CN111861850B - 一种叠层成像的信息隐藏方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种叠层成像的信息隐藏方法及系统，包括：将待隐藏信息的图像转换为二维码图像；通过视觉密码的编码方法对二维码图像编码获得第一视觉秘钥和第二视觉秘钥；将第一视觉秘钥乘以预设的第一衰减因子后叠加到第一图像；将第二视觉秘钥乘以预设的第二衰减因子后叠加到第二图像；将叠加后的第一图像作为输入图像的振幅；将叠加后的第二图像作为输入图像的相位；输入图像置入叠层成像光路中获得多张衍射图；将各衍射图整合为一张图片；将整合的图片乘以预设的第三衰减因子后叠加到宿主图像中。本发明通过视觉密码编码方法编码以及通过叠层成像光路得到多张衍射图的方式，提高信息隐藏传输的安全性。

Description

一种叠层成像的信息隐藏方法及系统

技术领域

本发明涉及信息隐藏技术领域，特别是涉及一种叠层成像的信息隐藏方法及系统。

背景技术

在当今世界，由于多媒体信息在社交网络中的传播，互联网技术的应用越来越广泛，多媒体通信的安全技术已成为电子商务领域的一个迫切需要解决的问题。保密信息通过公共渠道传播存在着修改、非法访问、复制、伪造检测等安全漏洞。研究人员正在寻找各种有希望的解决方案来解决信息盗取、泄露和篡改等问题。

在信息安全中，信息隐藏是通信前将秘密信息隐藏在不被人眼感知的图像、文本或视频、音频中以达到隐蔽传输的目的。在古代，其技术也被称为隐写术。近年来，光学在信息安全和信息隐蔽传输领域也取得了突破式的进展。现代光学信息隐藏通常借助密钥作用，对秘密图像进行光学变换或处理，在空域内实施嵌入载体图像的操作完成隐藏。但是这个过程中对于密钥的传输又是方案的一大难题。

发明内容

基于此，本发明的目的是提供一种叠层成像的信息隐藏方法及系统，通过视觉密码编码方法编码以及通过叠层成像光路得到多张衍射图的方式，提高信息隐藏传输的安全性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种叠层成像的信息隐藏方法，包括：

将待隐藏信息的图像转换为二维码图像；

通过视觉密码的编码方法将所述二维码图像扩展成两块像素置乱的图片，分别为第一视觉秘钥和第二视觉秘钥；

将所述第一视觉秘钥乘以预设的第一衰减因子后叠加到第一图像；

将所述第二视觉秘钥乘以预设的第二衰减因子后叠加到第二图像；

将叠加后的第一图像作为输入图像的振幅；

将叠加后的第二图像作为所述输入图像的相位；

所述输入图像置入叠层成像光路中获得多张衍射图；

将各所述衍射图整合为一张图片；

将整合的所述图片乘以预设的第三衰减因子后叠加到宿主图像中。

可选地，所述将所述第一视觉秘钥乘以第一衰减因子后叠加到第一图像，具体包括：将所述第一视觉秘钥乘以第一衰减因子后非相干叠加到第一图像。

可选地，所述将所述第二视觉秘钥乘以第二衰减因子后叠加到第二图像，具体包括：将所述第二视觉秘钥乘以第二衰减因子后非相干叠加到第二图像。

可选地，所述方法还包括：

通过拓展重叠关联迭代引擎算法对叠加后的所述宿主图像进行重建获得所述第一视觉秘钥和所述第二视觉秘钥；

将所述第一视觉秘钥和所述第二视觉秘钥进行空间非相干叠加和灰度阈值二值化图像处理得到所述二维码图像；

通过移动终端对所述二维码图像进行扫描获得所述待隐藏信息的图像。

可选地，所述叠层成像光路包括：激光器、沿所述激光器发出的激光依次设置的第一反射镜、第二反射镜、衰减器、空间滤波器、准直透镜、起偏器、探针、反射式的空间光调制器、分束器、检偏器和电荷耦合元件；所述输入图像加载到所述反射式空间光调制器中，所述电荷耦合元件采集多张所述衍射图。

