CN112422767B - 一种基于视觉效果秘密共享方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种基于视觉效果秘密共享方法及系统，包括：将原始图像拆分为多个秘密图像；将每个秘密图像映射为秘密块；基于秘密块的大小逐块生成多个共享图像块；采用循环堆叠的方式移动各共享图像块实现对共享图像块的加密；解密时将所有共享图像块按次序叠加，获得与原始图像质量相同的解密图像；其中，秘密块具有多个像素，通过逐块加密图像，使共享图像的大小与秘密影像相同，消除了像素扩展，提高了恢复图像的性能，实现几乎无损的视觉加密；通过对加密前后像素块的映射关系进行处理，获得了更高的对比度，同时本发明不需要像传统加解密过程那样需要借助电子设备，本发明可以将共享图像块直接打印到纸上将多张纸垂直排列即可得进行解密。

Description

一种基于视觉效果秘密共享方法及系统

技术领域

本发明涉及秘密图像共享技术领域，具体涉及一种基于视觉效果秘密共享方法及系统。

背景技术

随着互联网和智能设备的发展，迫切需要随时随地访问信息。公共网络通常有一个开放的连接和不信任的通信通道。传统密码学可以确保信息的安全性和隐私性。但是，存储、管理和分发密钥的工作量很大。

1994年Naor和Shamir[1]提出了一种视觉密码技术Visual Cryptography Scheme(VCS)，该技术旨在将秘码信息加密为多个共享并通过不信任的通信渠道将其传输给用户。虽然人眼可以通过堆叠足够数量的份额来轻松显示秘密图像或信息。Naor和Shamir的门限方案关于(k，n)中将秘密的黑白图像分成n幅，然后根据掷硬币的方式生成剩余的n-k幅随机网格图像，总共得到n幅基础共享随机网格图像，其中k是门限值，n是用户的数量。除非叠加k幅基础共享随机网格图像或更大更多图像，否则门限值方案使解密成为不可能解密出原始图像透明胶片在一起。VCS的优点在于HVS可以恢复共享密钥值直。用户可以将共享内容打印到透明胶片上并重建秘密图像，这一过程无需使用任何设备。

VCS基于以下理想功能：

(i)VCS结合了完美密码的概念，并且将加密的秘密共享与用于解密的光栅图形的秘密共享；

(ii)VCS消除了传统加密的复杂计算；

(iii)人眼视觉系统(HVS)可以通过叠加共享图像来恢复秘密消息，并且用户即使没有数字设备也可以执行秘密恢复。

上述功能使VCS特别适用于计算受限的场景和不受信任的网络等人机交互场景，例如(i)用于ATM安全配对密码输入；(ii)以纸质方式核实投票选举结果；(iii)保护存储在中央数据库中的面部图像的隐私。但是，VCS的许多问题阻止了它的广泛应用。

Naor和Shamir提出的使用秘密共享技术计划将图像分成两个或多个透明胶片的新的视觉加密技术来加密图像。传统VCS最重要的问题是。这些缺点可能导致共享图像失真，可移植性差和浪费储存空间。为了保持图像尺寸，在视觉密码术之前，我们可以对秘密图像进行各种预处理将密码复制到秘密图像上。但是，这些方法会降低图像质量。完美的秘密恢复是具有非常高的质量彩色图像和相对低的计算能力。但这些方法不适用于打印的透明胶片。我们还可以使用概率方法来保持图像大小不变，但是这些方案与现有的VCS同样降低了对比度，因此导致恢复图像的视觉质量降低。Shamir[1]提出的新模型通过多层覆盖基改善了对比度，但像素问题扩张仍然存在。

发明内容

为了克服现有技术存在的上述不足，本发明提供一种基于视觉效果秘密共享方法，包括：

将原始图像拆分为多个秘密图像；将每个秘密图像映射为秘密块；基于秘密块的大小逐块生成多个共享图像块；采用循环堆叠的方式移动各共享图像块实现对所述共享图像块的加密；

按照堆叠好的顺序将加密后的共享图像块分发给至少两个用户；

将所有分发到用户的共享图像块按次序叠加，获得与原始图像质量相同的解密图像；

其中，所述秘密块具有多个像素。

优选的，所述将原始图像拆分为多个秘密图像；将每个秘密图像映射为秘密块，包括：

将原始图像生成多个秘密图像；

将每个秘密图像按照一定大小像素块映射为秘密块；

基于所述秘密块的像素值生成矩阵。

优选的，所述基于秘密块的大小逐块生成多个共享图像块，包括：

针对每个秘密块按顺序映射为多个与所述秘密块像素排列与大小一致的共享图像块；

如果存在全白共享块，则将所述全白共享块中的一个像素替换为黑色像素得到修订后的共享图像块。

优选的，所述采用循环堆叠的方式移动各共享图像块实现对所述共享图像块的加密，包括：

根据将要分发用户的数量将共享图像块分组；

持续调整各用户共享图像块的Sheet顺序，直到得到调整顺序中最清晰的图像；

按照当前共享图像块的Sheet顺序重新排序；

保持所有用户的共享图形块的Sheet顺序不变，持续选择任意Sheet，并对所述Sheet中的各像素进行旋转，直到得到旋转过程中最清晰的图像。

优选的，所述调整各用户共享图像块的Sheet顺序，包括：

依次针对每个用户，对所述用户所持有的Sheet按照原先的Sheet编号顺序滚动相应的行数，此时另外用户持有的Sheet顺序不变。

优选的，所述原始图像包括黑白图像和彩色图像；

所述秘密块包括：白色像素、黑色像素和灰度；所述黑白图像的灰度为透明度；

所述彩色图像的灰度包括：青色、品红色和黄色中的一种或多种组合构成。

优选的，当所述原始图像为彩色图像时，将所述彩色图像按照单色图分解，针对每个单色图单独执行加密过程。

优选的，所述矩阵如下式：

式中，C₀为白色秘密像素候选矩阵；C₁为黑色秘密像素候选矩阵；S⁰为白色秘密像素种子矩阵；S¹为黑色秘密像素种子矩阵；d_m,n为像素块，各像素块的取值范围为(1,2,3)，分别代表白色、黑色和透明色，n为分存总的大小；m为单个秘密像素块的大小。

