CN112202984A - 一种基于纠错冗余的密文域可逆信息隐藏方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于纠错冗余的密文域可逆信息隐藏方法，包括加密嵌入过程和解密提取过程；加密嵌入过程包括位平面分割、高有效位编码压缩、低有效位加密、高有效位加密、密文图像合成。解密提取过程包括位平面分割、高有效位解密、低有位解密提取、高有效位解码恢复、明文图像合成。本发明信息提取与图像恢复是可分离的，无论信息提取与否，对携密密文进行解密获取的图像与原始图像相比不存在任何失真；本发明信息可嵌空间主要取决于特定加密算法的过程冗余，受像素信息的相关性制约较少，选择适合的加密算法可大幅提升嵌入容量；本发明加密前后对载体图像不进行任何操作，保证明文图像像素信息的无损性同时不破坏密文图像加密算法的安全性。

Description

一种基于纠错冗余的密文域可逆信息隐藏方法

技术领域

本发明涉及密文域信息隐藏技术，具体公开了一种基于纠错冗余的密文域可逆信息隐藏方法。

背景技术

5G技术的迅猛发展，令通信能力得到大幅度提升的同时，也对数字信息的处理方式产生了深刻影响。借助于高速通信技术，将多个移动终端连接在一起的移动云计算已悄然成为处理数字信息的主流趋势。与传统模式将信息分布式存储在各个终端逐一处理不同，移动云计算模式下用户可将终端计算量实时传输到云计算中心集中处理，从而有效降低移动终端存储以及计算能耗。在享受移动云计算为我们带来便捷的同时，该框架下频频发生的隐私泄露问题不容忽视。针对隐私泄露的威胁，越来越多云应用在传输、存储、计算各个环节要求结合加密技术对敏感数据进行安全性保护。在云空间环境下结合实际需求，如何更高效利用密文数据已成为网络安全近年来的研究热点。

密文域可逆信息隐藏(Reversible Data Hiding in Encrypted Domain,RDH-ED)，是研究以加密数据为载体进行额外秘密信息可逆嵌入的技术，该技术可在加密保护密文数据信息的基础上结合嵌入其中的秘密信息实现密文数据的应用拓展，具有重要的研究价值。以加密图像为例，利用RDH-ED，具有权限的用户不仅能够保证秘密信息的准确提取，还能保证信息提取以及图像解密处理后原始图像的无失真恢复。为了能够实现信息可逆嵌入，必须RDH-ED在方案设计过程中必须预留信息嵌入空间，而根据空间预留与加密操作之间的流程关系，现有RDH-ED方案主要分成加密后预留空间(Vacating Room AfterEncryption,VRAE)以及加密前预留空间(Vacating Room Before Encryption,VRBE)两类。

VRAE类RDH-ED，直接对加密图像进行冗余空间预留操作实现信息的可逆嵌入，整个信息嵌入提取操作不影响加密对于图像信息的保护，适用于第三方嵌入操作。为了让第三者无法从加密数据获取有效信息，图像经过加密操作后信息之间的相关性会被严重破坏，因此VRAE类RDH-ED预留得到可用于嵌入的空间较小。为了提高嵌入容量，许多在加密前通过预处理操作预留出较大嵌入空间的VRBE类RDH-ED方案得以提出。由于VRBE类RDH充分利用了图像信息之间的相关性，因此预留的空间较VRAE类RDH大因此可获得更高嵌入容量。

但是无论是VRBE还是VRAE，嵌入空间都通过各种方法从图像信息中获取，嵌入性能受载体图像的制约较大。此外，大多数RDH-ED方案如果没有信息提取操作修正信息嵌入对载体的影响，则无法获得无损图像。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于纠错冗余的密文域可逆信息隐藏方法，解决了现有密文域可逆信息隐藏技术必须先进行信息提取操作才能获取无损图像，从而暴露信息嵌入操作存在的问题。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于纠错冗余的密文域可逆信息隐藏方法，包括加密嵌入过程和解密提取过程；

