CN111915474B - 基于整数变换的可逆加密域信息隐藏方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于整数变换的可逆加密域信息隐藏方法。首先，图像拥有者，首先将原始图像分割成大小一致的不重叠的图像块，对每个图像块进行整数变换预留代数性质的嵌入空间。其次，对预处理后的图像采用标准流密码算法进行加密得到加密图像，然后将加密图像发送给信息嵌入者。信息嵌入者在有效图像块上，通过改变图像块中的像素值的奇偶性实现信息的嵌入。接收者在收到标记后的加密图像后，先进行图像解密，然后判定图像块中奇偶性的变换从而提取秘密信息。最后根据参考像素恢复每个图像块的像素值，最终实现原始图像的恢复。本发明能够根据不同图像的平滑度预先调整分割图像的大小，在相对平滑图像上具有较高的信息嵌入量，且处理代价低。

Description

基于整数变换的可逆加密域信息隐藏方法

技术领域

本发明是属于信息安全技术领域，涉及的加密域图像信息隐藏方法。

背景技术

随着移动无线网络技术和智能终端的快速发展，数字图像的数量呈现爆炸式增长。云服务为数字图像的存储提供了一种更加合适的方案，在云计算环境下能有效提供对大量图像信息的快速处理和智能分析。但是当用户上传数据到云端后就基本上失去了对信息的绝对控制和管理权，而这将导致一系列的安全问题。一个方面，如果图像信息以明文状态存储在云端。云端系统对所存储信息具有一定的管理权限，会对信息的保密性和隐私性造成破坏。另外，存储在云端的图像信息被篡改的情况下，当图像被重新下载的后接收者如何进行有效的篡改检测和图像恢复。

解决这一类安全问题的一个有效技术路线是用户对图像进行信息进行加密后再上传到云端，然后在加密后的图像嵌入附加信息。但是图像经过加密后图像失去的原有特征，传统的信息嵌入方法不再适用。基于加密域的可逆图像信息隐藏，允许云服务端在图像的加密域上进行附加信息的嵌入，例如嵌入管理信息，认证信息或者版权信息。同时授权的终端用户可以将处理后的加密图像解密恢复出原始的图像信息。这将在需要隐私安全的数字图像系统中有着重要应用。例如医学图像的安全存储或者商业数字图像版权交易等。

发明内容

本发明的目的是提供一种加密图像的可逆信息隐藏的方法，在保证隐私安全的情况下，实现可逆的图像信息隐藏。图像拥有者，首先将原始图像分割成大小一致的不重叠的图像块，对每个图像块进行整数变换预留代数性质的嵌入空间。其次，对预处理后的图像采用标准流密码算法进行加密得到加密图像，然后将加密图像发送给信息嵌入者。信息嵌入者在有效图像块上，通过改变图像块中的像素值的奇偶性实现信息的嵌入。接收者在收到标记后的加密图像后，先进行图像解密，然后判定图像块中奇偶性的变换从而提取秘密信息。最后根据参考像素恢复每个图像块的像素值，最终实现原始图像的恢复。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

一种基于整数变换的可逆加密域信息隐藏方法，其步骤如下：

S1：按照S11～S13对原始图像进行预处理：

S11：将大小为M×N原始灰度图像I分割成大小为m×n且不重叠的图像块IB_i,j；

S12：对每个图像块IB_i,j，若图像块中存在像素值大于254的像素，则将这些像素值均减2，同时记录这些像素在图像中的位置信息作为附加信息；然后依次对每个图像块中的像素值作整数变换预留出嵌入空间，公式如下：

IB'_i,j(x,y)＝(2IB_i,j(x,y)+1)(mod255)

其中：IB_i,j表示第i行第j列的图像块，IB_i,j(x,y)表示图像块IB_i,j中(x,y)坐标的像素值，其整数变换后的像素值为IB'_i,j(x,y)；IB'_i,j表示IB_i,j经过整数变换后的图像块；