优选的，所述将所述加密共享图像块分发给至少两个用户，包括：

按共享图像块加密后的顺序交叉分发给至少两个用户。

基于同一种发明构思，本发明还提供一种基于视觉效果秘密共享系统，包括：

加密模块，用于将原始图像拆分为多个秘密图像；将每个秘密图像映射为秘密块；基于秘密块的大小逐块生成多个共享图像块；采用循环堆叠的方式移动各共享图像块实现对所述共享图像块的加密；

分发模块，用于按照堆叠好的顺序将加密后的共享图像块分发给至少两个用户；

解密模块，用于将分发到用户的共享图像块按次序叠加，获得与原始图像质量相同的解密图像；

其中，所述秘密块具有多个像素。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明提供的一种基于视觉效果秘密共享方法及系统包括：将原始图像拆分为多个秘密图像；将每个秘密图像映射为秘密块；基于秘密块的大小逐块生成多个共享图像块；采用循环堆叠的方式移动各共享图像块实现对所述共享图像块的加密；按照堆叠好的顺序将加密后的共享图像块分发给至少两个用户；将所有分发到用户的共享图像块按次序叠加，获得与原始图像质量相同的解密图像；其中，所述秘密块具有多个像素，通过逐块加密图像，使共享图像的大小与秘密影像相同，消除了像素扩展，提高了恢复图像的性能，实现几乎无损的视觉加密，大大提高了恢复图像的性能，提高了恢复图像的视觉质量；

2、本发明提供的技术方案在解密过程中仅需要将所有共享图像块打印出来按次序叠加，即可获得与原始图像质量相同的解密图像，而不需要像传统的加解密那样还借助电子设备才可实现加解密；

3、本发明提供的技术方案中通过对加密前后像素块的映射关系进行处理，获得了更高的对比度，同时多行纸垂直排列不仅消除了恢复的扩展图像，也可以精确加密像素块；提高了恢复图像的性能，提高了恢复图像的视觉质量；

4，本发明提供的技术方案中利用多种排列方式HP-VCS中的相同像素块可确保黑客无法感知任何线索关于单个封面图像中的秘密图像；提高了恢复图像的性能，提高了恢复图像的视觉质量。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于视觉效果秘密共享方法流程图；

图2为现有技术中2_x2大小的VCS中的黑白像素构造；

图3为本发明的通过封面基色提高对比度的Shamir新模型；

图4为本发明的滚动行矩阵以得到具有相同数目的黑白像素排列的纸；

图5为本发明的置换排列的纸以获得具有相同像素排列的加密矩阵的纸；

图6为灰度人物图像的恢复图像的质量比较；

图7为本发明的图6-d的加密表；

图8为秘密文本图像和解密图像；

图9为本发明提供的一种基于视觉效果秘密共享系统框架图。

具体实施方式

本发明提供的一种基于视觉效果秘密共享方法及系统称为HP-VCS(高质量且易于打印的VCS)的新的视觉效果秘密共享技术方案。该方案在保留了传统视觉加密技术的优势的同时，其中包括可打印的透明胶片和无需计算解密。本发明的关键思想是通过像素块的等尺寸映射进行加密，从而避免像素扩展。为了消除图像中未处理的全白块，本发明提出了适当调整秘密图像的亮度方法。此外，本发明提供的HP-VCS从生成的多个相等大小的文件中实现了几乎无损的秘密恢复份额，这与秘密图像中的像素块完全对应。为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。

实施例1：

如图1所示，本发明提供一种基于视觉效果秘密共享方法，包括：

将原始图像拆分为多个秘密图像；将每个秘密图像映射为秘密块；基于秘密块的大小逐块生成多个共享图像块；采用循环堆叠的方式移动各共享图像块实现对所述共享图像块的加密；

按照堆叠好的顺序将加密后的共享图像块分发给至少两个用户；

将所有分发到用户的共享图像块按次序叠加，获得与原始图像质量相同的解密图像；

其中，所述秘密块具有多个像素。

下面对整个加密、解密和共享图像块的分发过程进行具体说明。

1、VCS视觉密码学技术介绍

1.1VCS的基础

为了说明视觉密码的秘密共享方法，需要准备两个集合C₀和C₁，其由n xm个布尔矩阵组成。VCS将原始图像的每个像素分为n行。矩阵C₀或C₁的A行对应于像素m子像素像素。

如图2所示，对于图像中的白色(或黑色)像素，从C₀或C₁中随机选择一个矩阵并将矩阵的每一行分配给i份Sheet(共享)中的相应像素，i小于或等于n。我们可以构建两个种子矩阵S⁰和S¹直接代替候选C₀和C₁，使C₀和C₁分别是S⁰和S¹置换列得到的所有矩阵的集合。因此，我们可以将2×2大小的VCS的基本矩阵和集合写为公式(1)和公式(2)。

图2示出了2x2大小的-VCS的加密和解密过程，其中，根据式(2)选择将秘密白色和黑色像素选择为共享子像素。我们无法单独从共享1或2的子像素中恢复秘密像素。只有叠加两个子像素块，才能恢复原始像素。图2中左边像素是秘密像素，中间是共享像素，右边是堆叠的像素。

1.2、VCS的缺点

尽管上述VCS消除了传统加密技术的复杂计算过程，仍然存在两个重大缺陷。首先是像素扩展。图2所示方案将一个秘密像素p扩展成每个共享的四个子像素，因此解码图像的宽度和高度是秘密图片的两倍。简单讲像素扩展意味着一个秘密图像的大小不能太大，因为大的透明度是不方便对齐恢复。使用秘密共享图案而不扩展加密图像的一种简单方法是将(255，255，0)编码的黄色像素直接分割成(255，0，0)编码的红色像素和(0，255，0)编码的绿色像素，但红绿蓝等原色色块将暴露于秘密图像的结构信息中。