加密嵌入过程具体包括以下步骤：

步骤一、位平面分割：对像素信息进行位平面分割，得到低有效位信息和高有效位信息；

步骤二、高有效位编码压缩：对高有效位信息进行编码压缩，得到高有效位压缩编码；

步骤三、低有效位加密：对低有效位信息进行加密处理，得到低有效位密文信息，同时得到低有效位密文扩展信息；

步骤四、高有效位加密：将低有效位密文扩展信息填充至高有效位压缩空间，对整个高有效位流加密处理，得到高有效位密文信息；

步骤五、密文图像合成：将低有效位密文和高有效位密文数组信息尺寸转换，按照图像矩阵尺寸分组合并，得到加密的密文图像；

解密提取过程具体包括以下步骤：

S1、位平面分割：对密文图像信息矩阵进行位平面分割，得到低有效位密文信息和高有效位密文信息；

S2、高有效位解密：对高有效位密文信息异或解密得到压缩编码编码后的高有效位信息，以及低有效位密文扩展信息；

S3、低有效位解密提取：将低有效位密文扩展信息与低有效位密文信息合并，进行解密处理，得到低有效位明文信息；

S4、高有效位解码恢复：将高有效位信息进行解压恢复，得到高有效位明文信息；

S5、明文图像合成：将低有效位和高有效位明文数组信息尺寸转换，按照图像矩阵尺寸分组合并，恢复得到无损图像。

进一步，步骤一具体为：首先，将像素信息转换成8位2进制表达方式，位平面顺序从左至右排列；

然后，根据所需嵌入量产生的密文扩展以及位信息压缩冗余空间将原始像素分割成m位低有效位信息I_(7-m,...,8)以及(8-m)位高有效位信息I_(1,...,8-m)；

其中，1≤m≤7。

进一步，步骤二具体为：首先，对高有效位信息I_(1,...,8-m)进行降维度处理，按照位平面从小到大的顺序排列串联成一维数组F(I_(1,...,8-m))：

F(I_(1,...,8-m))＝{f_i|i＝1,...,ab*(8-m)}

然后，依序进行游程编码、霍夫曼编码得到高有效位压缩编码：

其中，a*b为图像的尺寸大小，i为降维处理后高有效位数组序号。

进一步，步骤三具体为：首先，对低有效位信息I_(7-m,...,8)以k为单位长度进行分组，共可分

组数组；其中，k为正整数，根据后续McElience加密体制构造参数确定；

然后，根据McElience加密体制构造参数选择具有纠错特性的生成矩阵，计算获取相应的公私钥对，利用公钥G_pub对于每一个分组{p_i|i＝1,...,k}进加密，每组数组加密过程中都利用预设的误差映射对误差进行控制，实现d bit的信息嵌入。

进一步，步骤三中，整个低有效位加密过程中，首次最多嵌入

额外信息，其中，额外信息由辅助信息以及秘密信息经流加密密钥K_h异或处理后的数据组成；

前abmbit密文作为低有效位密文C_L保存，其余密文作为扩展密文填充到高有效位空间里；

扩展密文在高有效位空间容纳允许条件下，进行w轮加密扩展。

进一步，步骤四具体为：

首先，将低有效位编码加密后产生的密文扩张空间S₁中的信息填充至高有效位压缩编码冗余空间S₂里，同时填充随机信息未填充空间，使图像以固定尺寸矩阵的形式进行传递，其中S₁、S₂的大小为：

然后，伪随机种子作为密钥K_en1生成序列(r₁,...,r_ab*(8-m))对将填充后高有效位空间进行异或加密得到高有效位密文。

进一步，步骤S3具体为：首先，将高有效位中的扩展密文与低有效位密文合并，以n为单位进行分组；

然后，对于每组密文数组利用McEliece私钥中的可逆矩阵S、置换矩阵P以及检验码C进行纠错解密，得到以k为分组单位的低有效位明文信息。

进一步，解密提取过程进行时首先要在进行位平面分割之前获取辅助信息；

辅助信息包括：辅助信息A的长度

位平面分割参数m(3bit)，McEliece构造参数[n,k,d]

