CN112308756B - 一种加密jpeg图像的可逆信息隐藏方法 - Google Patents

一种加密jpeg图像的可逆信息隐藏方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种加密JPEG图像的可逆信息隐藏方法，涉及多媒体信息安全的技术领域，解决了当前对加密JPEG图像可逆信息隐藏的研究未兼顾隐私安全和信息嵌入前后文件大小维持度的问题，首先根据JPEG图像的ZRV值对，分离出待嵌入额外信息的块，从块中再随机挑选出m×n个块，并将挑选出的m×n个块进行置乱，更改了原JPEG的结构，然后进行格式兼容加密，充分利用其头部的APPn字段文件数据部分，降低了边信息泄露的风险，而且在额外信息嵌入后，进行信息提取和图像恢复操作，一方面保证了图片拥有者的信息安全，另一方面控制了文件大小的增长，使文件大小不受嵌入的数据大小的影响。

Description

一种加密JPEG图像的可逆信息隐藏方法
技术领域
本发明涉及多媒体信息安全的技术领域，更具体地，涉及一种加密JPEG图像的可逆信息隐藏方法。
背景技术
近年来，随着多媒体行业的发展，图像处理技术广泛的应用在人们平时的日常生活中，与此同时，人们对于图像内容的隐私保护越来越重视，此外，人们对图片传输的速度也越来越重视，尤其是需要传输大量图片时，由于带宽有限，如果不对原图进行一定处理，传输起来将耗费大量的带宽和时间。
JPEG作为一种能够对图像进行压缩从而减小其大小，节省带宽并提高传输速度的同时，还能够保持高质量的图像格式，在最近几年已经受到各个行业的热捧，尤其在可逆信息隐藏这个方向，JPEG受到了极大的重视。然而，对JPEG图像的信息嵌入而言，大部分的工作和方法主要都是针对未加密的JPEG图像，从安全性的角度考虑，存在着隐私泄露的风险，JPEG图像拥有方的信息会遭到泄露。
当前对加密JPEG图像可逆信息隐藏的研究越来越深入，而且较多着眼于隐私安全性的保障，如2019年1月4日公布的中国专利(公开号：CN109151486A)中公开了一种大容量的JPEG图像比特流加密域可逆数据隐藏方法，用户根据密钥对每个图像块中所有熵编码的扩展位异或加密，然后进行伪随机置乱操作，云端通过隐藏密钥对比特流密文中的交流系数进行直方图平移嵌入额外信息，并进行无损提取，然后接收者再进行伪随机置乱恢复，隐写嵌入能力强，并能在一定程度上保障了安全隐私性，但该方法未考虑JPEG图像边信息的泄露风险，也没有考虑嵌入额外信息前后文件大小的变化，不利于实际应用拓展和空间节省。
发明内容
为解决当前对加密JPEG图像可逆信息隐藏的研究未兼顾隐私安全和信息嵌入前后文件大小维持度的问题，本发明提出一种加密JPEG图像的可逆信息隐藏方法，提高加密安全性，在保证敏感信息不泄露的情况下，保持原JPEG图像的大小，更适应于实际应用拓展和空间节省。
为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：
一种加密JPEG图像的可逆信息隐藏方法，包括：
S1.图像拥有者根据JPEG图像的ZRV值对(ZR，VLI)，分离出待嵌入额外信息的块BM和块BO，从块BM和块BO中分别随机挑选出m×n个块，并将挑选出的m×n个块进行置乱；
S2.将m×n个块中每一个块ZRV值对的VLI部分加密，作为JPEG图像数据部分；
S3.将除m×n个块之外剩余块的二进制流Bstream加密，并将加密后的二进制流Bstream及最后一位块BM的位置LM加入JPEG图像头部的APPn字段，与步骤S2所得的JPEG数据部分组成加密JPEG图像；
S4.信息嵌入者在加密JPEG图像的JPEG数据部分进行额外信息的嵌入，得到嵌入数据的加密JPEG图像；
S5.信息提取者获得步骤S4所述嵌入数据的加密JPEG图像，进行信息提取后将加密JPEG图像还原至额外信息嵌入前的状态；
S6.将还原至额外信息嵌入前状态的加密JPEG图像进行解密，恢复JPEG图像。
在本技术方案中，JPEG编码中每个块会被编码成连续的ZRV值对，即zero-run-value，value将使用JPEG规定的VLI编码，Zero-run即为连续0的个数首先根据JPEG图像的ZRV值对(ZR，VLI)，分离出待嵌入额外信息的块BM和块BO，从块BM和块BO中分别随机挑选出m×n个块，并将挑选出的m×n个块进行置乱，更改了原JPEG的结构，然后进行格式兼容加密，剩余块加密后放入APPn字段文件部分，在此前提下，不仅充分利用其头部的APPn字段文件部分，降低了边信息泄露的风险，而且在额外信息嵌入后，进行信息提取和图像恢复操作，一方面保证了图片拥有者的信息安全，另一方面控制了文件大小的增长，使文件大小不受嵌入的数据大小的影响。