可选地，所述探针为边长为200像素的正方形探针。

可选地，所述反射式的空间光调制器到电荷耦合元件的距离为0.1m。

可选地，所述激光器为632.8nm的红光激光器。

本发明还公开了一种叠层成像的信息隐藏系统，包括：

图像转换模块，用于将待隐藏信息的图像转换为二维码图像；

视觉秘钥获得模块，用于通过视觉密码的编码方法将所述二维码图像扩展成两块像素置乱的图片，分别为第一视觉秘钥和第二视觉秘钥；

第一叠加模块，用于将所述第一视觉秘钥乘以预设的第一衰减因子后叠加到第一图像；

第二叠加模块，用于将所述第二视觉秘钥乘以预设的第二衰减因子后叠加到第二图像；

衍射图获得模块，用于将叠加后的第一图像作为输入图像的振幅；将叠加后的第二图像作为所述输入图像的相位；将所述输入图像置入叠层成像光路中获得多张衍射图；

图片整合模块，用于将各所述衍射图整合为一张图片；

第三叠加模块，用于将整合的所述图片乘以预设的第三衰减因子后叠加到宿主图像中。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供一种叠层成像的信息隐藏方法及系统，通过视觉密码编码方法编码为两个视觉秘钥分别作为隐藏信息的输入图像的振幅和相位，将输入图像置入叠层成像光路中得到多张的衍射图，将多张衍射图整合为一张图片；将整合的图片衰减后叠加到宿主图像中，提高信息隐藏传输的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一种叠层成像的信息隐藏方法流程示意图；

图2为本发明实施例叠层成像光路获得衍射图的原理图；

图3为本发明实施例图像信息隐藏和提取的实验流程图；

图4为本发明实施例一种叠层成像的信息隐藏系统结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种叠层成像的信息隐藏方法及系统，通过视觉密码(Visual Cryptography)编码方法编码以及通过叠层成像光路得到多张衍射图的方式，提高信息隐藏传输的安全性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为一种叠层成像的信息隐藏方法流程示意图，如图1所示，一种叠层成像的信息隐藏方法，包括：

步骤101：将待隐藏信息的图像转换为二维码图像。

其中，步骤101中待隐藏信息的图像中可以包含文本信息。

步骤102：通过视觉密码的编码方法将所述二维码图像扩展成两块像素置乱的图片，分别为第一视觉秘钥和第二视觉秘钥。

其中，步骤102具体包括：将二维码图像用H(V)矩阵表示，引入一个二阶矩阵

遍历H(V)矩阵的每个像素点，如果像素点满足：H(V_i,j)≤d，0＜d＜1，则将矩阵a与随机生成矩阵randperm函数获得的矩阵相乘替代像素点H(V_i,j)，否则用随机生成矩阵randperm函数获得的矩阵直接代替像素点H(V_i,j)，H(V_i,j)表示第i行第j列的像素点，通过这种方式实现像素扩展成两块表面置乱的视觉密钥(VisualKey)，分别为第一视觉秘钥VK₁和第二视觉秘钥VK₂，VK₁和VK₂彼此互为共享密钥。

步骤103：将所述第一视觉秘钥乘以预设的第一衰减因子后叠加到第一图像。

步骤104：将所述第二视觉秘钥乘以预设的第二衰减因子后叠加到第二图像。

其中，步骤103和步骤104中具体包括：第一图像H₁和第二图像H₂均为直方图分布均匀的图片，第一图像H₁可选直方图分布均匀的Lina图片，第二图像H₂可选直方图分布均匀的熊猫图片。

对第一视觉秘钥VK₁和第二视觉秘钥VK₂进行矩阵化乘以各自的衰减因子，选取衰减因子α₁＝0.05，α₂＝0.09，α₁为第一衰减因子，α₂为第二衰减因子。具体为，第一视觉秘钥VK₁进行矩阵化后乘以预设的第一衰减因子并非相干叠加到Lina图片进行衰减隐藏，第二视觉秘钥VK₂进行矩阵化后乘以预设的第二衰减因子并非相干叠加到熊猫图片进行衰减隐藏。将嵌入信息的第一图像用T₁表示，将嵌入信息的第二图像用T₂表示。