现有的VCS的第二个缺点是所恢复的图像的对比度下降了，而HVS只能识别具有足够对比度的秘密图像模式。两个堆叠的子像素的结果是不可撤销黑色像素。如果p是黑色像素，无论我们在图2的最后两行中选择哪一行，它均将产生原始的黑色像素。但两个共享图案叠加后，在图2的前两行中总是半黑半白区域。我们将灰色子像素视为白色像素。因为我们无法完全恢复白色像素，所以这将导致对比度下降。

1.3、覆盖操作

我们可以通过Shamir[1]的覆盖模型[17]获得更好的对比度。表1示出了单色构造的覆盖颜色规则，其中最上传的像素将决定叠加结果。例如，如果将透明(T)、黑色(B)和白色(W)三个像素从下到上叠加一起，我们将得到白色像素。

表1

如图3所示，本实施例所采用的方法以两个用户A和B为例，其中c＝4的白色像素的显示过程，这里的c为子像素的数量，也是每个用户持有共享的数目。每个用户所拥有的半组共享块是不可交换的(即半组法)，因此堆叠的透明胶片顺序很重要。在此图中从0开始自下到上编号。每个用户所持半组操作对HPVCS技术方案的提出给出了启示。其中，图3中灰色块表示透明度，并且将解密的子像素块视为白色像素块。

用户B持有偶数行纸，即编号Sheet0、2、4、6行的纸。在每张纸上，只有一个不重叠的黑色或白色像素块，其他c～1个子像素块是透明的。每张纸只包含随机噪声模式。将四张纸堆叠在一起时，B获得全白图像。用户A持有所有奇数号纸，即编号为Sheet1、3、5、7的纸；将所有四张纸堆叠在一起时，A仅看到全黑图像。当将全部八张纸堆叠在一起时，也就是说，将持i+1的B纸放在A持有i行纸的顶部，之后将所有纸张对齐，图3这样一个过程揭示了秘密白色像素块，即[B；W；W；W]子像素。

2、VCS相关工作

VCS已成为信息安全领域中一个新兴的研究领域。具有高清晰度的恢复共享秘密图像是可行的，并且可以改善基于最终共享图案的大小的改进这也是一个值得研究的课题。

为了克服VCS的不足，本发明人在现有技术上进行了许多改进和扩展。现有方法和本发明的技术方案的比较列于表2。其中列出了重建图像质量的两个基本参数膨胀率m和对比度α。展开的VCS将单个像素映射到具有m亚像素的像素块。对比度是从秘密白色像素生成的黑色像素的相对差。而传统VCS技术中，膨胀率m是4，对比度α是1/2。在大小不变的VCS中，膨胀率m为1。如果VCS中的α>1/2，我们认为它改善了恢复图像的对比度。

为了获得更好的对比度，Naor和Shamir[1]提出了一种用于重建秘密图像的替代模型。这个模型将对比度α从1/2提高到1–(1/c)，其中c既是纸张数目又是映射每个像素的扩展子像素的数量。遗憾的是该方案将原始图像中的每个像素扩展为c个子像素。封面叠加方式激发了HP-VCS的设计灵感，但HP-VCS可以在没有像素扩展即m＝1的情况下获得更高的对比度。

为实现非像素扩展，逐块运算是一种流行的编码方法方案。Chen[2]等人将秘密图像中的块映射到对应的共享图像中大小相等的块上以防止像素扩展。但是，当像素中的像素数结构信息仅占据直方图区域的一小部分时，该方案可能会丢失一部分信息。除了逐段运算，Hou[3]利用了图像对比度降低和半色调技术避免秘密图中的像素扩展在。但是，此方案会使降低所得的图片对比度缩小50％(a＝1/4)。

实现图像大小不变的广泛使用的另一种方案是概率方法。Yang[4]利用白色像素的频率来区分HVS恢复的图像中的黑白像素。共享白色(或黑色)像素时，该方案首先从基本矩阵中随机选择一列，然后将该列的每个像素均匀地分布到工作表上。Wu[5]等人通过选择重建图像将具有的颜色数并利用概率技术来消除图像的预处理。尽管这些方案没有图像的扩展，但它们无法完美地恢复白色秘密像素，因此具有与底层VCS相同的低对比度。

VCS利用HVS从共享的叠加像素中恢复秘密映像。这种方案的基础操作是逻辑操作或操作。异或操作可以以相对较低的代价实现完美的秘密恢复计算能力。[6]提出了可使用偏振光保持图像大小的新的视觉密码模型。但是，这些方法不适用于打印透明胶片，并且违反了利用人眼解密秘密图像的视觉密码学原理。

表2

与文献中的已知结果相比，我们的优势方案如下：

(i)与Shamir的替代方案相比，我们的方案可以使共享图案的大小具有更高的对比度；

(ii)与第二行的逐块运算比，本发明提供的方法不会降低底层运算的对比度；对质量的影响

(iii)与第三行的概率方案相比，本发明提供的方案不依赖于基础VCS，因此HP-VCS的对比度可能更高。对质量的影响

(iiii)与第四行的技术比，本发明提供的方法既保持了VCS的安全性，而解密无需计算。

3.可打印的视觉效果秘密共享技术方法

本发明提供的可打印的视觉效果秘密共享技术来解决现有技术对比度下降问题、像素膨胀问题以及获得的清晰度不高的秘密共享图像的问题。用与秘密图像大小接近的共享秘密图像使得存储和传输更加有效。下面将用366x512大小的人物图像进行说明该方案的效果。

显示或打印图像的模式共有三种：黑白、灰度和颜色。本实施例中将彩色图像视为三个灰度级的图片。然后使用半色调将这些灰度的单色图像转换成二进制的黑白图像。

本实施例先介绍如何处理黑白图像。用数字0表示白色像素块，用1表示黑色像素块(无色)。这与打印机的定义一致，因此在图像上的白色(背景色)的损失较小。

3.1生成黑白图像的像素块

Shamir公开的技术方案中，将显示的像素[B；W；W；W]作为扩展的白色像素，因此对比度损失达1/4，这比传统的VCS更好，在传统的VCS中，我们可以获得的最小对比度损失是1/2。但是，Shamir的提供的技术使用子像素块表示像素并用像素对秘密图像像素编码，因此扩展了共享图像的大小。

