CN112311954A - 一种基于补码标记与位图嵌入的密文域可逆信息隐藏方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于补码标记与位图嵌入的密文域可逆信息隐藏方法，包括步骤：S1.图像拥有者对原始图像进行预测误差检测，得到像素的预测误差，并判断像素的预测误差是否可用选定位数的二进制补码表示，若是，则生成误差对应的二进制补码；若否，则将像素的位置记录于位图中；然后，通过补码标记以及位图嵌入的方法在原始图像中扩展出数据嵌入空间，得到标记图像；最后，对标记图像进行图像加密操作生成密文标记图像；S2.数据隐藏者接收密文标记图像，提取图像中的嵌入参数，并根据参数向数据嵌入空间藏入秘密数据，得到载密密文图像；S3.接收者接收载密密文图像，根据自身拥有的不同密钥恢复秘密数据或者重建原始图像。
Description
技术领域
本发明涉及图像加密技术领域，尤其涉及一种基于补码标记与位图嵌入的密文域可逆信息隐藏方法。
背景技术
随着云计算技术的快速发展，使用云端存储图像成为企业和个人的普遍选择。云计算在方便用户的同时，也造成了图像的版权争议和隐私泄漏等问题。因此，越来越多的用户选择对图像加密之后再上传到云端，以保护图像安全。但是，海量的加密图像，造成了云端检索困难与无法认证等问题。
密文域可逆数据隐藏(Reversible Data Hiding in Encrypted Image,RDHEI)结合了图像加密与可逆数据隐藏(Reversible Data Hiding,RDH)的优点，不仅在保护图像内容的同时实现了数据隐藏，而且原始图像在解密后能无损恢复。因此，RDHEI引起了越来越多的学者的注意。现阶段，研究人员提出的RDHEI方法大致可以分为两类：一类是加密后生成嵌入空间(Vacating Room after Encryption,VRAE)，另一类是加密前保留嵌入空间(Reserving Room before Encryption,RRBE)。VRAE方法采用某种特定的加密算法对原始图像进行加密，同时保留加密图像中的空间冗余，以便可以将其用于数据嵌入。而RRBE方法则是利用原始图像的空间冗余，在图像加密之前保留空间，然后再将保留的空间嵌入到加密图像中，以达到目的。
2008年，Puech等人提出了第一个VRAE方法。他们首先使用高级加密标准(Advanced Encryption Standard)方案对原始图像进行加密，将秘密数据嵌入到每个像素块中随机选择的位置。对于接收者，则通过局部标准差分析来恢复原始图像。Zhang使用异或操作对原始图像进行加密。将加密图像划分为块，并将每个块划分为两组。在每一组中，每个像素的三个最低有效位被压缩以保留空间，以容纳其他数据。在解密阶段，则通过分析块平滑度来恢复原始图像或提取秘密数据。Hong等人则通过使用边匹配技术和平滑度评估公式，改进了Zhang的方法。
2013年，Ma等人首先提出了RRBE方法，该方法通过对原始图像进行预处理，将扩展的空间保留在加密图像中，以实现秘密数据的嵌入。随后，Zhang等人提出了一种基于像素预测的加密图像信息隐藏方案，该方案通过通过修改预测误差来嵌入秘密数据。Xu和Wang设计了一种特定的加密模式来加密非样本像素的误差以扩展嵌入空间。Huang等人提出了一种新的简单有效的密文域可逆数据隐藏框架。在该框架中，原始图像通过像素的块置换和流密码加密生成加密图像，再通过传统的RDH方法嵌入秘密数据。与VRAE方法相比，RRBE利用像素间的相关性实现了更高的嵌入量。2018年，Yi等人提出了一种新的参数二叉树标记方案。在该方案中，首先通过参数和二叉树生成两组不同的二进制编码集合G1和G2。然后通过预测误差将像素分为两类。其中，G1中的编码用于标识无法嵌入数据的像素；G2中的编码则可以标识可嵌入数据的像素并且表示像素的预测误差。该方案较显著地提高了嵌入容量。然而，Yi等人的方案并没有充分利用预测误差，并且在该方案中，数据拥有者泄露了太多的参数给数据隐藏者。为了解决这些问题，本发明提出一种基于补码标记与位图嵌入的密文域可逆信息隐藏方法，本发明在能无损恢复载体图像和秘密数据的同时，具有更高嵌入率以及更高的安全性。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种基于补码标记与位图嵌入的密文域可逆信息隐藏方法，本发明不仅可以无损恢复秘密数据和原始载体图像，还具有较高的嵌入容量和安全性。