步骤105：将叠加后的第一图像作为输入图像的振幅。

步骤106：将叠加后的第二图像作为所述输入图像的相位。

步骤107：所述输入图像置入叠层成像光路中获得多张衍射图。

其中，如图2所示步骤107中的叠层成像光路包括：激光器Laser、沿所述激光器发出的激光依次设置的第一反射镜M1、第二反射镜M2、衰减器AT、空间滤波器SF、准直透镜CL、起偏器Pol1、探针P、反射式的空间光调制器SLM、分束器BS、检偏器Pol2和电荷耦合元件(Charge-coupled Device CCD)。输入图像通过计算机PC加载到反射式空间光调制器SLM中，输入图像到CCD的距离为0.1m，即反射式空间光调制器SLM到CCD的距离为0.1m。

激光器Laser采用波长为632.8nm的氦氖激光器，反射式的空间光调制器SLM的型号为(PLUTO-VIS-016-SLM)，CCD为IMPERX的CCD(型号为IGV-B4020M-KF000)像素大小为5.5um，实际使用阵面大小为400X400个pix。

氦氖激光器Laser出射的激光，经过反射镜M1和M2，通过调整反射镜M1和M2的上下左右旋钮可以实现光路准直，实验使用的氦氖激光器无法调节输出功率，所以在准直的激光后方使用衰减器AT来调节输出光的光强以保证CCD接收的图像不至于过曝，激光由于光斑尺寸太小，所以需要将光经过空间滤波器SF和准直透镜CL进行扩束处理以保证光束均匀放大。准直扩束的激光通过起偏器Pol1经过探针小孔P照射到反射式的空间光调制器SLM的阵面上，反射回来的光经分束器BS照射到检偏器Pol2上，得到的衍射图最终由CCD接收，传输给PC进行处理。

探针P为边长200像素的正方形探针(probe)，每一个像素大小为5.5um，探针P对输入图片进行2*2的“蛇形”扫描，主要起到限制横向光场尺寸的作用，探针后方加入随机相位板使得生成的衍射图得到进一步置乱。

其中，探针的大小、探针的形状、激光器的波长和衍射距离为光路秘钥。

搭建叠层成像光路实验说明：

(1)叠层成像光路系统属于衍射成像系统，对于整体的抗震性和稳定要求不高，可以实现集成化和便携化。

(2)使用反射式的空间调制器，是因为将模拟的相位物体加载到反射式空间光调制器上代替实际的真实三维物体和CCD模拟人眼可以更好的阐释现实人眼采集图像的方式。

(3)计算机同步控制反射式空间光调制器和CDD的采集，由于系统在实施隐藏的过程中需要进行视觉密码编码和将视觉密钥初步隐藏在共享图像的振幅和相位中，所以要调整加载到反射式空间光调制器上的图像刷新帧率和CCD的曝光时间。

步骤108：将各所述衍射图整合为一张图片。

其中，步骤108中具体包括：电荷耦合元件CCD采集得到的一系列衍射图序列编号为P₁，P₂，P₃和P₄，电荷耦合元件CCD将多张衍射图传送到计算机PC，计算机PC将衍射图P₁，P₂，P₃和P₄整合到一张图片上。

步骤109：将整合的所述图片乘以预设的第三衰减因子后叠加到宿主图像中。

其中，步骤109中，第三衰减因子α₃＝0.01。

叠层成像的信息隐藏方法的具体实施过程可见图3，图3图像信息隐藏和提取的实验流程图。

用Q表示秘密信息；用Π表示秘密信息的VC编码过程；Π^-1表示两张VK密钥的叠加提取秘密信息过程；Γ和Γ^-1表示对输入图像的叠层编码和解码；Y表示n张衍射图整合放置在一张图片Σ中然后进行置乱；γ^-1表示将Σ拆分为n张单独衍射图并顺序重排；H表示宿主图像；衰减因子表示为α。所以上述过程用公式表示为：