为了消除Shamir模型中的像素扩展，本实施例提供的技术方案采用逐块操作而不是逐像素加密。本实施例中称秘密图像中的块为秘密块，称共享图像中的块为共享块。在传统的逐像素操作中，我们对秘密图像逐像素编码，将其扩展成块或映射到相应的像素上。在分块操作中，我们逐块生成共享图像，共享块对应于大小相等的秘密块。

以图4所示的秘密块[W、W、B、B]为例进行说明，其中灰色块代表透明度。为获得具有相同数量的黑白像素的共享块，在加密过程中我们用滚动原始排列行，获得箭头向下的[B；W；W；W]像素块。对于每个Sheet而言，相当于向下滚动两行，所以A所持有的Sheet3挪到了原来Sheet1的位置，Sheet5挪到了原来Sheet3的位置，Sheet7挪到了原来Sheet5的位置，而Sheet1挪到了原来Sheet7的位置，即A的第Sheeti的位置是(i+1)％c。而B持有的Sheet顺序保持不变。当将A，B持有的共享块叠加在一起时，即可恢复秘密块[B；B；W；W]。图4中灰色块代表透明度。本实施例还可以进一步引申一下，即对于每个用户A或者B，保持其中一个用户持有的Sheet顺序不变，另一个用户对所持有的Sheet按照原先的Sheet编号顺序滚动相应的行数。

重复进行上次操作直到得到最清晰的图像。

为了进一步提高对比度，对于任意一个共享块，其排列方式通过每个用户所持的半组共享块的垂直移动精确地对应于一个秘密块。在半色调图像中，不仅存在不同黑白像素数量的秘密块，而且还具有不同排列的相同秘密块。必须注意的是，上述旋转方法只能生成具有相同数量的黑白像素共享块。如图4所示，如果秘密块是[W；W；B；B]，我们可以得到[B；B；W；W]或[B；W；B；W]像素块。如果置换对图4中的行，并使纸上的顶部像素与秘密块保持一致，我们可以获得与秘密块相同排列像素。如图5所示，我们可以将原始的[W；W；B；B]像素块加密和解密至相同的[W；W；B；B]块，而不是近似的[B；B；W；W]块。图5中灰色块代表透明度。

表3总结了滚动的行与生成的像素块之间的关系。以用全黑的秘密块加密全白的秘密块[W；W；W；B]为例，为了获取不同秘密块的集合，我们可以随机先选择所有块秘密块的相应分布，然后向下滚动b行，其中b是秘密块中的黑色像素数。

滚动的行数	像素块	排列数
			0	[B,B,B,B]	24
1	[B,B,B,W]	6
			2	[B,B,B,W]	4
3	[W,W,W,B]	6
			4	[W,W,W,W→B]	6

表3

本发明提供的通过循环排列具有色素块的纸来具体说明HP-VCS的一种构建像素块加密的高质量基础矩阵的方法。对于s＝2x2像素的秘密区块而言，它可能包含0、1、2、3或4号纸的黑色像素。对于白色像素块的数量为0的4号纸而言，为4号黑色像素纸，其色素块的排列有4！＝24种。这里多种排列数保证了攻击者无法更加排列还原出原始图像。

对于有1个白色像素块或1个黑色像素块的3号纸而言，具有黑白像素块的纸必须位于第7行的顶部，并且所为第2行的纸位于底层。否则，黑色像素将覆盖作为具有白色像素块第二行的纸，从而显示的图像黑色像素块数大于1的图像；而其他三行纸的白色像素块的排列数目为3！＝6。

下面，再以有2个黑色像素块和2个白色像素块的纸([B；B；W；W])为例进行说明：第1列和第2列中的黑色像素只能从Sheet5和Sheet7中选择。列中的白色像素块可以分别在Sheet2和Sheet4中选择1和2块，以确保重叠的像素块在第1列和第2列中为黑色。但是，如果所列的白色和黑色像素1和2位于Sheet1和Sheet3，旋转两次后，叠加的白色像素将出现在第1和第2列中，这与前提条件不一致。可以保持Sheet顺序不变，任意Sheet中的各像素采用90度方式顺序旋转可以修改黑白块出现的列。重复上述操作，以进一步调整图像的清晰度，因此，有两种方式将白色像素排在1和2列中。类似地，还有两种安排方式，排列数目2+2＝4。

对于黑色块为0的图案而言，此方案无法生成全白色像素块像素。正如前所述，排列在顶的纸始终有黑色(白色)像素块，因此恢复的秘密图像至少有一个黑色(白色)像素块。须指出的是，对于c＝4而言，像素块的循环周期为4，所以向下滚动至4行时像素块会重复。对于表3而言，无法生成秘密块[W；W；W；W]的共享图像，因此全白块图像的基本矩阵可用3个白色像素和1个黑色像素表示，即[W；W；W；B]。这种改变导致恢复映像的对比度有所下降，但是相比于传统的VCS，用[W；W；B；B]即2个白色和2个黑色子像素组成来说，精度还是提高了。

使用半色调是减少全白秘密块的好方法，意指连续堆叠4个白色像素块纸。如要消除所有白色块半色调图像，可以使用逐块操作来存档无损VCS。较低等级的灰度在半色调处理中更有可能变成白色像素，其中的255意指全白，0表示全黑。减少得到的白色像素块的数目，本发明提出半色调转换之前，调整图像的灰度亮度g。本发明使用插值法将图像的灰度调整至低于3＝4x 256＝192，从而使原始图像的灰度的降低部分也可以生成足够的黑色像素。该插值方程为gnew＝3＝4_gold。考虑到一般的图像不能为导致所有白色块的全白图像，所以将此式调整为g_new＝(7/8+4/3)＝2x_gold＝[13/15x_gold]。

这里以图6为例，对插值半色调法进行说明，该法仅生成81个全白块。如果直接进行半色调转换，该图像将产生3095全白像素块。这里图6中的值括号基于其半色调图像而不是秘密图像。