S13：对每个整数变换后的图像块IB'_i,j进行奇偶性判断，如果IB'_i,j中所有像素值的奇偶性是一样的，则记录该图像块是有效图像块，否则为无效图像块；将所有图像块IB'_i,j的有效性信息记录在记录表LM中：

其中LM(i,j)表示记录表LM中对应图像块IB'_i,j的有效性信息；

S14：根据记录表LM，对所有图像块按从左到右从上到下的顺序进行扫描，将所有无效图像块按顺序移动到图像的底部，移动的规则：当扫描到无效图像块时，先从图像中移出该无效图像块，然后将位于该无效图像块位置之后且不属于已被移动过的无效图像块的所有图像块均往前移动一个位置，再将被移出的无效图像块放置在图像中因移动而空出的位置；所有无效图像块均移动至底部后，得到预处理后的图像I'；

S2：对预处理后的图像I'采用标准流密码进行图像加密，得到密文图像C；

S3：将S1中产生的有效性记录信息和附加信息先进行无损压缩，获得压缩信息LM'，然后将LM'通过最低位替换的方法嵌入到无效图像块的密文图像C中；

S4：按照S41～S44将秘密信息s通过改变有效图像块中像素的奇偶性依次嵌入到密文图像C中得到标记后的密文图像C'：

S41：从密文图像C的底部开始，从LSBs中提取压缩信息LM'，并无损解压缩获取记录表LM；

S42：将密文图像C分割成大小为m×n且不重叠的图像块CB_i,j，并根据LM确定可用于嵌入秘密信息的密文图像块；

S43：将待嵌入的秘密信息s分为若干长度为(nm-1)比特的秘密信息向量s^(t)；针对每个用于嵌入秘密信息的密文图像块CB_i,j，分别将(nm-1)比特秘密信息向量s^(t)＝(s^(t) ₁,s^(t) ₂,…,s^(t) _nm-1)嵌入到密文图像块CB_i,j中，嵌入方法为：保持CB_i,j中左上角的第一个像素值不变，其它(nm-1)个像素c^(i,j) _k按照光栅顺序与s^(t)进行异或运算得到新的密文像素值：