VK₁+VK₂＝Π(Q)；

S＝γ{Γ((VK₁·α₁+H₁)+(VK₂·α₂+H₂))}·α₃+H₃；

秘密信息提取过程：

其中秘密信息提取过程需要知道叠层光路中的光波长、探针大小、探针形状和衍射距离，然后使用叠层成像迭代算法进行重建，并且也要知道置乱方法和衰减因子等密钥，才能将秘密信息完整正确地提取出来。

对接收到的带有隐藏信息的宿主图像H3进行秘密信息提取：

T₁+T₂＝Γ^-1(γ^-1{((S-H₃)·α₃ ^-1)})；

Q＝Π^-1{((T₁-H₁)·α₁ ^-1)+(T₂-H₂)·α₂ ^-1)}；

此处叠层成像的解码方式使用叠层成像中的拓展重叠关联迭代引擎算法对得到的衍射图进行重建。

衍射重建的两块视觉密钥进行空间非相干叠加和灰度阈值二值化图像处理得到可以扫描的二维码图像；使用移动通讯设备对恢复的二维码信息进行扫描得到原来隐藏秘密信息的图像。

本发明涉及叠层成像的分块衍射视觉密码图像的隐藏安全技术研究。叠层成像作为计算成像的一种在图像的相位恢复领域被人广泛熟知。由于图像中不仅包括振幅信息，相位信息部分对于图像的整体观感更具有决定性作用，所以将秘密信息隐藏在图像相位部分中的工作使得光学信息安全领域得到了更快的发展。视觉密码作为新型密码学的分支，其主要思想是利用秘密共享原理，加密过程则是将一幅图像分解成多幅“影子”图像(视觉密钥)，产生的每一幅“影子”图像不能够反解出原始的输入图像，解密只需要多幅“影子”图像的强度叠加，并利用人眼的视觉系统直接进行数据提取。但是乱码的多幅“影子”图像可能会引起窃听者对秘密通信的怀疑，所以将视觉密码隐藏在叠层成像的输入图像振幅和相位部分并分块探针照射可以有效地解决窃听者的怀疑，而且也解决了解密过程中的密钥传输问题。因此，叠层成像技术和视觉密码的结合在光学信息安全领域中具有深远的意义。

本发明公开了以下技术效果：

1.不可感知性:本发明不可见性的衡量标准采用宿主图片和嵌入信息的宿主图片做相关的形式实现，经计算机的模拟计算宿主图片嵌入信息前后的相关度为0.9969，人眼在正常情况下无法检测出宿主图片里面隐藏的信息。

2.安全性：视觉密码的编码方案，衰减因子，衍射图的置乱方法和叠层光路中的照明光波长，探针大小、形状，衍射距离等因素提高了信息隐藏的安全性。

3.鲁棒性：本发明的鲁棒性分析是采用计算机模拟的方式进行。分别在隐藏信息的宿主图像中添加10％，15％，20％随机白噪声，然后分别进行图像重建。通过模拟分析验证，恢复的二维图像依旧可以辨别，此方法的抗噪声能力强。

图4为一种叠层成像的信息隐藏系统结构示意图，如图4所示，系统包括：

图像转换模块201，用于将待隐藏信息的图像转换为二维码图像；

视觉秘钥获得模块202，用于通过视觉密码的编码方法将所述二维码图像扩展成两块像素置乱的图片，分别为第一视觉秘钥和第二视觉秘钥；

第一叠加模块203，用于将所述第一视觉秘钥乘以预设的第一衰减因子后叠加到第一图像；

第二叠加模块204，用于将所述第二视觉秘钥乘以预设的第二衰减因子后叠加到第二图像；

衍射图获得模块205，用于将叠加后的第一图像作为输入图像的振幅；将叠加后的第二图像作为所述输入图像的相位；将所述输入图像置入叠层成像光路中获得多张衍射图；

图片整合模块206，用于将各所述衍射图整合为一张图片；

第三叠加模块207，用于将整合的所述图片乘以预设的第三衰减因子后叠加到宿主图像中。

本发明提供一种叠层成像的信息隐藏方法及系统，通过视觉密码编码方法编码以及通过叠层成像光路得到多张衍射图的方式，提高信息隐藏传输的安全性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