低有效加密轮数w，高有效压缩编码长度

霍夫曼概率字典长度

秘密信息长度

以及霍夫曼概率字典Dicbit。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开了一种基于纠错冗余的密文域可逆信息隐藏方法，包括加密嵌入过程和解密提取过程，加密嵌入过程中，对于像素低有效位信息，利用纠错冗余空间，建立误差映射，实现信息可逆嵌入；对于相关性较强的像素高有效位信息，通过编码压缩进行空间预留，应对密文扩展；对于编码压缩后的高有效位信息以及低有效位密文扩展部分，进行加密保护。本发明秘密信息的嵌入以及提取过程是可选择的，无论传递行为存在与否，对于第三方而言，接收方仅仅利用加密密钥对密文图像进行了解密操作,可实现信息传递行为的隐蔽；本发明信息提取与图像恢复是可分离的，无论信息提取与否，对携密密文进行解密获取的图像与原始图像相比不存在任何失真；本发明信息可嵌空间主要取决于特定加密算法的过程冗余，受像素信息的相关性制约较少，选择适合的加密算法可大幅提升嵌入容量；本发明加密前后对载体图像不进行任何操作，保证明文图像像素信息的无损性同时不破坏密文图像加密算法的安全性；本发明拓宽现有加密算法的应用场景，利用其构造过程中的冗余空间实现信息的隐蔽传递。

进一步，对于像素低有效位信息，利用McEliece加密体制中的纠错冗余空间，建立误差映射，实现信息可逆嵌入。

进一步，对于相关性较强的像素高有效位信息，利用游程编码、霍夫曼编码进行空间预留，应对密文扩展；对于编码压缩后的高有效位信息以及低有效位密文扩展部分，利用Logistic系统的混沌特性加密保护。

附图说明

图1为加密过程中预留空间的RDH-ED框架图；

图2为两种不同误差向量与待嵌数据的映射关系示意图；

图3为测试图像；

图4为不同RDH-ED方案直接解密图像的ER-PSNR图；

图5为四幅图像的位平面参数M-嵌入率ER图；

图6为不同方案的嵌入率比较柱状图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明公开了一种基于纠错冗余的密文域可逆信息隐藏方法，包括加密嵌入过程和解密提取过程。

1、VRIE框架

图像发送端，内容拥有者利用加密密钥K_en结合特定加密算法实现图像安全加密。加密过程中，通过对产生的密文冗余或者密钥冗余进行映射定义，从而预留得到信息嵌入的所需空间。同时，可选择性地将经隐藏密钥K_hide加密保护后的秘密信息以控制加密过程中的冗余方式实现信息嵌入，最终得到携密(或非携密)密文图像。接受端，只要拥有密钥K_en就可以直接实现原始原始图像的无损恢复。若该密文为携密密文，具有权限的用户可通过解密过程的冗余映射关系提取K_hide加密保护的秘密信息，然后再进行相应的解密操作实现秘密信息的精确提取。VRIE方案具体框架如图1所示。

2、基于纠错冗余的可逆信息隐藏

基于Goppa编码的纠错特性，Mceliece密码体制在构造过程中引入随机误差建立NP困难的线性译码问题来实现信息的加密保护。对于同一对公私钥保护的明文数据而言，引入误差的随机性可产生大量密文容量冗余，然后解密端再次借助Goppa码验证操作去除冗余保证信息的准确恢复。在不破坏该加密体制安全性影响的基础上，建立待嵌信息与随机变量的映射关系，然后对随机变量定向控制可实现信息的可逆嵌入。

2.1误差映射

假设用于加密明文消息的Mceliece加密体制建立在参数为[n,k,d]的Goppa码上，则每次可对长度为k的明文消息P进行加密操作的同时，可实现长度为n,错误位置和最多为d的误差向量e进行误差修正。所有满足条件的误差向量构成的集合为E，该集合元素个数Crad(E)为：