将c_k ^(i,j)'更新到CB_i,j中得到更新后的密文图像块CB_i,j'；

S44：当所有秘密信息嵌入完毕后得到标记后的密文图像C'，并发送给接收端；

S5：接收端首先使用共享密钥对密文图像C'进行解密，然后在解密后的图像块上，根据图像块中像素奇偶性的变换提取秘密信息；

S6：接收端在解密后的图像块上，利用每个图像块的参考像素恢复图像块中其它像素的最低位，再用整数变换的逆变换恢复图像块的原始像素值，最终恢复原始图像I。

在上述技术方案基础上，本发明的各步骤还可以进一步采用如下优选方式。

作为优选，所述S1中，图像块大小m×n＝4×4。

作为优选，所述S3中，记录表LM和附加信息使用代数编码进行无损压缩。

作为优选，所述S3中，被替换的LSBs信息作为秘密信息的一部分嵌入到密文图像中。

作为优选，所述S4中，可用于嵌入秘密信息的密文图像块在记录表LM中对应的值LM(i,j)＝1。

作为优选，所述S5中，从密文图像中提取秘密信息的过程如下：

S51：从密文图像C'的底部开始，从LSBs中提取压缩信息LM'，并无损解压缩获取记录表LM和附加信息；

S52：将密文图像C'的每个像素c'_i,j用8比特二进制表示为c'_i,j(0),c'_i,j(1),…,c'_i,j(7)，则有：

即共享的解密密钥是key_i.j，则解密公式如下：

则c'_i,j对应的明文为

对密文图像C'每个像素进行解密后，得到图像I'；

S53：将图像I'分割成大小为m×n且不重叠的图像块IB'_i,j；

S54：根据LM判定有效图像块的截止位置，从左到右从上到下扫描有效图像块，IB'_i,j中像素值的奇偶性从有效图像块中提取秘密信息，提取方法为：

式中s^(t)(x,y)为矩阵s^(t)中(x,y)位置的元素值，x＝1,2,3,…,m,y＝1,2,3,…,n,但是(x,y)≠(1,1)；

再将矩阵s^(t)按照左到右从上到下的顺序转换为(nm-1)比特的秘密信息向量s^(t)。

作为优选，所述S6中，恢复原始图像的过程如下：

S61：将有效图像块IB'_i,j中的除了第一个像素IB'_i,j(1,1)外，其它所有像素的最低位根据第一像素值的奇偶性进行重置，重置公式如下

式中LSB(IB'_i,j(x,y))表示IB'_i,j(x,y)重置后的像素值；

S62：利用LM和提取的秘密信息，恢复嵌入LM的像素的最低位，并将无效图像块按顺序恢复到原有位置；

S63：对所有的图像块IB'_i,j，做如下变换：

IB_i,j(x,y)≡(128(IB'_i,j(x,y)-1))(mod255)

S64：根据附加信息恢复像素值大于254的真实像素值，从而最终无损回复原始图像I。

相对于现有技术，本发明的优点和积极效果在于：

(1)本发明能够根据不同图像的平滑度预先调整分割图像的大小，在相对平滑图像上具有较高的信息嵌入量。

(2)本发明中基于整数变换的加密前预留空间方法和基于异或运算的嵌入方法都只需要较低的处理代价。

附图说明

图1为图像预处理流程图。

图2为图像块整数变换示例。

图3为嵌入过程流程图。

图4为提取过程流程图。

图5为图像恢复过程流程图。

图6为实验效果图，其中(a)原始图像，(b)秘密信息，(c)标记的密文图像，(d)提取的信息，(e)恢复的图像。

具体实施方式

下面通过结合附图，对本发明方案做具体实施方式做进一步详细。

在本发明的一个较佳实施例中，提供了一种基于整数变换的可逆加密域信息隐藏方法，其步骤如下：

S1：图像拥有者对原始图像进行预处理，图像预处理的流程如图1所示，其具体过程按照S11～S13进行：

S11：将大小为M×N原始灰度图像I分割成大小为m×n且不重叠的图像块IB_i,j。本实施例中，图像块大小可设置为m×n＝4×4。

同时，可生成一个跟图像块大小对应的记录表LM，用于记录图像块的变换信息。

S12：对每个图像块IB_i,j，若图像块中存在像素值大于254的像素，则将这些像素值均减2，即将其替换为IB_i,j(x,y)-2，同时记录这些像素在图像中的位置信息作为附加信息。然后依次对每个图像块中的像素值作整数变换以预留出嵌入空间，公式如下：

IB'_i,j(x,y)＝(2IB_i,j(x,y)+1)(mod255)

其中：IB_i,j表示第i行第j列的图像块，IB_i,j(x,y)表示图像块IB_i,j中(x,y)坐标的像素值，其整数变换后的像素值为IB'_i,j(x,y)；IB'_i,j表示IB_i,j经过整数变换后的图像块。

在本实施例中，其中一个整数变换示例如图2所示。

S13：对每个整数变换后的图像块IB'_i,j进行奇偶性判断，如果IB'_i,j中所有像素值的奇偶性是一样的，则记录该图像块是有效图像块，否则为无效图像块；将所有图像块IB'_i,j的有效性信息记录在记录表LM中：

其中LM(i,j)表示记录表LM中对应图像块IB'_i,j的有效性信息；

S14：根据记录表LM，对所有图像块按从左到右从上到下的顺序进行扫描，将所有无效图像块按顺序移动到图像的底部，移动的规则：当扫描到无效图像块时，先从图像中移出该无效图像块，然后将位于该无效图像块位置之后的所有图像块(需注意这些图像块中不包含已被移动过的无效图像块)均往前移动一个位置，由于整体移动后图像的底部出现了一个空缺的图像块区域，因此再将之前被移出的无效图像块放置在图像中因移动而空出的位置。对每个无效图像块进行该移动操作，直至所有无效图像块均移动至底部后，得到预处理后的图像I'。