3.2 HP-VCS灰度的计算

以下算法描述本发明的HP-VCS灰度算法图片。为此，为2x2像素块的所有像素块作了一个基本矩阵查询表以加快加密过程。加密一个像素blcok，它只需从共有96行的表中提取具有相应集合的行即可完成像素块的加密。在解密过程中只要将八张纸叠在A和B中时，将恢复秘密映像。

3.3安全分析

Shamir等人已证明了半组法的安全性。其区别在于我们将从排列中揭示的秘密像素块重新解释为像素块。由于A或B分别获得的信息是对应于原始图像中每个像素块的随机排列的图像，行矩阵的旋转在重建图像中也没有显示差异。因此，该像素块操作是安全的。每个像素块都有多种排列，这就确保图像加密的安全性。基于秘密块的基本矩阵(3)来说，

式中d_m,n为像素块，各像素块的取值范围为(1,2,3)，分别代表白色、黑色和透明色，n为分存总的大小；m为单个秘密像素块的大小；

对于秘密块为[W；W；B；B]构建的基本矩阵如下，这里分存为8份，单个秘密像素块为4

在提出的该方案中，每行的有效像素(黑色或白色)的概率都是1/4，这与传统的VCS相同，导致无法区分表格，因此单个共享或共享用户不能单独揭示秘密像素。在公式(3)中，1、2和3分别表示透明度，白色和黑色像素。集合C₀；C₁和布尔矩阵S⁰；S¹都一样。区别在于我们为来自相应奇数行和偶数行的用户提供共享块。当堆叠所有八行像素时，除了透明度之外，顶部像素块精确地揭示了秘密块[W；W；B；B]。

图7为人物灰度图像分存页面。从图中可以看到中，可以看到纸张尺寸没有扩大，并且产生的共享图像不会从图6-a的秘密图像中泄漏任何机密信息。将A和B中的所有纸堆叠在一起时，即可重建图6-d中的清晰的秘密图片。须指出的是，图7中的白色表示透明度。为了在白色背景上显示白色像素块，我们用灰色像素替换B的纸中的不透明像素块。此外，在原始的HP-VCS中，使用带有三个白色和一个黑色的像素块近似于全白秘密像素块。如果图像中有很多白色块，这样的替换可能会暴露轮廓信息。亮度预处理可以消除秘密图像的全白块，从而实现无损加密。全白图像素块占据大部分图像时，可能会丢失一些信息。

3.4彩色HP-VCS

我们提出了用于上述灰度方案的彩色图像的非扩展VCS技术。现有技术中的大部分研究工作都是仅针对黑白色图像，而将视觉密码技术应用于彩色图像是一个重要的研究领域。

本发明提供的彩色HP-VCS允许使用自然彩色图像来保护图像信息。鉴于大多数彩色打印机都使用C，M和Y墨水可组成不同的颜色，所以本发明首先将彩色图像分为三个灰度通道：青色(C)，品红色(M)和黄色(Y)通道。如果打印机添加黑色墨水来打印黑色，则有四个单独的彩色图像。计算机系统从RGB(红色，绿色，蓝色)模型生成中彩色图像。基于在颜色模型中(R，G，B)和(C，M，Y)的互补关系，我们可以从具有下述转换的RGB通道中获取CMY通道：C＝255-R；M＝255-G；Y＝255-B。

颜色分解后，我们使用第3.2节中的方法对三个单色图像单独加密。生成的不是黑-白图像，而分别为青-白色，品红色-白色和黄-白色二进制的半色调图像。最后，我们将Ci纸与Mi纸以及Yi纸叠加形成最终共享i sheet_i，青，品，黄三色叠加可以获得原始的彩色像素，所以将多份最终共享sheet_i叠加也能获得原始像素。并将奇数和偶数行分存图片纸分发给A和B。

本发明提供的新颖的灰度和彩色图像VCS引入了几个与传统扩展方案相比重要的变化。第一个区别是堆叠透明胶片的顺序。为了正确恢复秘密图像，我们需要记录每一共享图案的顺序。第二个变化是每个用户都有c张，而不是单一的透明度。实际上，用户B的第一张纸不需要存储，因为其他纸张将始终覆盖它。为了方便A和B各方管理所持有的纸，我们可以利用四个颜色通道图像来存储加密的灰度图像，并使用TIFF(标记图像文件格式)多行纸的图像格式存储彩色图像纸。

该方法具有理想的逐步恢复特性。叠加的共享图像越多，还原的图像的清晰度越高。从而，用户不需要为使用全部四张图像，使用部分图像如两张或三种也可以配合恢复出原始图像。我们可以通过加密图像的最高位来恢复足够清晰的图像，因为对于HVS而言，较高位级别的信息不如较低位级别的信息重要。大多数VCS具有完美黑色的特性。重建HP-VCS中的图像也是完美的黑色，因为与秘密图像的相关的堆积块黑色像素为全黑。

4、评价

我们将在本部分首先评估设计选择的改善图像质量的技术方案HP-VCS的效果，然后再评估本发明的HP-VCS与现有的技术方案对于一般灰度、彩色、文本图像间的性能。我们使用Python开发了一个有902行代码的测试应用程序。由于每个秘密块有多个候选共享块，因此每次加密时恢复的图像略有变化。下面显示的所有数据都是测试图像上100次运行的测试结果的平均值。

衡量秘密图像与伪造图像之间差异的客观方法是峰值信噪比(PSNR)。式(4)给出了PSNR的定义。PSNR值越大，清晰度越好。PSNR指标受到人们的重视，在于它易于计算，具有清晰的物理性能含义。对于黑白图像，我们对于黑白图像以及灰度图像和彩色图像的峰值信噪比分别设置1至MAX_I，以及255。

丢失PSNR不足以表达图像的视觉感知。在评估过程中，我们观察到两个图像可能具有相同的PSNR，即使这些图像的感知力截然不同质量。为了改善PSNR测量以进行质量评估，Wang等等人[7]介绍了基于的替代结构相似性指数(SSIM)结构信息的退化。

公式(5)为估算图像x和y之间的SSIM式，其中μ_x和μ_y是x和y的平均强度；σ² _x和σ² _y是x和y的方差；C₁和C₂是两个分别稳定分母为弱的分母的变量，是为了防止出现除零错误。