将待嵌入信息以二进制形式表示，每次加密可将

待嵌信息与误差向量进行映射。为充分利用加密过程中的纠错冗余空间，在满足双射的基础上，映射关系可由收发双方提前确定，映射关系最多可有

种。以参数为[7，4，1]的Goppa码为例，加密过程中可用于修正的误差向量Crad(E)有

个，则每次嵌入操作可实现

信息嵌入，最多可约定8！＝40320种。图2表示该参数条件下两种不同的误差映射关系。其中，{e₁，..,e₇}表示可修正的误差向量，e₀表示无误差发生。m_i(i＝1,...,8)表示大小为3bit的待嵌信息。

2.2流程实现

本发明利用McLiece加密算法的纠错冗余在图像加解密过程中实现信息嵌入与提取。对于尺寸大小a*b的图像载体I，选择基于参数为[n,k,d]的McEliece算法图像加解密，嵌入秘密信息M的RDH-ED方案设计流程具体如下：

1)加密嵌入端

步骤1：位平面分割

首先，将像素信息转换成8位2进制表达方式，位平面顺序从左至右排列。然后，根据所需嵌入量产生的密文扩展以及位信息压缩冗余空间将原始像素分割成m位低有效位信息I_(7-m,...,8)以及(8-m)位高有效位信息I_(1,...,8-m)。

步骤2：高有效位编码压缩

首先，对高有效位信息I_(1,...,8-m)进行降维度处理，由于同一位平面信息的相关性较强，按照位平面从小到大的顺序排列串联成一维数组F(I_(1,...,8-m))：

F(I_(1,...,8-m))＝{f_i|i＝1,...,ab*(8-m)}

然后，依序进行游程编码、霍夫曼编码得到高有效位压缩编码：

步骤3：低有效位加密

首先，对低有效位信息I_(7-m,...,8)以k为单位长度进行分组，共可分

组数组。

然后，根据McElience加密体制构造参数选择合适的生成矩阵，计算获取相应的公私钥对.利用公钥G_pub对于每一个分组{p_i|i＝1,...,k}进加密，每组数组加密过程中都可利用预设的误差映射对误差进行控制，实现d bit的信息嵌入。整个低有效位加密过程中，首次最多可嵌入

额外信息。其中，额外信息由辅助信息以及秘密信息经流加密密钥K_h异或处理后的数据组成。其中前abmbit密文作为低有效位密文C_L保存，其余密文作为扩展密文填充到高有效位空间里。扩展密文在高有效位空间容纳允许条件下，可进行w轮加密扩展实现大容量嵌入。

步骤4：高有效位加密

低有效位密文扩展填充至高有效位压缩空间，对整个高有效位流加密处理。低有效位加密之后会发生密文扩展，原来的低有效位像素信息矩阵无法放置所有低有效位密文信息，无法放置的扩展密文填充到高有效位空间中。

首先，将低有效位编码加密后产生的密文扩张空间S₁中的信息填充至高有效位压缩编码冗余空间S₂里，同时填充随机信息未填充空间，保证图像以固定尺寸矩阵的形式进行传递。其中S₁、S₂的大小为：

然后，伪随机种子作为密钥K_en1生成序列(r₁,...,r_ab*(8-m))对将填充后高有效位空间进行异或加密得到高有效位密文信息。

步骤5：密文图像合成

将低有效位密文和高有效位密文数组信息尺寸转换，按照图像矩阵尺寸分组合并，得到加密图像。

解密提取端

步骤1：位平面分割

利用商定的参数m将密文图像信息矩阵进行位平面分割，得到低有效位密文信息和高有效位密文信息。

步骤2：高有效位解密

利用密钥K生成同样的伪随机序列

对高有效密文信息异或解密得到压缩编码编码后的高有效位信息，以及低有效位密文扩展信息。

步骤3：低有位解密提取

首先，将高有效位中的低有效位密文扩展信息与低有效位密文信息合并，以n为单位进行分组。McEliece加密过程有严格的参数限定，只有满足一定的[n,k,d]约束才能进行，即对n比特明文加密得到k比特密文，同时可实现d纠错。