为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于补码标记与位图嵌入的密文域可逆信息隐藏方法，包括步骤：
S1.图像拥有者对原始图像进行预测误差检测，得到像素的预测误差，并判断像素的预测误差是否可用选定位数的二进制补码表示，若是，则生成误差对应的二进制补码；若否，则将像素的位置记录于位图中；然后，通过补码标记以及位图嵌入的方法在原始图像中扩展出数据嵌入空间，得到标记图像；最后，对标记图像进行图像加密操作得到密文标记图像；
S2.数据隐藏者接收密文标记图像，提取图像中的嵌入参数，并根据参数向数据嵌入空间藏入秘密数据，得到载密密文图像；
S3.接收者接收载密密文图像，根据自身拥有的不同密钥恢复秘密数据或者重建原始图像。
进一步的，所述步骤S1中对原始图像进行预测误差检测，具体为：
图像拥有者根据像素预测算法，例如中值边缘预测器，计算原始图像的每个像素原值p(i,j)的预测值px(i,j)，其中第一行与第一列的像素作为参考像素；然后，通过像素原值p(i,j)和预测值px(i,j)计算像素的预测误差d(i,j)。
计算像素的预测误差d(i,j)表示为：
d(i,j)＝px(i,j)-p(i,j),(1≤i<x,1≤j<y)
其中，x×y表示原始图像的大小；参考像素对应的误差记为0。
进一步的，所述步骤S1中生成预测误差对应的二进制补码具体为：
设置补码参数α(1≤α≤7)，得到α位二进制补码集合Cα和补码集合Cα能表示的有符号数的区间[d-,d+]∈Dα，其中d-,d+表示最小和最大的有符号数；根据Dα，将除参考像素外的像素分为两类，G1表示预测误差d(i,j)属于Dα的像素；G2表示预测误差d(i,j)超出区间的像素。
进一步的，所述步骤S1中将像素的类别记录于位图中，其中位图的生成方式具体为：
生成一个大小为x×y，初始值m(i,j)(0≤i<x,0≤j<y)全为0的位图M；再采用从左到右、从上到下的方式扫描原始图像；对于第i行第j列的像素，若像素属于G2，则将m(i,j)设置为1。
进一步的，所述步骤S1中补码标记具体为：
采用从上到下、从左到右的方式逐个读取原始图像中除参考像素外的像素，若像素属于G1，将像素的预测误差转换为α位二进制补码，再通过最低有效位替代的方式将补码写入到像素中；若像素属于G2，则保持像素不变。最后，得到标记图像，Ic。
进一步的，所述步骤S1中位图嵌入的方法具体包括：
A1.使用压缩方法，例如游程编码，对位图进行压缩，得到一个长度为LM的比特序列BM；
A2.提取所有属于G2的像素的(8-α)位最高有效位，得到长度为LG的比特序列BG；
A3.在标记图像的参考像素中，使用固定长度的比特作为参数区域保存补码参数α，位置参数PB以及长度参数LM，其中PB表示序列嵌入区域结束的坐标，其初值设为(0,0)；并且将被替代的参考像素的比特保存为比特序列Br，；
A4.除参考像素外，图像拥有者按从上到下、从左到右的方式扫描图像Ic，将BM，BG和Br按顺序通过最高有效位替代方式嵌入到每一个像素的高(8-α)位。序列嵌入完成后，获得序列嵌入区域最后一个像素的坐标(i,j)，并将PB的值更新为该(i,j)。最后，得到标记图像，Icm。
进一步的，所述步骤S1中对标记图像进行图像加密具体包括：
B1.通过加密密钥Ke生成大小为x×y，值为[0,255]的伪随机矩阵R；将矩阵值r(i,j)(0≤i<x,0≤j<y)转换为8比特的加密二进制序列，加密二进制序列中从低位到高位的比特r(i,j)k,(k＝1,2,3,…,8)表示为：
B2.将标记图像的像素p(i,j)(0≤i<x,0≤j<y)按步骤B1中的方式转化为二进制序列，并且用p(i,j)k(k＝1,2,3,…,8)表示序列中从低位到高位的比特；