4.1，人物图像的效能评定

我们首先测试大小为366x512的人物图像。相对于秘密图像和半色调图像恢复图像的PSNR和SSIM值均于评定。

尽管本发明HP-VCS在二进制图像上运行，但我们可以通过使用半色调算法对图像进行二值化处理的办法将其应用于灰度图像。另外，大多数打印机必须将灰度图像转换为半色调图像后方可打印，因为它们只能打印黑白像素。有许多可以使用的半色调技术，其中误差扩散产生更好的结果，因此本发明采用此技术。如图6所示，当图6-d中的像素足够小时，两个图像看起来像同一图像。HVS将平均周围像素的水平，因此我们仍然可以感觉到灰度的变化。

我们选择图6-(a)和图6-d中的人物图像均作参考图像。图6-a的PSNR和SSIM值分别为100.00和100.00％。图6-d的PSNR和SSIM值分别为27.99和4.60％。由于测试图像的DPI(每英寸点数)低(72DPI)，因此测试图像的PSNR和SSIM值将显着降低。

图6显示了图6显示了灰度人物VCS图像恢复图像的质量比较。图6-c中的随机HP-VCS是一种具有相同数量黑色像素的秘密像素块的恢复方案。图6-e中近似的HP-VCS是一种用黑色像素替换全白色块中的白色像素的方案。图6中的值括号基于其半色调图像而不是秘密图像。

我们将PSNR值从52.36(图6-b)增加到68.23(图6-c)通过将共享块的可选矩阵限制为与原始矩阵相同的空间秘密方块。我们还从视觉上观察到HP-VCS获得了更高的质量图像恢复，而不是直接应用逐块操作，具有随机排列的像素块。我们还可以看到，如果我们只是用3个白色和1个黑色像素块替换全白块，这将导致整个白色区域，例如莉娜的手臂和图6-c中的边缘。

由于HP-VCS会调整图6-d中图像的亮度，因此其PSNR略有下降，但其SSIM与图6-d相似，是SSIM的两倍。图6-a和图6-b。因此，HP-VCS几乎无损加密了灰度级图像。

如图6-b所示，Hou的恢复图像更暗由于对比度降低。其PSNR和SSIM的值最低。本实施例采用的插值预处理方法与此类似。Hou的方案将灰度图像中的所有灰度调整为127通过线性内插使每个块中的黑色子像素数半色调转换后在2到4之间。最后，他们获得相同的重建图像中黑白像素的数量。但是，我们发现侯的方法无法使用2将所有块转换为所需的块到4个黑色像素。对于彩色人物图，有4个异常具有3个白色像素和1个黑色像素的块，占所有像素的0.062％块。因此，非常少量的像素替换是必要的，并且在HP-VCS中可行。

现有技术和本发明对彩色人物的恢复图像的质量比较为：我们用平均值计算彩色图像的PSNR每个通道中的PSNR。因为数字半色调技术本身就是有损过程，这是不可能的完全重建原始秘密图像，因此PSNR降低到27.77％。从HP-VCS恢复的图像的SSIM值为4.20％，而从随机恢复的图像的SSIM值HP-VCS为1.80％。我们可以推断出，加密像素提高了彩色图像的质量。从我们的方法中恢复的图像质量与半色调方法。由于所选人物图像的DPI很小，因此图像的PSNR和SSIM值在半色调后下降。如果我们增加DPI从72到300，半色调技术将提供无损方法用于图像的二值化，因此我们的方法几乎可以无损地恢复彩色图像。

4.2、HP-VCS在其他彩色图像上的性能评估

为了测试HP-VCS的通用性，我们首先选择八种常用颜色。秘密映像的大小均为512512。然后，我们将我们的方法与三种不同大小不变方法进行如下比较：

表4

上表中半色调的PSNR值供参考的图像是100.00

4.2.1灰度图像

在灰度级别上说明HP-VCS的加密和恢复结果图像，我们首先将彩色图转换为灰度图像。我们提供恢复的图像相对于原始和半色调的PSNR和SSIM值图像在同一时间。半色调将大大改变结构图像的信息，因此最好测量图像的质量相对于半色调图像。我们还包括相对于原始指标的指标图片供参考。

如表4和表5所示，SSIM提供了更好的方法来区分人类对恢复图像的视觉感知。使用PSNR指标很难评估由于每个图像之间的黑白像素比率，方差和结构信息的差异而导致的恢复图像的质量。如表4的第二列显示了相对于半色调的PSNR值图像全部约为51。半色调技术等效于添加白色图像的噪声，因此每个图像的PSNR值半色调后相差不大。

表5的第二列显示了HP-VCS的性能最好的，并且是所有其他八种方法的两倍之多图片。表5的第四列显示了侯的实验结果。的通过此方法恢复的图像的SSIM值在0.69％和2.35％之间。尽管两种方案都使用插值预处理，但很明显，该方法可以恢复更高质量的图像。

表5的第五和第六列显示了概率的性能方法，包括吴和杨的方案。我们得到吴的表演4种黑白VCS中的3种方法。虽然没有预处理对于此方法中的原始图像，仅3 4-VCS的对比度底层(k；n)阈值VCS的1/4，因此叠加的SSIM度量图像仍然较低，范围从0.50％到1.85％。杨的方案基于传统的2-2-VCS，其对比度为1/2。因此，杨的方法的SSIM是吴的两倍。我们可以推断，尽管概率性VCS可以直接使用现有的VCS方案，底层VCS限制了它们的对比度。

表5

表5中以前的算法与HP-VCS之间的SSIM灰度图像比较括号中的值是相对于半色调图像的，其SSIM值为100.00％

4.2.2彩色图像

表6显示了恢复的彩色图像的PSNR和SSIM。全部值是相对于原始秘密图像的。括号中的值是SSIM的百分比。由于彩色图像会使用通道和逐位加密。因此，彩色图像的PSNR低于灰度级的PSNR图片。与灰度图像类似，PSNR指标在评估方面很差恢复图像的质量和相对于秘密图像的PSNR值都在27％至28％之间。