S2：对预处理后的图像I'采用标准流密码进行图像加密，得到密文图像C。

在本实施例中，p'_i,j表示I'的任意像素值，其值落在[0,254]，用8比特二进制表示为p'_i,j(0),p'_i,j(1),…,p'_i,j(7)，则有：

即其中加密密钥是key_i.j，则加密公式如下

则p'_i,j对应的密文为对图像I'每个像素进行如上加密，直到所有像素都被加密完为止，最后得到加密后的图像C。

S3：将S1中产生的有效性记录信息和附加信息先使用代数编码进行无损压缩，获得压缩信息LM'，然后将LM'通过最低位替换的方法嵌入到无效图像块的密文图像C中。同时被替换的LSBs信息作为秘密信息的一部分也嵌入到加密图像中。

密文图像C可由图像拥有者发送给信息嵌入者。

S4：信息嵌入者收到密文图像C后，可将秘密信息s通过改变有效图像块中像素的奇偶性依次嵌入到密文图像C中得到标记后的密文图像C'，每个图像块的嵌入操作如图3所示。其具体嵌入过程可按照S41～S44执行：

S41：从密文图像C的底部开始，从LSBs中提取压缩信息LM'，并无损解压缩获取记录表LM。

S42：将密文图像C分割成大小为m×n且不重叠的图像块CB_i,j，并根据LM确定可用于嵌入秘密信息的密文图像块。此处，根据记录表LM的记录规则，可用于嵌入秘密信息的密文图像块在记录表LM中对应的值LM(i,j)＝1。

S43：将待嵌入的秘密信息s分为若干长度为(nm-1)比特的秘密信息向量s^(t)，将秘密信息向量依次嵌入到相应的密文图像块中：

针对每个用于嵌入秘密信息的密文图像块CB_i,j，分别将(nm-1)比特秘密信息向量s^(t)＝(s^(t) ₁,s^(t) ₂,…,s^(t) _nm-1)嵌入到密文图像块CB_i,j中，嵌入方法为：保持CB_i,j中左上角的第一个像素值不变，其它(nm-1)个像素c_k ^(i,j)(k＝1,2,…,nm-1)按照光栅顺序与s^(t)进行异或运算得到新的密文像素值：

将c_k ^(i,j)'(k＝1,2,…,nm-1)更新到CB_i,j中得到更新后的密文图像块CB_i,j'；

S44：当所有秘密信息嵌入完毕后得到标记后的密文图像C'，即可发送给接收端。

S5：接收端首先使用共享密钥对密文图像C'进行解密，然后在解密后的图像块上，根据图像块中像素奇偶性的变换提取秘密信息。图像块的解密与信息提取过程如图4所示。

在本实施例中，从密文图像中提取秘密信息的过程如下：

S51：从密文图像C'的底部开始，从LSBs中提取压缩信息LM'，并无损解压缩获取记录表LM和附加信息；

S52：将密文图像C'的每个像素c'_i,j用8比特二进制表示为c'_i,j(0),c'_i,j(1),…,c'_i,j(7)，则有：

即共享的解密密钥是key_i.j，则解密公式如下：

则c'_i,j对应的明文为

对密文图像C'每个像素进行解密后，得到图像I'；

S53：将图像I'分割成大小为m×n且不重叠的图像块IB'_i,j；

S54：根据LM判定有效图像块的截止位置，从左到右从上到下扫描有效图像块，IB'_i,j中像素值的奇偶性从有效图像块中提取秘密信息，提取方法为：

式中s^(t)(x,y)为矩阵s^(t)中(x,y)位置的元素值，x＝1,2,3,…,m,y＝1,2,3,…,n,但是(x,y)≠(1,1)；

再将矩阵s^(t)按照左到右从上到下的顺序转换为(nm-1)比特的秘密信息向量s^(t)。

S6：接收端在解密后的图像块上，利用每个图像块的参考像素恢复图像块中其它像素的最低位，再用整数变换的逆变换恢复图像块的原始像素值，最终恢复原始图像I。图5给出了图像恢复的基本流程图。