然后，对于每组密文数组利用McEliece私钥中的可逆矩阵S、置换矩阵P以及检验码C进行纠错解密，得到以k为分组单位的低有效位明文信息。在解密过程中，可以检验出加密过程中引入的定向误差，利用误差映射可实现额外信息的准确提取。拥有K_h的合法用户对额外信息异或解密得到隐藏在图像中的秘密信息。

步骤4：高有效位解码恢复

将高有效位解密得到的压缩编码依序进行游程编码和霍夫曼编码，完成高有效压缩信息解压恢复，得到一维数组形式的高有效位明文信息。

步骤5：明文图像合成

将低有效位和高有效位明文数组信息尺寸转换，按照图像矩阵尺寸分组合并，恢复得到无损图像。

2.3辅助信息处理

为了保证携密密文图像无损恢复，提取端必须先获悉解密过程所需的必要辅助参数。

辅助信息的由以下部分组成：辅助信息A长度

位平面分割参数m(3bit)，McEliece构造参数[n,k,d]

低有效加密轮数w，高有效压缩编码长度

霍夫曼概率字典长度L₃

秘密信息长度

以及霍夫曼概率字典Dicbit。辅助信息组成部分中，霍夫曼概率字典所占比例最大。其他可变长度的辅助参数对嵌入方案影响极小，对于每个参数预留足够的空间即可。

若图像在无损信道中传输，所有辅助信息都可在高有效位编码压缩后获取，因此提取端在步骤2完成之后，前L₁bit高有效明文压缩编码信息作为额外信息M_c保存，然后进行辅助信息替换。高有效位加密嵌入过程中，M_c作为待嵌额外信息首先进行嵌入，然后嵌入需要传递的秘密信息。

提取端利用密钥K进行高有效位解密后，直接读取前L₁bit获取辅助信息A。借助辅助信息A，可实现低有位无损解密以及信息提取。利用提取得到的M_c，对前L₁bit高有效辅助信息进行替换，解码可获得无损高有效位信息。

本发明利用MATLAB2018a软件，从USC-SIPI图像库中选取的灰度测试图进行仿真实验。本发明与现有RDH-ED方案比较所用图像如图3所示。

以下给出几种对比例来说明本发明的效果：

对比例1：利用密文信息最低有效位(Least Significant Bit,LSB)的汉明距离以及预设的辅助信息进行压缩，从而在加密图像中预留出空间用于信息嵌入。

对比例2：首先对于图像进行像素块分割，在同一个像素块内借助密钥重用的方式在加密状态下保留原始像素块的相关性，然后对加密后的像素块利用像素值排序(PixelValue Ordering,PVO)技术实现信息的可逆嵌入，该方案在提取端信息提取的准确性不受解密操作的干扰。为了让第三者无法从加密数据获取有效信息，图像经过加密操作后信息之间的相关性会被严重破坏，因此VRAE类RDH-ED预留得到可用于嵌入的空间较小。

对比例3：提出在图像加密之前将某些特定像素的最低有效位信息以传统RDH方法嵌入到明文图像中，预留出这些特定位置的LSB空间可在加密之后直接替换，从而实现秘密信息的可逆嵌入。

对比例4：提出了基于预测机制的VRBE类RDH-ED。对于在加密之后用于信息嵌入的某些特定像素，该方案在加密之前利用周边像素信息进行预测然后获取预测误差，然后对加密之后的预测直方图修改实现信息的可逆嵌入。

对比例5：在预处理阶段借助参考像素形式以较少信息表示图像，然后利用Paillier算法的同态以及概率特性设计基于密文镜像组(Mirroring Ciphertext Groups,MCG)的高容量RDH-ED方案。