表6

表6中以前的算法和HPVCS之间的彩色图像的PSNR和SSIM比较。括号中的值为百分比形式的SSIM值。所有值均相对于原始秘密图片。

表6的第三列显示从我们的方案中恢复的图像具有最高的质量。尽管我们的方法还可以调整颜色的灰度级像侯一样，其SSIM值是侯的两倍。那个建议是与传统的视觉密码术类似，可避免发生对比度损失。表6的第五和第六列显示了Wu和Ching的计划。Ching的方法只针对黑白图像。至实现彩色图像的视觉加密，我们将Yang的方法应用于三个进行颜色分解后的CMK通道。他们的方法满足VCS的许多常用属性。但是，PSNR和SSIM吴和杨方法的值较低，因为其下方的对比度n个阈值VCS的限制是有限的。因此，我们可以得出结论，我们的方法胜过所有概率方法。

4.3HP-VCS在文本图像上的性能评估

在本节中，我们将评估HP-VCS在文本图像上的性能。人们充分利用文字图像来传递自然图像之外的秘密，包括使用具有随机布局的虚拟键盘来避免肩膀冲浪输入用户的PIN码并生成秘密选票的攻击列出候选人姓名的收据。我们选择报纸页面，将图像和文本混合在一起作为测试图片。如图8所示，秘密文本图像(a)Secret image和解密图像(b)Recovered image使用相同的HP-VCS，我们可以获得良好的效果在文字图像上也是如此。白色像素构成了报纸的背景，因此其损失对图像恢复的影响较小。因为完美的属性HP-VCS中的黑色，我们可以完全恢复形成秘密字符的黑色块。图8括号中的值相对于半色调图像。

5、综上，本发明可以：消除像素扩展。与许多现有方案相比，可以显著提高恢复图像。通过逐块加密图像，我们消除了像素扩展。我们通过精心处理加密前后像素块的映射关系来获得更高的对比度。垂直像素块的排列不仅消除了恢复的扩展图像，但也可以精确加密像素块。而现有方法仅处理大小不变，并没有考虑恢复的块和原始块的对应关系，因而对比度较低。此外，多种排列方式HP-VCS中的相同像素块可确保黑客无法感知任何关于秘密图像的线索。实验结果有表明所提出的方案可以增强视觉感知并改善恢复图像的质量，因此利用本发明技术手段可以实现：

1.本发明提出供的VCS既可以高质量恢复秘密图像，又可以消除像素扩展。

2.本发明提供的技术方案评估了HP-VCS加密通用密码的性能灰度，彩色和文本图像。

3.本发明提供的技术方案可以实现几乎无损的视觉加密，这较之现有技术显着改善了图像的视觉恢复。

实施例2：

为了实现上述方法，本发明还提供了本发明还提供一种基于视觉效果秘密共享系统，如图9所示，包括：

加密模块，用于将原始图像拆分为多个秘密图像；将每个秘密图像映射为秘密块；基于秘密块的大小逐块生成多个共享图像块；采用循环堆叠的方式移动各共享图像块实现对所述共享图像块的加密；

分发模块，用于按照堆叠好的顺序将加密后的共享图像块分发给至少两个用户；

解密模块，用于将分发到用户的共享图像块按次序叠加，获得与原始图像质量相同的解密图像；

其中，所述秘密块具有多个像素。

加密模块中的将原始图像拆分为多个秘密图像具体用于：将原始图像生成多个秘密图像；将每个秘密图像按照一定大小像素块映射为秘密块；基于所述秘密块的像素值生成矩阵。

加密模块中的基于秘密块的大小逐块生成多个共享图像块，具体包括：针对每个秘密块按顺序映射为多个与所述秘密块像素排列与大小一致的共享图像块；如果存在全白共享块，则将所述全白共享块中的一个像素替换为黑色像素得到修订后的共享图像块。

加密模块中的采用循环堆叠的方式移动各共享图像块实现对所述共享图像块的加密，具体用于：根据将要分发用户的数量将共享图像块分组；持续调整各用户共享图像块的Sheet顺序，直到得到调整顺序中最清晰的图像；按照当前共享图像块的Sheet顺序重新排序；保持所有用户的共享图形块的Sheet顺序不变，持续选择任意Sheet，并对所述Sheet中的各像素进行旋转，直到得到旋转过程中最清晰的图像。

加密模块包括：

拆分子模块，用于将原始图像生成多个秘密图像；

映射子模块，用于将每个秘密图像按照一定大小像素块映射为秘密块；

矩阵构建子模块，用于基于所述秘密块的像素值生成矩阵。

共享图像块生成子模块，用于：针对每个秘密块按顺序映射为多个与所述秘密块像素排列与大小一致的共享图像块；

修订子模块，用于判断所述共享块是否为全白模块，还用于如果存在全白共享块，则将所述全白共享块中的一个像素替换为黑色像素得到修订后的共享图像块。

加密模块还包括：堆叠加密子模块，用于采用循环堆叠的方式移动各共享图像块实现对所述共享图像块的加密；

堆叠加密子模块包括：

顺序调整单元：用于根据将要分发用户的数量将共享图像块分组；持续调整各用户共享图像块的Sheet顺序，直到得到调整顺序中最清晰的图像；

像素旋转单元，用于按照当前共享图像块的Sheet顺序重新排序；保持所有用户的共享图形块的Sheet顺序不变，持续选择任意Sheet，并对所述Sheet中的各像素进行旋转，直到得到旋转过程中最清晰的图像。

顺序调整单元具体用于，依次针对每个用户，对所述用户所持有的Sheet按照原先的Sheet编号顺序滚动相应的行数，此时另外用户持有的Sheet顺序不变。

本发明中原始图像包括黑白图像和彩色图像；对应的秘密块包括：白色像素、黑色像素和灰度；所述黑白图像的灰度为透明度；彩色图像的灰度包括：青色、品红色和黄色中的一种或多种组合构成。