优选地，步骤S1所述待嵌入额外信息的块BM满足：ZRV值对中存在(0，1)的ZRV值对，但不存在(0，2)的ZRV值对，设块BM结尾0的数量为w，ZRV值对为(0，1)的数量为r，w≥r。
优选地，步骤S1所述待嵌入额外信息的块BO满足：
设块BO的ZRV值对表示为:{(ZR1,VLI1)，(ZR2，VLI2)，…，(ZRk-1，VLIk-1)，(ZRk，VLIk)}，其中，k≥4，且ZRk大于ZR1～ZRk-1中任何一个ZR位的值。
优选地，步骤S2中采用RC4加密算法对VLI部分进行异或加密，过程为：
随机生成长度为128位的密钥E1，基于RC4加密算法，密钥E1产生一串密钥流S，密钥流S与m×n块中每个ZRV值对的VLI部分进行异或运算，得到加密后的VLI部分，保证了图片拥有方的信息安全。
优选地，步骤S3中采用RC4加密算法对二进制流Bstream进行异或加密。
优选地，步骤S4所述额外信息的嵌入过程为：
S41.设块BM为二进制数据嵌入块，从待嵌入的二进制数据中选择一个J位，判断J位是否为0，若是，保持ZRV值对不变，否则，将BM块中ZRV值对的(0，1)映射到(0，2)，并从APPn字段中的数据部分取出一位补至VLI的末尾端，直至BM块嵌入完毕；
S42.判断是否还存在待嵌入的二进制数据，若是，每次取出两位二进制待嵌入数据Data_bin嵌入块BO，否则，结束；通过以上嵌入过程的处理，保证了JPEG图像格式的兼容性。
优选地，步骤S42中每次选择两位每次取出两位二进制数据嵌入块BO的具体过程为：
将取出的两位二进制待嵌入数据Data_bin转化为十进制数据Data_dec，将块BO中的第一ZRV值对(ZR1,VLI1)、第二ZRV值对(ZR2，VLI2)、第三ZRV值对(ZR3，VLI3)及第mZRV值对(ZRm,VLIm)右移Data_dec。
上述过程包括了额外信息嵌入块BM及块BO，以及将JPEG图像头部的APPn字段中的数据部分数据修改，确保编码与解码的匹配，保障解码的正确性。
优选地，步骤S5所述信息提取的过程包括从块BM中提取嵌入数据，步骤为：
S51.从JPEG图像头部的APPn字段提取出LM，确定块BM结束的位置；
S52.在位置LM之前，从第1-L的块BM中提取嵌入数据：
判断ZRV值对是否为(0，2)，若是，提取嵌入数据为1，并将ZRV值对(0，2)替换为(0，1)，VLI字段的最后一位提取放回JPEG头部APPn字段；否则，ZRV值对为(0，1)，提取数据为0。
优选地，步骤S5所述信息提取的过程还包括从块BO中提取嵌入数据，步骤为：
S501.获取块BO中的第一ZRV值对(ZR1,VLI1)、第二ZRV值对(ZR2，VLI2)、第三ZRV值对(ZR3，VLI3)及第mZRV值对(ZRm,VLIm)及ZR最大的ZRV值对的位置I；
S502.基于(4-I)mod4计算出十进制嵌入数据；
S503.将十进制嵌入数据转化为二进制嵌入数据。
上述过程包括了提取嵌入信息及恢复JPEG头部APPn字段数据部分。
优选地，步骤S6所述将还原至额外信息嵌入前状态的加密JPEG图像进行解密，恢复JPEG图像的过程为：
S61.提取JPEG图像头部的APPn字段全部数据；
S62.利用密钥流S解密APPn字段全部数据及块BM的VLI部分、块BO的VLI部分；
S63.将所有块恢复至在原JPEG图像压缩数据段中的位置，得到恢复后的JPEG图像。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明提出一种加密JPEG图像的可逆信息隐藏方法，首先根据JPEG图像的ZRV值对，分离出待嵌入额外信息的块BM和块BO，从块BM和块BO中分别随机挑选出m×n个块，并将挑选出的m×n个块进行置乱，更改了原JPEG的结构，然后进行格式兼容加密，剩余块加密后放入APPn字段文件部分，在此前提下，不仅充分利用了其头部的APPn字段文件数据部分，降低了边信息泄露的风险，而且在额外信息嵌入后，进行信息提取和图像恢复操作，一方面保证了图片拥有者的信息安全，另一方面控制了文件大小的增长，使文件大小不受嵌入的数据大小的影响。