对比例6：提出基于MSB预测机制的高容量RDH-ED方案。由于MSB预处理具有高容量嵌入空间预留特性

对比例7：提出MSB可嵌位平面空间选取方案优化，提高嵌入容量。

对比例8：加密前将预测误差处理过程引入PBTL编码，结合编码技术预留空间实现大容量可逆信息嵌入。

利用现有RDH-ED方案(对比例1～5)对图Lena进行嵌入操作，在不提取秘密信息的情况下，直接对携密图像进行相应的解密操作，得到嵌入率(Embedding Rate,ER)与峰值信噪比(Peak Signal-to-Noise Ratio,PSNR)的趋势曲线如图4所示。

对修改后的密文直接解密，会放大由于嵌入而进行的数据改动程度，导致严重图像失真。为迎合在秘密信息无法提取条件下可需要获取图像大致信息的可分离需求，保证直接解密的图像质量，VARE类一般对载体图像进行比特级单位加密，然后设计汉明压缩、块内密钥重用等技术对低有效位信息进行改动。由图4可知，虽然嵌入空间制约在最低有效位空间内使其余空间信息解密后得以保留，但嵌入造成的图像失真无法消除。

VBRE类通过改变嵌入操作与加解密操作顺序，进一步拓宽RDH-ED应用需求的同时，也避免了加解密操作对嵌入改动的影响。通过借助空间域高保真RDH方法，直接解密携密图像可直接得到大致图像，并且不影响后续信息提取后可逆恢复。由于RDH-ED类方案传输过程中一般以加密形式传输，而且有些应用需求对嵌入容量的要求高于直接解密的图像质量。由图5可得，该方案同等嵌入容量下直接解密的大致图像质量不高。

进一步分析图5可得，在给定嵌入容量条件下同一个RDH-ED方法下参数差异(如对比例1)对直接解密的图像质量有影响，但较整体方案性能差异比起来很小。

利用本文所提方案对USC-SIPI内512*512标准灰色图像进行仿真实验，得到结果如表1所示，嵌入率最高可达3.328bpp。VRIE类的信息嵌入主要在加解密的过程冗余内进行，嵌入容量受像素信息制约较少，最大嵌入容量较对比例1～5大幅提升。此外，本设计方案在加解过程中可选择地信息嵌入提取操作，即使没有提取秘密信息的权限，对携密图像直接解密也能得到无损图像，可满足注重图像质量的应用需求。

表1 USC-SIPI实验结果

本发明每n bit原始像素信息经McEliece加密操作后都可实现

bit秘密信息可逆嵌入，同时会产生(d-n)bit密文扩展。对于不考虑密文扩展的通信信道，基于加密过程纠错冗余的嵌入容量完全不受原始信息的影响。

对于以固定尺寸进行传输的图像载体，本文结合图像的特点进行位平面分割，然后压缩空间应对密文扩展。为了能够在提取端实现图像的可逆恢复，本发明将辅助信息以嵌入形式实现参数沟通，因此将占据一定的嵌入空间。辅助信息构成中，霍夫曼概率字典Dic对整体影响较大。对于测试图Lena，当位平面参数m＝4时，Dic如表2所示。

表2 m＝4时的霍夫曼概率字典

为了实现无损解压，需要预留L₃bit空间用于表示Dic：

其中，m_ax(S_e)表示概率序列总长度，

用于表示单个字符的最大二进制编码空间，m_ax|C_o|用于表示单个字符的最大霍夫曼编码空间。对于表一举例展示的Dic,则需要预留

空间表示。

在McEliece参数固定条件下，位平面分割参数的选取会对最大嵌入率产生影响。图5表示不同图像位面平面参数—嵌入率趋势曲线。由图4直观可得，对于纹理比较复杂的图像(如图Baboon)，位平面分割对最大嵌入率影响较小；而对于一般图像位平面分割对最大嵌入率影响较大，当参数m取值在3、4或5时，图像最大嵌入率可达峰值。

表3不同位平面参数m下，各计算空间大小(bit)