可打印的视觉效果秘密共享系统还包括：彩色图形分解模块，用于当所述原始图像为彩色图像时，将所述彩色图像按照单色图分解；

针对每个单色图单独调用加密模块进行加密。

其中，矩阵如下式：

式中，C₀为白色秘密像素候选矩阵；C₁为黑色秘密像素候选矩阵；S⁰为白色秘密像素种子矩阵；S¹为黑色秘密像素种子矩阵；d_m,n为像素块，各像素块的取值范围为(1,2,3)，分别代表白色、黑色和灰度，n表示总的分存大小，m表示单个加密块的大小。

分发模块具体用于：按共享图像块加密后的顺序交叉分发给至少两个用户。

对文中一些引用的解释

[1]Naor和Shamir：人名简称，指M.Naor，A.Shamir，1994年了一种新的视觉密码技术Visual Cryptography Scheme(VCS)。

[2]Chen等人：人名简称，指陈永福，陈奕坤，黄春贤，蔡美儿，朱永平，多层次无图像尺寸扩展、信息的可视秘密共享方案

[3]Hou等人：人名简称，指侯玉华，涂春生

[4]Yang等人：人名简称，指C.-N.Yang,New visual secret sharing schemesusing probabilistic

[5]Wu等人：人名简称，指刘富国，吴春凯，林晓杰，吴克文，王国生，李克强。

[6]Tuyls等人：人名简称，指P.Tuyls,H.D.Hollmann,J.H.Van Lint,L.Tolhuizen,XOR-based visual

[7]Wang等人：人名简称，指Z、Wang，A.C.Bovik，H.R.Sheikh，E.P.Simoncelli

显然，所描述的实施例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它实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种基于视觉效果秘密共享方法，其特征在于，包括：

将原始图像拆分为多个秘密图像；将每个秘密图像映射为秘密块；基于秘密块的大小逐块生成多个共享图像块；采用循环堆叠的方式移动各共享图像块实现对所述共享图像块的加密；

按照堆叠好的顺序将加密后的共享图像块分发给至少两个用户；

将所有分发到用户的共享图像块按次序叠加，获得与原始图像质量相同的解密图像；

其中，所述秘密块具有多个像素；

所述将原始图像拆分为多个秘密图像；将每个秘密图像映射为秘密块，包括：

将原始图像生成多个秘密图像；

将每个秘密图像按照一定大小像素块映射为秘密块；

基于所述秘密块的像素值生成矩阵；

所述基于秘密块的大小逐块生成多个共享图像块，包括：

针对每个秘密块按顺序映射为多个与所述秘密块像素排列与大小一致的共享图像块；

如果存在全白共享块，则将所述全白共享块中的一个像素替换为黑色像素得到修订后的共享图像块；

所述采用循环堆叠的方式移动各共享图像块实现对所述共享图像块的加密，包括：

根据将要分发用户的数量将共享图像块分组；

持续调整各用户共享图像块的Sheet顺序，直到得到调整顺序中最清晰的图像；

按照当前共享图像块的Sheet顺序重新排序；

保持所有用户的共享图形块的Sheet顺序不变，持续选择任意Sheet，并对所述Sheet中的各像素进行旋转，直到得到旋转过程中最清晰的图像。

2.如权利要求1所述的视觉效果秘密共享方法，其特征在于，所述调整各用户共享图像块的Sheet顺序，包括：

依次针对每个用户，对所述用户所持有的Sheet按照原先的Sheet编号顺序滚动相应的行数，此时另外用户持有的Sheet顺序不变。

3.如权利要求1所述的视觉效果秘密共享方法，其特征在于，所述原始图像包括黑白图像和彩色图像；所述秘密块包括：白色像素、黑色像素和灰度；所述黑白图像的灰度为透明度；所述彩色图像的灰度包括：青色、品红色和黄色中的一种或多种组合构成。

4.如权利要求3所述的视觉效果秘密共享方法，其特征在于，当所述原始图像为彩色图像时，将所述彩色图像按照单色图分解，针对每个单色图，分别拆分为多个秘密图像块；基于秘密块的大小逐块生成多个共享图像块；采用循环堆叠的方式移动各共享图像块实现对所述共享图像块的加密。

5.如权利要求1所述的视觉效果秘密共享方法，其特征在于，所述矩阵如下式：

式中，C₀为白色秘密像素候选矩阵；C₁为黑色秘密像素候选矩阵；S⁰为白色秘密像素种子矩阵；S¹为黑色秘密像素种子矩阵；d_m,n为像素块，各像素块的取值范围为(1,2,3)，分别代表白色、黑色和透明色，n为分存总的大小；m为单个秘密像素块的大小。

6.如权利要求1所述的视觉效果秘密共享方法，其特征在于，所述将所述加密共享图像块分发给至少两个用户，包括：

按共享图像块加密后的顺序交叉分发给至少两个用户。

7.一种基于视觉效果秘密共享系统，其特征在于，包括：

加密模块，用于将原始图像拆分为多个秘密图像；将每个秘密图像映射为秘密块；基于秘密块的大小逐块生成多个共享图像块；采用循环堆叠的方式移动各共享图像块实现对所述共享图像块的加密；

分发模块，用于按照堆叠好的顺序将加密后的共享图像块分发给至少两个用户；

解密模块，用于将所有分发到用户的共享图像块按次序叠加，获得与原始图像质量相同的解密图像；其中，所述秘密块具有多个像素；

所述加密模块具体用于：

将原始图像生成多个秘密图像；

将每个秘密图像按照一定大小像素块映射为秘密块；

基于所述秘密块的像素值生成矩阵；

针对每个秘密块按顺序映射为多个与所述秘密块像素排列与大小一致的共享图像块；如果存在全白共享块，则将所述全白共享块中的一个像素替换为黑色像素得到修订后的共享图像块；

根据将要分发用户的数量将共享图像块分组；

持续调整各用户共享图像块的Sheet顺序，直到得到调整顺序中最清晰的图像；

按照当前共享图像块的Sheet顺序重新排序；

保持所有用户的共享图形块的Sheet顺序不变，持续选择任意Sheet，并对所述Sheet中的各像素进行旋转，直到得到旋转过程中最清晰的图像。

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