附图说明
图1表示本发明实施例中提出的加密JPEG图像的可逆信息隐藏方法的流程示意图；
图2表示本发明实施例中提出的JPEG图像文件的格式示意图；
图3表示本发明实施例中提出的经过步骤S2与步骤S3加密过程后的JPEG图像格式示意图。
图4表示利用本发明所提方法进行图像加密并恢复的实验效果示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好地说明本实施例，附图某些部位会有省略、放大或缩小，并不代表实际尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知内容说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图1所示的加密JPEG图像的可逆信息隐藏方法的流程图，参见图1，所述加密JPEG图像的可逆信息隐藏方法的步骤包括：
S1.图像拥有者根据JPEG图像的ZRV值对(ZR，VLI)，分离出待嵌入额外信息的块BM和块BO，从块BM和块BO中分别随机挑选出m×n个块，并将挑选出的m×n个块进行置乱；在本实施例中，JPEG图像的ZRV值对(ZR，VLI)基于图2所示的JPEG图像文件的格式图，参见图2，JPEG图像的数据部分包括DC Huffman code、DC VLI code、AC Huffman code及AC VLIcode，JPEG图像文件的头文件部分包括：APPo、APPn、DQT、SOFO、DHT及SOS段，此时m×n代表着一个合适的维度。
S2.将m×n个块中每一个块ZRV值对的VLI部分加密，作为JPEG图像数据部分；本实施例中，采用RC4加密算法进行异或加密，随机生成长度为128位的密钥E1，基于RC4加密算法，密钥E1产生一串密钥流S，密钥流S与m×n块中每个ZRV值对的VLI部分进行异或运算，得到加密后的VLI部分，保证了图片拥有方的信息安全。
S3.将除m×n个块之外剩余块的二进制流Bstream加密，并将加密后的二进制流Bstream及最后一位块BM的位置LM加入JPEG图像头部的APPn字段，与步骤S2所得的JPEG数据部分组成加密JPEG图像，在本实施例中，也使用RC4加密算法进行异或加密，综合步骤S2与步骤S3后得到的JPEG图像如图3所示。
S4.信息嵌入者在加密JPEG图像的JPEG数据部分进行额外信息的嵌入，得到嵌入数据的加密JPEG图像；
S5.信息提取者获得步骤S4所述嵌入数据的加密JPEG图像，进行信息提取后将加密JPEG图像还原至额外信息嵌入前的状态；
S6.将还原至额外信息嵌入前状态的加密JPEG图像进行解密，恢复JPEG图像。
具体的，步骤S1所述待嵌入额外信息的块BM满足：ZRV值对中存在(0，1)的ZRV值对，但不存在(0，2)的ZRV值对，设块BM结尾0的数量为w，ZRV值对为(0，1)的数量为r，w≥r；块BO满足：
设块BO的ZRV值对表示为:{(ZR1,VLI1)，(ZR2，VLI2)，…，(ZRk-1，VLIk-1)，(ZRk，VLIk)}，其中，k≥4，且ZRk大于ZR1～ZRk-1中任何一个ZR位的值。例如，一张JPEG图像的某个块共有4个ZRV值对，格式为(ZR,VLI)，{(0，1)，(0，2)，(0，3)，(1，4)}，那么这个块就是满足BO条件的块，因为最后一对ZRV对的ZR位为1，大于前3对的ZR位。
步骤S4中额外信息的嵌入过程为：
S41.设块BM为二进制数据嵌入块，从待嵌入的二进制数据中选择一个J位，判断J位是否为0，若是，保持ZRV值对不变，否则，将BM块中ZRV值对的(0，1)映射到(0，2)，并从APPn字段中的数据部分取出一位补至VLI的末尾端，直至BM块嵌入完毕；
S42.判断是否还存在待嵌入的二进制数据，若是，每次取出两位二进制待嵌入数据Data_bin嵌入块BO，否则，结束；通过以上嵌入过程的处理，保证了JPEG图像格式的兼容性；例如，嵌入1位‘1’之后，ZRV值对(0，1)转为(0，2)，此时VLI的编码增加了一位，为了保证解码正确性，需要补齐这一位，所以从APPn头部数据字段取出一位补在VLI末尾端，每次选择两位每次取出两位二进制数据嵌入块BO的具体过程为：
