的鲁棒性较低，有的隐藏容量有限等问题，难以令人满意。
受秘密分享的启发，在基于加性扩频算法与乘性扩频算法的基础上，引入多幅图像以相同扩频算法分别嵌入隐藏图像。为提高多图像隐藏算法的安全性、鲁棒性及扩大其隐藏容量，保证隐藏图像的安全高效传输，利用加性扩频算法与乘性扩频算法，设计了一种基于秘密分享的多图像隐藏方法。该方法利用了扩频算法中将隐藏图像嵌入若干离散余弦变换（Discrete Cosine Transform，DCT）块这一特性，以及秘密分享中若干个参与者一同协作才能恢复秘密消息这一特性，有效地保护了被嵌入隐藏图像的网络传输和存储的安全性，同时提高了其鲁棒性，扩大了隐藏容量。
发明内容
本发明的目的：针对现有图像隐藏方法安全性弱、鲁棒性低及隐藏容量较小等问题，提出一种基于秘密分享的多图像隐藏方法。
本发明的技术方案：为实现上述发明目的，采用的技术方案为基于秘密分享的多图像隐藏方法，令发送方为Alice，接收方为Bob，Alice隐藏图像的嵌入步骤详述如下：
步骤1：图像分块：令k幅大小均为m×n的原始图像I 1 0, I 2 0, …, I k 0为载体图像，将它们分成8×8的小块，可得k个图像块集分别为{B 1 ij }, {B 2 ij }, …, {B k ij }；
步骤2：二维Zigzag变换：以图像块为置乱单位，对{B 1 ij }, {B 2 ij }, …, {B k ij }分别进行起点为c 1, c 2, …, c k 的二维Zigzag变换，可得k个置乱图像块集为{C 1 ij }, {C 2 ij },…, {C k ij }；
步骤3：DCT变换：将{C 1 ij }, {C 2 ij }, …, {C k ij }中所有图像块进行DCT变换，将数据从空间域映射到DCT域，可得DCT系数块集{R 1 ij }, {R 2 ij }, …, {R k ij }；
步骤4：嵌入隐藏图像比特：根据扩频频隐藏的嵌入法则，将r个隐藏图像比特b 1,b 2, …, b r 按DCT系数块顺序依次嵌入到{R 1 ij }中；类似地，将b 1, b 2, …, b r 也嵌入到{R 2 ij }, {R 3 ij }, …, {R k ij }中；乘性扩频隐藏的嵌入法则为：
R=X+aS d Xb， （1）
加性扩频隐藏的嵌入法则为：
R=X+Sab， （2）
其中，X=[x 1, x 2,…, x t ] T 是主信号，R=[r 1, r 2, …, r t ] T 为图像隐藏后的主信号，b∈{-1, +1}是类似于二值隐藏图像中0, 1的比特，嵌入强度因子取值0<a<1；此外，S=[s 1, s 2, …, s t ] T ，s i 是以{-1, +1}形式等概率出现的签名码；S d =diag{s 1, s 2, …, s t }表示S对角矩阵形式；
步骤5：进行DCT逆映射：将所有含隐藏图像比特的DCT系数块进行DCT逆变换，将数据从DCT域映射回空间域，得到含隐藏图像比特的图像块集{D 1 ij }, {D 2 ij }, …, {D k ij }；
步骤6：二维Zigzag逆变换：对{D 1 ij }, {D 2 ij }, …, {D k ij }分量进行起点分别为c 1,c 2, …, c k 的二维Zigzag逆变换，可得k个图像块集为{E 1 ij }, {E 2 ij }, …, {E k ij }；
步骤7：图像组合：将{E 1 ij }, {E 2 ij }, …, {E k ij }分别按顺序拼接，可得k幅含隐藏图像的载体图像（称为伪装图像）I 1 1, I 2 1, …, I k 1。
基于秘密分享的多图像隐藏方法，其特征在于，隐藏图像的提取过程包括如下步骤：
步骤1：图像分块：将k幅伪装图像I 1 1, I 2 1, …, I k 1分成8×8的小块，则可得k个图像块集分别为{F 1 ij }, {F 2 ij }, …, {F k ij }；
步骤2：二维Zigzag变换：对{F 1 ij }, {F 2 ij }, …, {F k ij }分量进行起点分别为c 1,c 2, …, c k 的二维Zigzag变换，可得k个置乱图像块集为{F 1 ij }, {F 2 ij }, …, {F k ij }；
步骤3：DCT变换：将{F 1 ij }, {F 2 ij }, …, {F k ij }中所有图像块进行DCT变换，将数据从空间域映射到DCT域，可得DCT系数块集{G 1 ij }, {G 2 ij }, …, {G k ij }；
步骤4：提取隐藏图像比特：根据扩频隐藏的提取法则，从{G 1 ij }, {G 2 ij }, …,{G k ij }中任选取至少3个集合，所以利用的秘密分享方案是(3, k)，利用签名码分别提取出隐藏图像比特d 1, d 2, …, d r ；乘性扩频算法提取法则为：
d=sign(z)， （3）
其中，sign(·)称作符号函数，d为提取的隐藏图像比特，随即对符号函数做取值判断，其方程为：
Figure 619947DEST_PATH_IMAGE001
， （4）