B3.除参数区域的比特外，将标记图像的像素以二进制序列的形式逐个与加密二进制序列进行异或操作，得到密文二进制序列，其比特从高到低表示为e(i,j)k：
e(i,j)k＝p(i,j)k XOR r(i,j)k(0≤i<x,0≤j<y,k＝8,7,6,…,1)
其中，XOR表示异或操作；
B4.将密文二进制序列e(i,j)k(0≤i<x,0≤j<y,k＝8,7,6,…,1)转换为范围为[0,255]的加密像素e(i,j)，表示为：
最后，得到密文标记图像，Ie。
进一步的，所述步骤S2具体包括：
S21.数据隐藏者通过密钥Kd对明文数据进行加密操作，得到秘密数据二进制序列；
S22.从接收的密文标记图像的参数区域，提取出补码参数α和位置参数PB；
S23.根据获得的参数，从图像中坐标为PB的像素开始从左到右、从上到下扫描图像，并通过(8-α)位最高有效位替代的方式，向除参考像素外的像素嵌入秘密数据序列，从而得到载密密文图像IS。
进一步的，所述步骤S3中恢复秘密数据具体包括：
C1.接收者从载密密文图像的参数区域，提取出补码参数α和位置参数PB；
C2.从图像中坐标为PB的像素开始，按从左到右、从上到下的方式扫描图像，并提取除参考像素外的其余像素的(8-α)位最高有效位，从而得到秘密数据序列；
C3.通过密钥Kd将秘密数据二进制序列解密，得到明文数据。
进一步的，所述步骤S3中重建原始图像具体为：
D1.接收者从载密密文图像的参数区域，提取出补码参数α，位置参数PB以及长度参数LM；
D2.使用密钥Ke对载密密文图像解密，获得标记图像，Icm；
D3.根据获取的参数α和PB，从左到右、从上到下扫描标记图像，提取除参考像素外的所有像素的(8-α)位最高有效位，直到坐标PB，并得到比特序列B；
D4.根据长度参数LM以及定长的参数区域的长度，将序列B分解成压缩位图序列BM，G2的最高有效位序列BG和参数序列Br；
D5.将BM解压缩，还原位图M；
D6.将Br恢复到参数区域；并根据位图M，将BG按顺序逐个恢复到标记图像中G2的(8-α)位最高有效位；
D7.从左到右、从上到下扫描标记图像，使用像素预测方法对像素进行预测；若位图M的数值为0，则提取像素中嵌入的α位二进制补码，并通过该补码表示的预测误差与当前预测值计算得到原始的像素；若位图的值为1，则该标记对应像素即为原始图像像素。最后，无损恢复原始载体图像。
与现有技术相比，本发明不仅可以无损恢复秘密数据和载体图像，而且保证了更高的安全性和更高的嵌入率。
附图说明
图1是实施例一提供的一种基于补码标记与位图嵌入的密文域可逆信息隐藏方法流程图；
图2是实施例一提供的基于补码标记与位图嵌入的密文域可逆信息隐藏方法框架示意图；
图3是实施例一提供MED原理示意图；
图4是实施例一提供位图生成示意图；
图5是实施例一提供最低有效位替代示意图；
图6是实施例一提供像素标记示意图；
图7是实施例一提供带补码标记的图像示意图；
图8是实施例一提供标记密文图像示意图；
图9是实施例二提供标准测试图像示意图；
图10是实施例二提供的方案对比结果示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了种基于补码标记与位图嵌入的密文域可逆信息隐藏方法。
实施例一
本实施例提供一种基于补码标记与位图嵌入的密文域可逆信息隐藏方法，如图1所示，包括步骤：
S1.图像拥有者对原始图像进行预测误差检测，得到像素的预测误差，并判断像素的预测误差是否可用选定位数的二进制补码表示，若是，则生成预测误差对应的二进制补码；若否，则将像素的位置记录于位图中；然后，通过补码标记以及位图嵌入的方法在原始图像中扩展出数据嵌入空间，得到标记图像；最后，对标记图像进行图像加密操作得到密文标记图像；
S2.数据隐藏者接收密文标记图像，提取图像中的嵌入参数，并根据参数向数据嵌入空间藏入秘密数据，得到载密密文图像；
S3.接收者接收载密密文图像，根据自身拥有的不同密钥恢复秘密数据或者重建原始图像。