将取出的两位二进制待嵌入数据Data_bin转化为十进制数据Data_dec，将块BO中的第一ZRV值对(ZR1,VLI1)、第二ZRV值对(ZR2，VLI2)、第三ZRV值对(ZR3，VLI3)及第mZRV值对(ZRm,VLIm)右移Data_dec，假设将要嵌入的数据是Data_bin是‘11’，转换为十进制Data_dec为3，块BO的第1，2，3以及最后一对非0ZRV值对为{(0，1)，(0，2)，(0，3)，(1，4)}，那么右移Data_dec次，也就是3次后得到{(0，2)，(0，3)，(1，4)，(0，1)}。
步骤S5所述信息提取的过程包括从块BM中提取嵌入数据，步骤为：
S51.从JPEG图像头部的APPn字段提取出LM，确定块BM结束的位置；
S52.在位置LM之前，从第1-L的块BM中提取嵌入数据：
判断ZRV值对是否为(0，2)，若是，提取嵌入数据为1，并将ZRV值对(0，2)替换为(0，1)，VLI字段的最后一位提取放回JPEG头部APPn字段；否则，ZRV值对为(0，1)，提取数据为0。信息提取的过程还包括从块BO中提取嵌入数据，步骤为：
S501.获取块BO中的第一ZRV值对(ZR1,VLI1)、第二ZRV值对(ZR2，VLI2)、第三ZRV值对(ZR3，VLI3)及第mZRV值对(ZRm,VLIm)及ZR最大的ZRV值对的位置I；
S502.基于(4-I)mod4计算出十进制嵌入数据；
S503.将十进制嵌入数据转化为二进制嵌入数据。
上述过程包括了提取嵌入信息及恢复JPEG头部APPn字段数据部分，步骤S6所述将还原至额外信息嵌入前状态的加密JPEG图像进行解密，恢复JPEG图像的过程为：
S61.提取JPEG图像头部的APPn字段全部数据；
S62.利用密钥流S解密APPn字段全部数据及块BM的VLI部分、块BO的VLI部分；
S63.将所有块恢复至在原JPEG图像压缩数据段中的位置，得到恢复后的JPEG图像。
为进一步验证本发明所提方法的有效性，以图4所示的512×512的JPEG图像为例进行说明，图4中从左至右依次是：原JPEG图像、加密后的JPEG图像、嵌入额外信息后的JPEG图像及最终恢复的JPEG图像，通过图4可以看出，本发明所提方法很好地保护图像内容，并且恢复原图像。
通过峰值信噪比PSNR衡量解密后的图片与原图的差距，即失真度，结果如表1所示。
表1
图像名 指标 值
Baboon PSNR ∞
Boat PSNR ∞
一般而言，PSNR高于40dB说明图像质量极好(即非常接近原始图像)，在30—40dB通常表示图像质量是好的(即失真可以察觉但可以接受)，在20—30dB说明图像质量差,低于20dB说明图像不可接受。显然可以看出，本发明能够使得最后恢复的图像与原JPEG图像完全一致。进一步得出加密之后的嵌入能力如表2所示。
表2
图像名 指标 值
Baboon Capacity 5608
Boat Capacity 6141
表3中Capacity是代表图片可嵌入信息的能力，单位是bit，是一种评价方法可嵌入的能力的客观标准，通常加密图片的嵌入能力都在1000-3000bit之间，而我们的方法已经高于5000，说明嵌入能力有非常大的提升。
嵌入额外信息后的文件大小改变结果如表3所示。
表3
图像名 指标 值
Baboon FSI 0.0005
Boat FSI 0.001
表3中FSI是File Size Increments的缩写，代表了加密且嵌入额外信息后文件增长的比率，是一种评价嵌入后图片质量的客观标准。目前的方法在嵌入信息后的文件比率增长通常在0.1左右，而本发明所提出的方法基本能保证图片增长比率低于0.002。
附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；显然，本发明的上述实施例仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种加密JPEG图像的可逆信息隐藏方法，其特征在于，包括：
S1.图像拥有者根据JPEG图像的ZRV值对(ZR，VLI)，分离出待嵌入额外信息的块BM和块BO，从块BM和块BO中分别随机挑选出m×n个块，并将挑选出的m×n个块进行置乱；
S2.将m×n个块中每一个块ZRV值对的VLI部分加密，作为JPEG图像数据部分；