其中，z是一个累和值称为统计量，其方程如下：
Figure 520907DEST_PATH_IMAGE002
， （5）
加性扩频算法提取法则也为公式（3），但是统计量z为：
Figure 942661DEST_PATH_IMAGE003
， （6）
其中，R=[r 1, r 2, …, r t ] T 为图像隐藏后的主信号。
有益效果：本发明针对现有的多图像隐藏方法安全性较弱、鲁棒性较低及隐藏容量有限等缺点，提出了一种基于秘密分享的多图像隐藏方法。主要贡献有：（1）受秘密分享的启发，利用多个DCT系数矩阵能量累加，达到将隐藏图像能量分散在多幅图像的目的；（2）该方法利用了加性扩频算法与乘性扩频算法，有效地提高了获取隐藏图像方法的安全性。因此，提出的多图像隐藏方法具有安全、鲁棒性强和隐藏容量大的特征，可有效地保护了隐藏图像在网络传输和存储的安全性。
附图说明
图1：基于秘密分享的多图像隐藏嵌入流程图；
图2：原始图像1；
图3：原始图像2；
图4：原始图像3；
图5：原始隐藏图像；
图6：伪装图像1；
图7：伪装图像2；
图8：伪装图像3；
图9：基于秘密分享的多图像隐藏提取流程图；
图10：提取隐藏图像。
具体实施方式
下面结合具体附图和实例对本发明的实施过程进一步详细说明。
图1是本方法的加密流程图。
采用的编程软件为Matlab R2016a，选取图2-4所示的3幅大小为768×1024的图像作为原始图像。采用本方法，Alice对载体图像嵌入隐藏图像的详细过程描述如下。
步骤1：图像分块：令3幅原始图像为I 1 0, I 2 0, I 3 0，如图2-4所示，其大小均为768×1024；利用分块函数，将3幅原始图像分成8×8的小块，可得3个图像块集分别为{B 1 ij },{B 2 ij }, {B 3 ij }。
步骤2：二维Zigzag变换：以图像块为置乱单位，对{B 1 ij }, {B 2 ij }, {B 3 ij }分别进行起点为231, 1253, 681的二维Zigzag变换，可得3个置乱图像块集为{C 1 ij }, {C 2 ij },{C 3 ij }。
步骤3：DCT变换：将{C 1 ij }, {C 2 ij }, {C 3 j }中所有图像块进行DCT变换，将数据从空间域映射到DCT域，可得DCT系数块集{R 1 ij }, {R 2 ij }, {R 3 ij }。
步骤4：嵌入隐藏图像比特：选取隐藏图像，如图5所示；选取嵌入强度a=0.1，签名码S=[-1, -1, -1, 1, -1, 1, 1, 1, 1, -1, -1, -1, 1, -1, -1, 1, -1,1, -1, 1, 1,-1, -1, -1, -1, 1, 1, -1, -1, 1, 1, -1, -1, 1,1, 1, -1, 1, -1, -1, 1, 1, 1,1, -1, -1, 1, 1, -1, 1, -1, 1, -1, 1, -1, -1, 1, 1, -1, 1, -1, 1, -1]，在此采用乘性扩频隐藏的嵌入法则，即公式（1），将12288个隐藏图像比特b 1, b 2, …, b 12288按DCT系数块顺序依次嵌入到{R 1 ij }中；类似地，将b 1, b 2, …, b 12288也嵌入到{R 2 ij }, {R 3 ij }中。
步骤5：进行DCT逆映射：多所有含隐藏图像比特的DCT系数块进行DCT逆变换，将数据从DCT域映射回空间域，得到含隐藏图像比特的图像块集{D 1 ij }, {D 2 ij }, {D 3 ij }。
步骤6：二维Zigzag逆变换：对{D 1 ij }, {D 2 ij }, {D 3 ij }分量进行起点分别为231,1253, 681的二维Zigzag逆变换，可得3个图像块集为{E 1 ij }, {E 2 ij }, {E 3 ij }。
步骤7：图像组合：将{E 1 ij }, {E 2 ij }, {E 3 ij }分别按顺序拼接，可得3幅伪装图像I 1 1,I 2 1, I 3 1，如图6-8所示。
图9是本方法的提取流程图，采用本方法，Bob对上述隐藏图像的提取详细过程描述如下。
步骤1：图像分块：将3幅伪装图像I 1 1, I 2 1, I 3 1分成8×8的小块，则可得3个图像块集分别为{F 1 ij }, {F 2 ij }, {F 3 ij }。
步骤2：二维Zigzag变换：对{F 1 ij }, {F 2 ij }, {F 3 ij }分量进行起点分别为231,1253, 681的二维Zigzag变换，可得3个置乱图像块集为{F 1 ij }, {F 2 ij }, {F 3 ij }。
步骤3：DCT变换：将{F 1 ij }, {F 2 ij }, {F 3 ij }中所有图像块进行DCT变换，将数据从空间域映射到DCT域，可得DCT系数块集{G 1 ij }, {G 2 ij }, {G 3 ij }。
步骤4：提取隐藏图像比特：根据乘性扩频隐藏的提取法则，即公式(3)-(5)，利用秘密分享方案是(3, 3)，利用签名码分别提取出隐藏图像比特d 1, d 2, …, b 12288；将其按顺序排列得到隐藏图像，如图10所示。