在本实施例中，如图2所示，密文域可逆信息隐藏方案主要涉及三个参与者：图像拥有者，数据隐藏者和接收者。图像拥有者通过补码标记以及位图嵌入的方法在原始图像中扩展出数据嵌入空间，从而得到标记图像。然后，对标记图像加密以保护图像内容，生成密文标记图像。数据隐藏者收到密文标记图像之后，根据图像中的参数将秘密数据嵌入到扩展的空间中，从而生成载密密文图像。接收者则可以根据所拥有的不同密钥，无损地恢复秘密数据或者重建原始图像。
在步骤S1中，图像拥有者对原始图像进行预测误差检测，得到像素的预测误差，并判断像素的预测误差是否可用选定位数的二进制补码表示，若是，则生成预测误差对应的二进制补码；若否，则将像素的位置记录于位图中；然后，通过补码标记以及位图嵌入的方法在原始图像中扩展出数据嵌入空间，得到标记图像；最后，对标记图像进行图像加密操作得到密文标记图像。
在步骤S1中，原始图像进行误差预测具体为：
考虑一个图像大小为x×y，值为[0,255]的灰度图像，记为I。记位置为(i,j)的像素为p(i,j)。然后，图像拥有者使用中值边缘检测器对图像进行预测；除第一行与第一列的参考像素外，图像拥有者按从左到右、从上到下的方式扫描原始图像，并计算原始图像的像素p(i,j)的预测值px(i,j)。
像素预测的原理如图3所示，其中p1，p2和p3分别是像素x的相邻像素。x的预测值px的算公式如下：
按照以上步骤，图像拥有者获得了除参考像素外的像素的预测值px(i,j)。
然后，图像拥有者根据像素原值与预测值，计算出像素的预测误差d(i,j)，计算公式如式(2)所示。注意，因为不需要对参考像素进行预测，所以参考像素的预测误差为0。
d(i,j)＝px(i,j)-p(i,j) (1≤i<x,1≤j<y) (2)
在步骤S1中生成预测误差对应的二进制补码具体为：
由于自然图像像素间的强相关性，所以预测误差值往往是在数值0附近浮动的正负数。根据这一特点，可以利用二进制补码来表示预测误差。
首先，图像拥有者根据预测误差的分布，选定一个参数α(1≤α≤7)作为补码参数。该补码参数决定了方法中使用的二进制补码的位数。例如，当α＝3时，表示使用3比特来表示补码。
补码参数设置完成后，得到α位二进制补码集合Cα和补码集合Cα表示的有符号数的区间Dα，如下表1所示：
| 参数α | 补码集合C<sub>α</sub> | 范围D<sub>α</sub> |
| 1 | 1,0 | [-1,0] |
| 2 | 10,11,00,01 | [-2,1] |
| 3 | 111,110,100,000,001,010,011 | [-4,3] |
| 4 | 1000,1001,…,000,…,0110,0111 | [-8,7] |
| 5 | 10000,10001,…,01110,01111 | [-16,15] |
| 6 | 100000,100001,…,011110,011111 | [-64,63] |
| 7 | 1000000,1000001,…,0111110,0111111 | [-128,127] |
表1补码参数、补码集合和数值范围的关系
为了更好说明，用d-表示区间的最小负数，d+表示区间的最大正数。因此，在参数α下，Cα能表示的预测误差范围为[d-,d+]∈Dα。
通过Dα，图像拥有者将原始图像中的除参考像素外的像素分为两类：G1和G2。其中，G1表示的是预测误差d(i,j)属于Dα的像素，而G2表示预测误差d(i,j)超出区间的像素。
对于属于G1的像素，其预测误差用α位二进制补码表示。在图像恢复阶段，像素原值可以通过预测值与α位二进制补码还原。也就是说，对于一个8比特的像素，如果二进制补码的位数α小于8，那么剩余(8-α)位可用来嵌入数据。因此，属于G1的像素，单个像素扩展的嵌入空间为(8-α)位比特。而属于G2的像素，则不可扩展数据嵌入空间。
由上可知，图像拥有者没有对属于G2的像素进行标识；因此，图像拥有者创建位图来区分像素是属于G1还是G2。
在步骤S1中，将属于G2的像素的位置记录于位图中，其中位图的生成方式具体为：