S3.将除m×n个块之外剩余块的二进制流Bstream加密，并将加密后的二进制流Bstream及最后一位块BM的位置LM加入JPEG图像头部的APPn字段，与步骤S2所得的JPEG数据部分组成加密JPEG图像；
S4.信息嵌入者在加密JPEG图像的JPEG数据部分进行额外信息的嵌入，得到嵌入数据的加密JPEG图像；
S5.信息提取者获得步骤S4所述嵌入数据的加密JPEG图像，进行信息提取后将加密JPEG图像还原至额外信息嵌入前的状态；
S6.将还原至额外信息嵌入前状态的加密JPEG图像进行解密，恢复JPEG图像。
2.根据权利要求1所述的加密JPEG图像的可逆信息隐藏方法，其特征在于，步骤S1所述待嵌入额外信息的块BM满足：ZRV值对中存在(0，1)的ZRV值对，但不存在(0，2)的ZRV值对，设块BM结尾0的数量为w，ZRV值对为(0，1)的数量为r，w≥r。
3.根据权利要求2所述的加密JPEG图像的可逆信息隐藏方法，其特征在于，步骤S1所述待嵌入额外信息的待嵌入额外信息的块BO满足：
设块BO的ZRV值对表示为:{(ZR1,VLI1)，(ZR2，VLI2)，…，(ZRk-1，VLIk-1)，(ZRk，VLIk)}，其中，k≥4，且ZRk大于ZR1～ZRk-1中任何一个ZR位的值。
4.根据权利要求3所述的加密JPEG图像的可逆信息隐藏方法，其特征在于，步骤S2中采用RC4加密算法对VLI部分进行异或加密，过程为：
随机生成长度为128位的密钥E1，基于RC4加密算法，利用密钥E1生成一串密钥流S，密钥流S与m×n块中每个ZRV值对的VLI部分进行异或运算，得到加密后的VLI部分。
5.根据权利要求1所述的加密JPEG图像的可逆信息隐藏方法，其特征在于，步骤S3中采用RC4加密算法对二进制流Bstream进行异或加密。
6.根据权利要求4所述的加密JPEG图像的可逆信息隐藏方法，其特征在于，步骤S4所述额外信息的嵌入过程为：
S41.设块BM为二进制数据嵌入块，从待嵌入的二进制数据中选择一个J位，判断J位是否为0，若是，保持ZRV值对不变，否则，将BM块中ZRV值对的(0，1)映射到(0，2)，并从APPn字段中的数据部分取出一位补至VLI的末尾端，直至BM块嵌入完毕；
S42.判断是否还存在待嵌入的二进制数据，若是，每次取出两位二进制待嵌入数据Data_bin嵌入块BO，否则，结束。
7.根据权利要求6所述的加密JPEG图像的可逆信息隐藏方法，其特征在于，步骤S42中每次选择两位每次取出两位二进制数据嵌入块BO的具体过程为：
将取出的两位二进制待嵌入数据Data_bin转化为十进制数据Data_dec，将块BO中的第一ZRV值对(ZR1,VLI1)、第二ZRV值对(ZR2，VLI2)、第三ZRV值对(ZR3，VLI3)及第mZRV值对(ZRm,VLIm)右移Data_dec。
8.根据权利要求7所述的加密JPEG图像的可逆信息隐藏方法，其特征在于，步骤S5所述信息提取的过程包括从块BM中提取嵌入数据，步骤为：
S51.从JPEG图像头部的APPn字段提取出LM，确定块BM结束的位置；
S52.在位置LM之前，从第1-L的块BM中提取嵌入数据：
判断ZRV值对是否为(0，2)，若是，提取嵌入数据为1，并将ZRV值对(0，2)替换为(0，1)，VLI字段的最后一位提取放回JPEG头部APPn字段；否则，ZRV值对为(0，1)，提取数据为0。
9.根据权利要求8所述的加密JPEG图像的可逆信息隐藏方法，其特征在于，步骤S5所述信息提取的过程还包括从块BO中提取嵌入数据，步骤为：
S501.获取块BO中的第一ZRV值对(ZR1,VLI1)、第二ZRV值对(ZR2，VLI2)、第三ZRV值对(ZR3，VLI3)及第mZRV值对(ZRm,VLIm)及ZR最大的ZRV值对的位置I；
S502.基于(4-I)mod4计算出十进制嵌入数据；
S503.将十进制嵌入数据转化为二进制嵌入数据。
10.根据权利要求9所述的加密JPEG图像的可逆信息隐藏方法，其特征在于，步骤S6所述将还原至额外信息嵌入前状态的加密JPEG图像进行解密，恢复JPEG图像的过程为：
S61.提取JPEG图像头部的APPn字段全部数据；
S62.利用密钥流S解密APPn字段全部数据及块BM的VLI部分、块BO的VLI部分；
S63.将所有块恢复至在原JPEG图像压缩数据段中的位置，得到恢复后的JPEG图像。
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