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。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种叠层成像的信息隐藏方法，其特征在于，所述方法包括：

将待隐藏信息的图像转换为二维码图像；

通过视觉密码的编码方法将所述二维码图像扩展成两块像素置乱的图片，分别为第一视觉秘钥和第二视觉秘钥；

将所述第一视觉秘钥乘以预设的第一衰减因子后叠加到第一图像；

将所述第二视觉秘钥乘以预设的第二衰减因子后叠加到第二图像；

将叠加后的第一图像作为输入图像的振幅；

将叠加后的第二图像作为所述输入图像的相位；

所述输入图像置入叠层成像光路中获得多张衍射图；

将各所述衍射图整合为一张图片；

将整合的所述图片乘以预设的第三衰减因子后叠加到宿主图像中；

所述叠层成像光路包括：激光器、沿所述激光器发出的激光依次设置的第一反射镜、第二反射镜、衰减器、空间滤波器、准直透镜、起偏器、探针、反射式的空间光调制器、分束器、检偏器和电荷耦合元件；所述输入图像加载到所述反射式的空间光调制器中，所述电荷耦合元件采集多张所述衍射图。

2.根据权利要求1所述的叠层成像的信息隐藏方法，其特征在于，所述将所述第一视觉秘钥乘以预设的第一衰减因子后叠加到第一图像，具体包括：将所述第一视觉秘钥乘以预设的第一衰减因子后非相干叠加到第一图像。

3.根据权利要求1所述的叠层成像的信息隐藏方法，其特征在于，所述将所述第二视觉秘钥乘以预设的第二衰减因子后叠加到第二图像，具体包括：将所述第二视觉秘钥乘以预设的第二衰减因子后非相干叠加到第二图像。

4.根据权利要求1所述的叠层成像的信息隐藏方法，其特征在于，所述方法还包括：

通过拓展重叠关联迭代引擎算法对叠加后的所述宿主图像进行重建获得所述第一视觉秘钥和所述第二视觉秘钥；

将所述第一视觉秘钥和所述第二视觉秘钥进行空间非相干叠加和灰度阈值二值化图像处理得到所述二维码图像；

通过移动终端对所述二维码图像进行扫描获得所述待隐藏信息的图像。

5.根据权利要求1所述的叠层成像的信息隐藏方法，其特征在于，所述探针为边长为200像素的正方形探针。

6.根据权利要求1所述的叠层成像的信息隐藏方法，其特征在于，所述反射式的空间光调制器到电荷耦合元件的距离为0.1m。

7.根据权利要求1所述的叠层成像的信息隐藏方法，其特征在于，所述激光器为632.8nm的红光激光器。

8.一种叠层成像的信息隐藏系统，其特征在于，所述系统包括：

图像转换模块，用于将待隐藏信息的图像转换为二维码图像；

视觉秘钥获得模块，用于通过视觉密码的编码方法将所述二维码图像扩展成两块像素置乱的图片，分别为第一视觉秘钥和第二视觉秘钥；

第一叠加模块，用于将所述第一视觉秘钥乘以预设的第一衰减因子后叠加到第一图像；

第二叠加模块，用于将所述第二视觉秘钥乘以预设的第二衰减因子后叠加到第二图像；

衍射图获得模块，用于将叠加后的第一图像作为输入图像的振幅；将叠加后的第二图像作为所述输入图像的相位；将所述输入图像置入叠层成像光路中获得多张衍射图；

图片整合模块，用于将各所述衍射图整合为一张图片；

第三叠加模块，用于将整合的所述图片乘以预设的第三衰减因子后叠加到宿主图像中；

所述叠层成像光路包括：激光器、沿所述激光器发出的激光依次设置的第一反射镜、第二反射镜、衰减器、空间滤波器、准直透镜、起偏器、探针、反射式的空间光调制器、分束器、检偏器和电荷耦合元件；所述输入图像加载到所述反射式的空间光调制器中，所述电荷耦合元件采集多张所述衍射图。

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