首先，创建一个大小为x×y，初始值m(i,j)(0≤i<x,0≤j<y)全为0的位图。然后，采用从左到右、从上到下的方式扫描图像，如果像素属于G2，则将位图对应位置的值m(i,j)设置为1。最后，图像拥有者得到了能区分G1和G2的位图M。当α＝3时，位图如图4所示。
当完成上述操作后，图像拥有者对原始图像进行补码标记，从而扩展出数据嵌入空间。
在步骤S1中，补码标记具体为：
补码标记，即图像拥有者通过最低有效位替代的方式向属于G1的像素中嵌入α位二进制补码以扩展出数据嵌入空间。补码标记的详细过程如下图5所示，其中α＝3。
如图5所示，图5(a)是原始图像的一个像素，图5(b)是其预测误差。图5(b)是图5(c)补码。将图5(b)通过最低有效位替代的方式写入到像素中。由于在恢复阶段，原始像素可以通过二进制补码和预测值计算得到。所以如图5(d)，前5位是可替代的位。因此，扩展的数据嵌入空间如图5(e)所示。
图像拥有者采用从上到下、从左到右的方式逐个读取原始图像的像素，若读取到的像素属于G1，则将读取的像素的预测误差转换为α位二进制补码，再将二进制补码通过图5所示的最低有效位替代方法嵌入到该像素中；若读取到的像素属于参考像素和G2，则保持像素不变。
上述过程，如图6所示，图6(a)是原始图像，图6(b)是原始图像的位图，而图6(c)是像素的预测误差。
最后，图像拥有者得到了标记图像，Ic。图7展示了当α＝3时的一个标记图像样例。其中，浅蓝色的位表示二进制补码(也就是8位字符中的后三位)。
在步骤S1中，位图的嵌入方法具体为：
在后续步骤中，数据隐藏者如果想要隐藏数据，需要知道α参数等信息；而接收者如果想要重建原始图像，也需要知道参数和位图M。因此，图像拥有者需要在标记图像Ic中嵌入参数和位图。嵌入方法具体如下：
A1.通过分析位图可以发现，位图存在大量连续的0以及1。根据这一特性，使用游程编码对位图进行压缩，得到一个长度为LM的比特序列，BM；
A2.提取所有G2的(8-α)位最高有效位，得到长度为LG的比特序列BG；
A3.在标记图像的参考像素中，使用固定长度的比特作为参数区域保存补码参数α，位置参数PB以及长度参数LM，其中PB表示序列嵌入区域结束的坐标，其初值设为(0,0)，并且将被替代的参考像素的所有位保存为比特序列Br；
A4.除参考像素外，图像拥有者按从上到下、从左到右的方式扫描图像Ic，将BM，BG和Br按顺序通过最高有效位替代方式嵌入到每一个像素的高(8-α)位。序列嵌入完成后，获得序列嵌入区域最后一个像素的坐标(i,j)，并将PB的值更新为该(i,j)。最后，得到标记图像，Icm。
如图8所示，在标记图像中，第一行的参数区域存放补码参数，位置参数和长度参数。图8的参考像素区域表示参考像素。序列嵌入区域中保存的是BM，BG和Br。图8的Payload区域，该区域中所有像素的前(8-α)位可用于嵌入秘密数据。
在步骤S1中，对标记图像进行图像加密。
经过以上的预处理操作之后，图像拥有者在原始图像中扩展了数据嵌入空间，并生成标记图像。然后，图像拥有者对标记图像进行加密操作以保护图像内容。在实施例中，图像拥有者采用基于Logistic混沌系统的图像加密算法。
具体包括：
B1.通过加密密钥Ke生成大小为x×y，值为[0,255]的伪随机矩阵R；将矩阵值r(i,j)(0≤i<x,0≤j<y)转换为8比特的加密二进制序列，加密二进制序列中从低位到高位的比特r(i,j)k,(k＝1,2,3,…,8)表示为：
B2.将标记图像的像素p(i,j)(0≤i<x,0≤j<y)按B1中的方式转化为二进制序列，并且用p(i,j)k,(k＝1,2,3,…,8)表示序列中从低位到高位的比特；
B3.除参数区域的比特外，将标记图像的像素以二进制序列的形式逐个与加密二进制序列进行异或操作，得到密文二进制序列，其比特e(i,j)k从高到低表示为：
e(i,j)k＝p(i,j)kXOR r(i,j)k (0≤i<x,0≤j<y,k＝1,2,3,…,8)， (4)
其中XOR表示异或操作。
B4.将密文二进制序列e(i,j)k(0≤i<x,0≤j<y,k＝1,2,3,…,8)逐个转换为范围为[0,255]的加密像数值e(i,j)，表示为：
最后，得到密文标记图像，Ie。