在本实施例中，恢复原始图像的过程如下：

S61：将有效图像块IB'_i,j中的除了第一个像素IB'_i,j(1,1)外，其它所有像素的最低位根据第一像素值的奇偶性进行重置，重置公式如下

式中LSB(IB_i'_,j(x,y))表示IB_i'_,j(x,y)重置后的最低位(LSB)值；

S62：利用LM和刚提取的秘密信息的前部分，恢复嵌入LM的像素的最低位，并将无效图像块按顺序恢复到原有位置；

S63：对所有的图像块IB'_i,j，做如下变换：

IB_i,j(x,y)≡(128(IB'_i,j(x,y)-1))(mod255)

S64：根据附加信息恢复像素值大于254的真实像素值，从而最终无损回复原始图像I。

图6显示了本实施例执行过程中各个阶段的效果图。该实施例以4张标准图像作为实验图像，结果表明本发明可以在保证隐私安全的情况下，实现可逆的图像信息隐藏，且其信息可以被完整的提取，图像的还原质量较高。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于整数变换的可逆加密域信息隐藏方法，其特征在于，步骤如下：

S1：按照S11～S13对原始图像进行预处理：

S11：将大小为M×N原始灰度图像I分割成大小为m×n且不重叠的图像块IB_i,j；

S12：对每个图像块IB_i,j，若图像块中存在像素值大于254的像素，则将这些像素值均减2，同时记录这些像素在图像中的位置信息作为附加信息；然后依次对每个图像块中的像素值作整数变换预留出嵌入空间，公式如下：

IB'_i,j(x,y)＝(2IB_i,j(x,y)+1)(mod255)

其中：IB_i,j表示第i行第j列的图像块，IB_i,j(x,y)表示图像块IB_i,j中(x,y)坐标的像素值，其整数变换后的像素值为IB'_i,j(x,y)；IB'_i,j表示IB_i,j经过整数变换后的图像块；

S13：对每个整数变换后的图像块IB'_i,j进行奇偶性判断，如果IB'_i,j中所有像素值的奇偶性是一样的，则记录该图像块是有效图像块，否则为无效图像块；将所有图像块IB'_i,j的有效性信息记录在记录表LM中：

其中LM(i,j)表示记录表LM中对应图像块IB'_i,j的有效性信息；

S14：根据记录表LM，对所有图像块按从左到右从上到下的顺序进行扫描，将所有无效图像块按顺序移动到图像的底部，移动的规则：当扫描到无效图像块时，先从图像中移出该无效图像块，然后将位于该无效图像块位置之后且不属于已被移动过的无效图像块的所有图像块均往前移动一个位置，再将被移出的无效图像块放置在图像中因移动而空出的位置；所有无效图像块均移动至底部后，得到预处理后的图像I'；

S2：对预处理后的图像I'采用标准流密码进行图像加密，得到密文图像C；

S3：将S1中产生的有效性记录信息和附加信息先进行无损压缩，获得压缩信息LM'，然后将LM'通过最低位替换的方法嵌入到无效图像块的密文图像C中；

S4：按照S41～S44将秘密信息s通过改变有效图像块中像素的奇偶性依次嵌入到密文图像C中得到标记后的密文图像C'：

S41：从密文图像C的底部开始，从LSBs中提取压缩信息LM'，并无损解压缩获取记录表LM；

S42：将密文图像C分割成大小为m×n且不重叠的图像块CB_i,j，并根据LM确定可用于嵌入秘密信息的密文图像块；

S43：将待嵌入的秘密信息s分为若干长度为(nm-1)比特的秘密信息向量s^(t)；针对每个用于嵌入秘密信息的密文图像块CB_i,j，分别将(nm-1)比特秘密信息向量s^(t)＝(s^(t) ₁,s^(t) ₂,…,s^(t) _nm-1)嵌入到密文图像块CB_i,j中，嵌入方法为：保持CB_i,j中左上角的第一个像素值不变，其它(nm-1)个像素c^(i,j) _k按照光栅顺序与s^(t)进行异或运算得到新的密文像素值：