Claims (2)

1.基于秘密分享的多图像隐藏方法，其特征在于，隐藏图像的嵌入过程包括如下步骤：
步骤1：图像分块：令k幅大小均为m×n的原始图像I 1 0, I 2 0, …, I k 0为载体图像，将它们分成8×8的小块，可得k个图像块集分别为{B 1 ij }, {B 2 ij }, …, {B k ij }，i=1, 2, …, m/8，j=1, 2, …, n/8；
步骤2：二维Zigzag变换：以图像块为置乱单位，对{B 1 ij }, {B 2 ij }, …, {B k ij }分别进行起点为c 1, c 2, …, c k 的二维Zigzag变换，可得k个置乱图像块集为{C 1 ij }, {C 2 ij }, …,{C k ij }；
步骤3：离散余弦变换（Discrete Cosine Transform，DCT）：将{C 1 ij }, {C 2 ij }, …,{C k ij }中所有图像块进行DCT变换，将数据从空间域映射到DCT域，可得DCT系数块集{R 1 ij },{R 2 ij }, …, {R k ij }；
步骤4：嵌入隐藏图像比特：根据扩频隐藏的嵌入法则，将r个隐藏图像比特b 1, b 2, …,b r 按DCT系数块顺序依次嵌入到{R 1 ij }中；类似地，将b 1, b 2, …, b r 也嵌入到{R 2 ij },{R 3 ij }, …, {R k ij }中；乘性扩频隐藏的嵌入法则为：
R=X+aS d Xb， （1）
加性扩频隐藏的嵌入法则为：
R=X+Sab， （2）
其中，X=[x 1, x 2,…, x t ] T 是主信号，R=[r 1, r 2, …, r t ] T 为图像隐藏后的主信号，b∈{-1, +1}是类似于二值隐藏图像中0, 1的比特，嵌入强度因子取值0<a<1；此外，S=[s 1, s 2,…, s t ] T ，s i 是以{-1, +1}形式等概率出现的签名码；S d =diag{s 1, s 2, …, s t }表示S对角矩阵形式；
步骤5：进行DCT逆映射：将所有含隐藏图像比特的DCT系数块进行DCT逆变换，将数据从DCT域映射回空间域，得到含隐藏图像比特的图像块集{D 1 ij }, {D 2 ij }, …, {D k ij }；
步骤6：二维Zigzag逆变换：对{D 1 ij }, {D 2 ij }, …, {D k ij }分量进行起点分别为c 1, c 2,…, c k 的二维Zigzag逆变换，可得k个图像块集为{E 1 ij }, {E 2 ij }, …, {E k ij }；
步骤7：图像组合：将{E 1 ij }, {E 2 ij }, …, {E k ij }分别按顺序拼接，可得k幅含隐藏图像的载体图像I 1 1, I 2 1, …, I k 1。
2.基于秘密分享的多图像隐藏方法，其特征在于，隐藏图像的提取过程包括如下步骤：
步骤1：图像分块：将k幅伪装图像I 1 1, I 2 1, …, I k 1分成8×8的小块，则可得k个图像块集分别为{F 1 ij }, {F 2 ij }, …, {F k ij }，i=1, 2, …, m/8，j=1, 2, …, n/8；
步骤2：二维Zigzag变换：对{F 1 ij }, {F 2 ij }, …, {F k ij }分量进行起点分别为c 1, c 2,…, c k 的二维Zigzag变换，可得k个置乱图像块集为{F 1 ij }, {F 2 ij }, …, {F k ij }；
步骤3：DCT变换：将{F 1 ij }, {F 2 ij }, …, {F k ij }中所有图像块进行DCT变换，将数据从空间域映射到DCT域，可得DCT系数块集{G 1 ij }, {G 2 ij }, …, {G k ij }；
步骤4：提取隐藏图像比特：根据扩频隐藏的提取法则，从{G 1 ij }, {G 2 ij }, …, {G k ij }中任选取至少3个集合，所以利用的秘密分享方案是(3, k)，利用签名码分别提取出隐藏图像比特d 1, d 2, …, d r ；乘性扩频算法提取法则为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
， （3）
其中，sign(·)称作符号函数，d为提取的隐藏图像比特，随即对符号函数做取值判断，其方程为：
Figure 550259DEST_PATH_IMAGE002
， （4）
其中，z是一个累和值称为统计量，其方程如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
， （5）
加性扩频算法提取法则也为公式（3），但是统计量z为：
Figure 60875DEST_PATH_IMAGE004
， （6）
其中，R=[r 1, r 2, …, r t ] T 为图像隐藏后的主信号。
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