在步骤S2中，数据隐藏者接收密文标记图像，并提取图像拥有者嵌入的参数。然后，根据提取的参数识别可嵌入空间，并向可嵌入空间藏入秘密数据，得到载密密文图像。
数据隐藏者接收到密文标记图像后，向Payload区域的像素的前(8-α)位嵌入秘密数据。具体嵌入步骤如下：
S21.通过密钥Kd对明文数据进行加密操作，得到秘密数据二进制序列；
S22.从接收的密文标记图像的参数区域，提取出补码参数α和位置参数PB；
S23.根据获得的参数，从图像中坐标为PB的像素开始从左到右、从上到下扫描图像，并通过(8-α)位最高有效位替代的方式，向除参考像素外的像素嵌入秘密数据，从而生成载密密文图像IS。
在步骤S3中，接收者接收载密密文图像，并根据接收者自身拥有的不同密钥，独立地无损恢复秘密数据或者原始图像。
如果接收者拥有密钥Kd。接收者提取秘密数据地步骤与数据隐藏阶段一致，只是在第三步做逆操作，将Payload区域像素的前(8-α)位提取出来。然后，将提取得到数据解密即可恢复秘密数据。
恢复秘密数据具体包括：
C1.从载密密文图像中提取出补码参数α以及位置参数PB；
C2.从PB位置的像素开始，从左到右、从上到下扫描图像，并提取除参考像素外的剩余像素的(8-α)位最高有效位，得到秘密数据二进制序列；
C3.通过密钥Kd对秘密数据序列进行解密，得到明文数据。
如果接收者拥有密钥Ke。首先，接收者提取参数，并使用密钥对载密密文图像进行解密，再根据参数提取序列BM、BG和Br。然后，还原位图M，并恢复G2的(8-α)位最高有效位和参数区域的比特。最后，从左到右，从上到下扫描图像，对属于G1的像素进行像素预测，恢复像素原值，从而无损还原原始载体图像。
还原原始载体图像具体为：
D1.从载密密文图像的参数区域，提取出补码参数α，位置参数PB以及长度参数LM；
D2.使用密钥Ke对载密密文图像解密，获得标记图像，Icm；
D3.根据获取的参数α和PB，从左到右、从上到下扫描标记图像，提取除参考像素外的剩余像素的(8-α)位最高有效位，直到坐标PB，从而得到二进制序列B；
D4.根据参数LM以及定长的参数区域的长度，将二进制序列B分解成压缩位图BM，G2的最高有效位序列BG和参数序列Br；
D5.将BM解压缩，还原位图M；
D6.将Br恢复到参数区域，并根据位图M，将BG按顺序恢复到标记图像中属于G2的像素的(8-α)位最高有效位；
D7.从左到右、从上到下扫描标记图像；除参考像素外，若位图M对应位置的值为0，表明该像素属于G1，则使用中值边缘检测器计算该像素的预测值，然后提取像素中嵌入的α位二进制补码，最后通过二进制补码表示的预测误差与预测值计算像素原值；若位图对应位置的值为1，表明该像素属于G2，那么现在的像素值等于像素原值。最后，无损地还原原始载体图像。
本实施例选择二进制补码来标记不同的预测误差，然后使用位图来区分标记与未标记的像素，可以无损恢复秘密数据和载体图像。实验结果表明，与现有的相似方案相比，本方案具有更高的嵌入率和更高的安全性。
实施例二
本实施例提供的一种基于补码标记与位图嵌入的密文域可逆信息隐藏方法与实施例一的不同之处在于：
本实施例为了验证提出的方案的性能，在四个标准灰度图像上进行了仿真实验，如图9所示，包括图9(a)Lena、图9(b)F16、图9(c)Baboon、图9(d)Tiffany，图像大小均为512×512，像素取值范围为[0,255]。
如下表2，展示了在不同参数下，本发明提出的方案在四副测试图像上的四个指标的值：总容量，辅助信息，净容量以及嵌入率(Bit Per Pixel,bpp)，其中辅助信息包括压缩后的位图的二进制序列以及参数。从表2中可以看出，同一幅测试图像，在不同的二进制补码参数α下，嵌入率也有很大的区别。对于比较平滑的图像，在参数α＝4的情况下，一般能达到最大嵌入率。而对于比较复杂的图像，参数为5和6时，能实现较高的嵌入率。
表2不同参数下的实验结果
为了进一步证明本方案具有普遍性，选取了UCID，BOSSbase和BOWS-2图像数据库作为测试集；在二进制补码参数α＝4的情况下，测试集的实验结果如下表3所示。可以看出，在不同的数据库中，图像的最大嵌入率都接近4bpp，而且最小嵌入率都大于0。因此，本方案实现了不错的性能。