进一步分析表3信息可知，位平面参数m给定条件下，低有效位的纠错冗余空间是固定的。因此以图像为载体进行信息隐藏，为了保证以固定像素值尺寸进行传递，本发明嵌入容量受辅助信息空间以及压缩预留空间影响较大。当m取值较小时，低有效位待加密数据的纠错冗余空间有限，压缩预留空间无法得到充分利用，仅能在纠错冗余空间内进行信息嵌入。随着m取值增大，低有效位的纠错冗余空间随着呈线性增长，而相应的压缩预留空间则适当减少，当纠错冗余空间与压缩预留空间接近时(m＝3,4,5)，本方法可获得最高嵌入容量。当m取值较大时，压缩预留空间无法应对所有低有效位加密导致的密文扩展，只能在压缩预留空间范围内进行密文扩展操作实现信息的可逆嵌入，受整个图像像素信息的相关性影响较大。对于纹理复杂的图像(如图Baboon)，不同位平面分割下压缩预留空间始终小于纠错冗余空间，因此信息嵌入空间只能在压缩预留空间内进行。在信息嵌入空间内，为需要首先预留空间用于嵌入辅助信息来保证提取端的可逆恢复。辅助信息中，霍夫曼概率字典Dic占用空间较大，随着m的增加，需要压缩高有效位的数据减少，辅助信息占用空间也会相应减少。与信息可嵌空间相比，辅助信息空间占用比例较少。对于嵌入容量性能最差的复杂图像Baboon，辅助信息空间占用比例始终在5％以下，而秘密信息可嵌空间可达130000bit以上，具有实际应用价值。

通过与现有大容量RDH-ED方案的嵌入率进行比较，由图6可得本发明在嵌入容量性能指标相近。在加密前预留空间过程中，对比例6和7的嵌入空间受图像原始信息影响较小，比较适用于复杂图像(如图Baboon)。对比例8在PBTL编码过程中利用高相关性纹理预留嵌入空间，比较适用于平滑图像(如图Plane)。本发明利用McEliece加密过程的纠错冗余实现信息嵌入，对于利用该加密体制进行嵌入的低有效位数据没有要求，但是需要高相关性信息压缩预留空间应对密文扩展。对于特定图像，当高有效位的压缩预留空间与低有效位纠错冗余空间在某个位平面分割条件下接近时，可实现较好的嵌入效果。对于纹理一般的图像(如图Lena)，本发明较性能最好的对比例8提高了0.082bpp。

因为本发明利用加密过程的纠错冗余空间实现信息嵌入，图像载体在信息嵌入与提取过程中只有三个阶段：1)原始明文图像；2)携密密文图像；3)解密明文图像。相较现有类RDH-ED方案，不存在携密密文和非携密密文(VRAE类)、携密明文和非携密明文的区别(VABE类)区别。对于第三方而言，收发双方利用密钥进行仅仅进行了图像加密以及无损恢复。通过对纠错冗余空间中误差映射关系实施权限管理，可掩盖信息隐藏行为的存在性。

Claims (8)