将c_k ^(i,j)'更新到CB_i,j中得到更新后的密文图像块CB_i,j'；

S44：当所有秘密信息嵌入完毕后得到标记后的密文图像C'，并发送给接收端；

S5：接收端首先使用共享密钥对密文图像C'进行解密，然后在解密后的图像块上，根据图像块中像素奇偶性的变换提取秘密信息；

S6：接收端在解密后的图像块上，利用每个图像块的参考像素恢复图像块中其它像素的最低位，再用整数变换的逆变换恢复图像块的原始像素值，最终恢复原始图像I。

2.根据权利要求1所述的基于整数变换的可逆加密域信息隐藏方法，其特征在于，所述S1中，图像块大小m×n＝4×4。

3.根据权利要求1所述的基于整数变换的可逆加密域信息隐藏方法，其特征在于，所述S3中，记录表LM和附加信息使用代数编码进行无损压缩。

4.根据权利要求1所述的基于整数变换的可逆加密域信息隐藏方法，其特征在于，所述S3中，被替换的LSBs信息作为秘密信息的一部分嵌入到密文图像中。

5.根据权利要求1所述的基于整数变换的可逆加密域信息隐藏方法，其特征在于，所述S4中，可用于嵌入秘密信息的密文图像块在记录表LM中对应的值LM(i,j)＝1。

6.根据权利要求1所述的基于整数变换的可逆加密域信息隐藏方法，其特征在于所述S5中，从密文图像中提取秘密信息的过程如下：

S51：从密文图像C'的底部开始，从LSBs中提取压缩信息LM'，并无损解压缩获取记录表LM和附加信息；

S52：将密文图像C'的每个像素c'_i,j用8比特二进制表示为c'_i,j(0),c'_i,j(1),…,c'_i,j(7)，则有：

即共享的解密密钥是key_i.j，则解密公式如下：

则c'_i,j对应的明文为

对密文图像C'每个像素进行解密后，得到图像I'；

S53：将图像I'分割成大小为m×n且不重叠的图像块IB'_i,j；

S54：根据LM判定有效图像块的截止位置，从左到右从上到下扫描有效图像块，IB'_i,j中像素值的奇偶性从有效图像块中提取秘密信息，提取方法为：

式中s^(t)(x,y)为矩阵s^(t)中(x,y)位置的元素值，x＝1,2,3,…,m,y＝1,2,3,…,n,但是(x,y)≠(1,1)；

再将矩阵s^(t)按照左到右从上到下的顺序转换为(nm-1)比特的秘密信息向量s^(t)。

7.根据权利要求6所述的基于整数变换的可逆加密域信息隐藏方法，其特征在于，所述S6中，恢复原始图像的过程如下：

S61：将有效图像块IB'_i,j中的除了第一个像素IB′_i,j(1,1)外，其它所有像素的最低位根据第一像素值的奇偶性进行重置，重置公式如下

式中LSB(IB′_i,j(x,y))表示IB′_i,j(x,y)重置后的最低位值；

S62：利用LM和提取的秘密信息，恢复嵌入LM的像素的最低位，并将无效图像块按顺序恢复到原有位置；

S63：对所有的图像块IB'_i,j，做如下变换：

IB_i,j(x,y)≡(128(IB'_i,j(x,y)-1))(mod255)

S64：根据附加信息恢复像素值大于254的真实像素值，从而最终无损回复原始图像I。