| 平均嵌入率 | 最大嵌入率 | 最小嵌入率 | |
| UCID | 2.5775 | 3.9244 | 0.1170 |
| BOSSbase | 3.0408 | 3.9841 | 0.1648 |
| BOWS-2 | 2.9408 | 3.9835 | 0.0912 |
表3三个数据库下的平均嵌入率
本实施例在参数为4的情况下，与相关的密文域可逆信息隐藏算法进行了对比，同时，对比算法的编码位数也设为4。从图10可知，与其他文献相比，本文采用的方法实现了更好的平均嵌入率。
根据实验结果表明，相较于同类型的其他方法，本方案能实现更好的嵌入率以及更高的安全性。在今后的工作中，我们将会设计更合适的编码方案；同时，减少位图大小也是我们未来研究考虑的重点之一。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种基于补码标记与位图嵌入的密文域可逆信息隐藏方法，其特征在于，包括步骤：
S1.图像拥有者对原始图像进行预测误差检测，得到像素的预测误差，并判断像素的预测误差是否可用选定位数的二进制补码表示，若是，则生成误差对应的二进制补码；若否，则将像素的位置记录于位图中；然后，通过补码标记以及位图嵌入的方法在原始图像中扩展出数据嵌入空间，得到标记图像；最后，对标记图像进行图像加密操作得到密文标记图像；
S2.数据隐藏者接收密文标记图像，提取图像中的嵌入参数，并根据参数向数据嵌入空间藏入秘密数据，得到载密密文图像；
S3.接收者接收载密密文图像，并根据自身拥有的不同密钥恢复秘密数据或者重建原始图像。
2.根据权利要求1所述的一种基于补码标记与位图嵌入的密文域可逆信息隐藏方法，其特征在于，所述步骤S1中对原始图像进行预测误差检测，具体为：
图像拥有者根据像素预测算法，计算原始图像的每个像素原值p(i,j)的预测值px(i,j)，其中第一行与第一列的像素作为参考像素；然后，通过像素原值p(i,j)和预测值px(i,j)计算像素的预测误差d(i,j)；
计算像素的预测误差d(i,j)表示为：
d(i,j)＝px(i,j)-p(i,j),(1≤i<x,1≤j<y)
其中，x×y表示原始图像的大小；参考像素对应的误差记为0。
3.根据权利要求2所述的一种基于补码标记与位图嵌入的密文域可逆信息隐藏方法，其特征在于，所述步骤S1中生成预测误差对应的二进制补码具体为：
设置二进制补码参数α(1≤α≤7)，并得到α位二进制补码集合Cα和补码集合Cα能表示的有符号数的区间[d-,d+]∈Dα，其中d-,d+表示最小和最大的有符号数；根据Dα将除参考像素外的像素分为两类：G1表示预测误差d(i,j)属于Dα的像素；G2表示预测误差d(i,j)超出区间的像素。
4.根据权利要求3所述的一种基于补码标记与位图嵌入的密文域可逆信息隐藏方法，其特征在于，所述步骤S1中将该像素的位置记录于位图中，其中位图的生成方式具体为：
生成一个大小为x×y，初始值m(i,j)(0≤i<x,0≤j<y)全为0的位图M；采用从左到右、从上到下的方式扫描原始图像，对于第i行第j列的像素，若像素属于G2，则将m(i,j)设置为1。
5.根据权利要求4所述的一种基于补码标记与位图嵌入的密文域可逆信息隐藏方法，其特征在于，所述步骤S1中补码标记具体为：
采用从上到下、从左到右的方式逐个读取原始图像中除参考像素外的像素，若像素属于G1，则将像素的预测误差转换为α位二进制补码，再通过最低有效位替代的方式将二进制补码写入到像素中；若读取到的像素属于G2，则保持读取的像素不变；最后，得到标记图像，Ic。
6.根据权利要求5所述的一种基于补码标记与位图嵌入的密文域可逆信息隐藏方法，其特征在于，所述步骤S1中位图嵌入的方法具体包括：
A1.使用压缩方法，例如游程编码，对位图进行压缩，得到一个长度为LM的比特序列BM；
A2.提取所有G2的(8-α)位最高有效位，得到长度为LG的比特序列BG；