1.一种基于纠错冗余的密文域可逆信息隐藏方法，其特征在于，包括加密嵌入过程和解密提取过程；

加密嵌入过程具体包括以下步骤：

步骤一、位平面分割：对像素信息进行位平面分割，得到低有效位信息和高有效位信息；

步骤二、高有效位编码压缩：对高有效位信息进行编码压缩，得到高有效位压缩编码；

步骤三、低有效位加密：对低有效位信息进行加密处理，得到低有效位密文信息，同时得到低有效位密文扩展信息；

步骤四、高有效位加密：将低有效位密文扩展信息填充至高有效位压缩空间，对整个高有效位流加密处理，得到高有效位密文信息；

步骤五、密文图像合成：将低有效位密文和高有效位密文数组信息尺寸转换，按照图像矩阵尺寸分组合并，得到加密的密文图像；

解密提取过程具体包括以下步骤：

S1、位平面分割：对密文图像信息矩阵进行位平面分割，得到低有效位密文信息和高有效位密文信息；

S2、高有效位解密：对高有效位密文信息异或解密得到压缩编码编码后的高有效位信息，以及低有效位密文扩展信息；

S3、低有效位解密提取：将低有效位密文扩展信息与低有效位密文信息合并，进行解密处理，得到低有效位明文信息；

S4、高有效位解码恢复：将高有效位信息进行解压恢复，得到高有效位明文信息；

S5、明文图像合成：将低有效位和高有效位明文数组信息尺寸转换，按照图像矩阵尺寸分组合并，恢复得到无损图像。

2.根据权利要求1所述的一种基于纠错冗余的密文域可逆信息隐藏方法，其特征在于，步骤一具体为：首先，将像素信息转换成8位2进制表达方式，位平面顺序从左至右排列；

然后，根据所需嵌入量产生的密文扩展以及位信息压缩冗余空间将原始像素分割成m位低有效位信息I_(7-m,...,8)以及(8-m)位高有效位信息I_(1,...,8-m)；

其中，1≤m≤7。

3.根据权利要求1所述的一种基于纠错冗余的密文域可逆信息隐藏方法，其特征在于，步骤二具体为：首先，对高有效位信息I_(1,...,8-m)进行降维度处理，按照位平面从小到大的顺序排列串联成一维数组F(I_(1,...,8-m))：

F(I_(1,...,8-m))＝{f_i|i＝1,...,ab*(8-m)}

然后，依序进行游程编码、霍夫曼编码得到高有效位压缩编码：

其中，a*b为图像的尺寸大小，i为降维处理后高有效位数组序号。

4.根据权利要求1所述的一种基于纠错冗余的密文域可逆信息隐藏方法，其特征在于，步骤三具体为：首先，对低有效位信息I_(7-m,...,8)以k为单位长度进行分组，共可分

组数组；其中，k为正整数，根据后续McElience加密体制构造参数确定；

然后，根据McElience加密体制构造参数选择具有纠错特性的生成矩阵，计算获取相应的公私钥对，利用公钥G_pub对于每一个分组{p_i|i＝1,...,k}进加密，每组数组加密过程中都利用预设的误差映射对误差进行控制，实现d bit的信息嵌入。

5.根据权利要求1所述的一种基于纠错冗余的密文域可逆信息隐藏方法，其特征在于，步骤三中，整个低有效位加密过程中，首次最多嵌入

额外信息，其中，额外信息由辅助信息以及秘密信息经流加密密钥K_h异或处理后的数据组成；

前abmbit密文作为低有效位密文C_L保存，其余密文作为扩展密文填充到高有效位空间里；

扩展密文在高有效位空间容纳允许条件下，进行w轮加密扩展。

6.根据权利要求1所述的一种基于纠错冗余的密文域可逆信息隐藏方法，其特征在于，步骤四具体为：

首先，将低有效位编码加密后产生的密文扩张空间S₁中的信息填充至高有效位压缩编码冗余空间S₂里，同时填充随机信息未填充空间，使图像以固定尺寸矩阵的形式进行传递，其中S₁、S₂的大小为：

然后，伪随机种子作为密钥K_en1生成序列(r₁,...,r_ab*(8-m))对将填充后高有效位空间进行异或加密得到高有效位密文。

7.根据权利要求1所述的一种基于纠错冗余的密文域可逆信息隐藏方法，其特征在于，步骤S3具体为：首先，将高有效位中的扩展密文与低有效位密文合并，以n为单位进行分组；

然后，对于每组密文数组利用McEliece私钥中的可逆矩阵S、置换矩阵P以及检验码C进行纠错解密，得到以k为分组单位的低有效位明文信息。

8.根据权利要求1所述的一种基于纠错冗余的密文域可逆信息隐藏方法，其特征在于，解密提取过程进行时首先要在进行位平面分割之前获取辅助信息；

辅助信息包括：辅助信息A的长度

位平面分割参数m(3bit)，McEliece构造参数

低有效加密轮数w，高有效压缩编码长度

霍夫曼概率字典长度

秘密信息长度

以及霍夫曼概率字典Dicbit。

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