A3.在图像的参考像素中，使用固定长度的比特作为参数区域保存补码参数α，位置参数PB以及长度参数LM，其中PB表示序列嵌入区域结束的坐标，其初值设为(0,0)；并且将被替代的参考像素的比特保存为比特序列Br；
A4.除参考像素外，图像拥有者按从上到下、从左到右的方式扫描图像Ic，将BM、BG和Br按顺序通过最高有效位替代方式嵌入到每一个像素的高(8-α)位；序列嵌入完成后，获得序列嵌入区域最后一个像素的坐标(i,j)，并将PB的值更新为该(i,j)；最后，得到标记图像，Icm。
7.根据权利要求6所述的一种基于补码标记与位图嵌入的密文域可逆信息隐藏方法，其特征在于，所述步骤S1中对标记图像进行图像加密具体包括：
B1.通过加密密钥Ke生成大小为x×y，值为[0,255]的伪随机矩阵R；将矩阵值r(i,j)(0≤i<x,0≤j<y)转换为8比特的加密二进制序列；加密二进制序列中从低位到高位的比特r(i,j)k(k＝1,2,3,…,8)表示为：
B2.将标记图像的像素p(i,j)(0≤i<x,0≤j<y)按步骤B1中的方式转化为二进制序列，并且用p(i,j)k(k＝1,2,3,…,8)表示序列中从低位到高位的比特；
B3.除参数区域的比特外，将标记图像的像素以二进制序列的方式逐个与加密二进制序列进行异或操作，得到密文二进制序列，其比特位e(i,j)k表示为：
e(i,j)k＝p(i,j)k XOR r(i,j)k(0≤i<x,0≤j<y,k＝8,7,6,…,1)
其中，XOR表示异或操作；
B4.将密文二进制序列e(i,j)k(0≤i<x,0≤j<y,k＝8,7,6,…,1)转换为范围为[0,255]的加密像素值e(i,j)，表示为：
最后，得到密文标记图像Ie。
8.根据权利要求7所述的一种基于补码标记与位图嵌入的密文域可逆信息隐藏方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：
S21.数据隐藏者通过密钥Kd对明文数据进行加密操作，得到秘密数据二进制序列；
S22.从接收的密文标记图像的参数区域，提取出补码参数α和位置参数PB；
S23.根据获得的参数，从图像中坐标为PB的像素开始从左到右、从上到下扫描图像，并通过(8-α)位最高有效位替代的方式，向除参考像素外的像素嵌入秘密数据序列，从而得到载密密文图像IS。
9.根据权利要求8所述的一种基于补码标记与位图嵌入的密文域可逆信息隐藏方法，其特征在于，所述步骤S3中恢复秘密数据具体包括：
C1.接收者从载密密文图像的参数区域，提取出补码参数α和位置参数PB；
C2.从图像中坐标为PB的像素开始，按从左到右、从上到下的方式扫描图像，并提取除参考像素外的其余像素的(8-α)位最高有效位，从而得到秘密数据二进制序列；
C3.通过密钥Kd将秘密数据序列解密，得到明文数据。
10.根据权利要求9所述的一种基于补码标记与位图嵌入的密文域可逆信息隐藏方法，其特征在于，所述步骤S3中重建原始图像具体为：
D1.接收者从载密密文图像的参数区域，提取出补码参数α，位置参数PB以及长度参数LM；
D2.使用密钥Ke对载密密文图像解密，获得标记图像Icm；
D3.根据获取的参数α和PB，从左到右、从上到下扫描标记图像，提取除参考像素外的其余像素的(8-α)位最高有效位，直到坐标PB，从而得到比特序列B；
D4.根据长度参数LM以及定长的参数区域的长度，将序列B分解成压缩位图序列BM，G2的最高有效位序列BG和参数序列Br；
D5.将BM解压缩，还原位图M；
D6.将Br恢复到参数区域；并根据位图M，将BG按顺序逐个恢复到标记图像中G2的(8-α)位最高有效位；
D7.从左到右、从上到下扫描标记图像，使用像素预测方法对像素进行预测；若位图M的数值为0，则提取像素中嵌入的α位二进制补码，并通过该二进制补码表示的预测误差与当前预测值计算得到原始的像素值；若位图M的值为1，则该标记对应像素即为原始图像像素；最后，无损恢复原始载体图像。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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