CN116094702A - 基于位平面分块和预测的加密图像可逆数据隐藏方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于位平面分块和预测的加密图像可逆数据隐藏方法，包括预处理腾出空间，图像编码，数据嵌入过程，提取与恢复过程。每一个位平面进行分块处理后，都进一步进行空间压缩。采用了“同位面水平压缩+多位面垂直压缩”的空间压缩方式，提供了不同分块的空间压缩可能性，提高了整个图像的空间压缩率和嵌入比率；根据不同分块的结构特征进行自适应编码，数据隐藏者能有序的嵌入秘密数据，易于接收方进行提取和恢复。

Description

基于位平面分块和预测的加密图像可逆数据隐藏方法
技术领域
本发明属于图像处理方法技术领域，涉及基于位平面分块和预测的加密图像可逆数据隐藏方法。
背景技术
随着互联网的飞速发展，基于网络的信息传输成为人们最重要的信息传播方式。这种现象的原因是因为网络传输能够快速地实现信息共享，极大地方便了人们的日常通信，即每个人都可以通过互联网快速上传或下载数字媒体信息，实现信息交互。但是，正因为互联网的便利性，日常生活中的网络信息传递存在着巨大的安全隐患。例如，通过网络传递的信息内容能轻易地被恶意攻击者篡改，导致信息内容不可信；另外，网络传递的信息内容也极易被未经授权的用户进行拷贝传播，从而泄露内容所有者的隐私。如何保证在信息传输过程中准确无误地向对方传输信息，已成为研究人员的研究方向和目的。
数据隐藏技术是通过把附加信息嵌入到常见的数字载体(如图像、文本、音频和视频等)中从而得到隐密载体，并且隐密载体在人类视觉上与原始的数字载体无明显差异，这种隐蔽性使得信息隐藏技术可以用于解决版权保护、隐蔽通信等安全性问题。这种技术虽然在一定程度上保证了嵌入信息在传输过程中的准确性，但是很多实际应用对图像的微小改变都是很敏感的，这在一些特殊领域是不被允许的，例如司法鉴定、远程医疗等等。综上所述，可逆信息隐藏算法在涉及信息安全的敏感领域能够发挥重要的作用，目前现有的可逆信息隐藏技术仍然存在着冗余空间利用不足，嵌入率较低的问题，所以设计出高性能的可逆信息隐藏算法是一项很有应用前景的研究工作。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于位平面分块和预测的加密图像可逆数据隐藏方法，解决了现有技术中存在的嵌入率低的问题。
本发明所采用的技术方案是，基于位平面分块和预测的加密图像可逆数据隐藏方法，包括以下步骤：
步骤1、将原始图像按照像素二进制划分为8个位平面；
步骤2、将每个位平面分成多个基本块；
步骤3、将所有基本块分类为单色块和混色块，采用自适应组合策略对单色块进行组合得到大块；采用逐位比较法对混色块进行压缩，腾出位置空间，并对所有位置信息进行记录；
步骤4、使用密钥Ke对步骤3处理后的图像加密得到加密图像Ie；
步骤5、采用8位编码对单色块进行标记，采用一位编码对混色块进行标记；
步骤6、由高到低依次对每个位平面进行数据嵌入，得到载密加密图像；
步骤7、使用置乱密钥Ks对载密加密图像进行图像置乱得到置乱图像；
步骤8、对置乱图像通过置乱密钥Ks恢复置乱得到载密加密图像；
步骤9、根据编码识别每个单色块和混色块，分离除编码之外的其他数据，并存放在数组中；
步骤10、通过数据隐藏密钥Kd得到原始秘密数据；
步骤11、使用密钥Ke对图像进行解密得到解密图像；
步骤12、对解密图像进行像素恢复得到原始图像。
本发明的特点还在于：
单色块的组合方法为：根据压缩矩阵G的组合方式选出可组合的最大块：
Figure BDA0004057601470000031
混色块的压缩方法为：根据原始像素的左边和上边像素求出每一个像素的预测值，将预测值与原始值逐位比较，若前t位相同，则腾出t+1位空间，并将所有的位置t进行记录，同时记录原始图像左上角第一个像素二进制值。
步骤5具体过程为：单色块的第一位编码用来区分单色块和混色块，第二位编码用来区分黑白色块，第三到五位编码用来标记块内首位像素的x，第六到八位编码用来标记块内首位像素的y；混色块的编码用来区分单色块和混色块。
步骤6的数据嵌入方法为：
先对每个单色块嵌入8位标记码，混色块中嵌入1位标记码；
再对每个单色块和混色块中除标记码位置外的其余空间嵌入原始图像左上角第一个像素二进制值；随后嵌入t位置信息；接着使用数据隐藏密钥Kd对原始秘密数据加密得到秘密数据，对每个单色块和混色块中除标记码位置外的其余空间嵌入秘密数据。
本发明的有益效果是：本发明基于位平面分块和预测的加密图像可逆数据隐藏方法，对每一个位平面进行分块处理以实现空间压缩，并采用“同位面水平压缩+多位面垂直压缩”的空间压缩方式，提供了不同分块的空间压缩可能性，提高了整个图像的空间压缩率和嵌入比率；根据不同分块的结构特征进行自适应编码，数据隐藏者能有序的嵌入秘密数据，易于接收方进行提取和恢复。
附图说明
图1是本发明基于位平面分块和预测的加密图像可逆数据隐藏方法的流程图；
图2是本发明基于位平面分块和预测的加密图像可逆数据隐藏方法中基本块的分类结果示意图；
图3是本发明基于位平面分块和预测的加密图像可逆数据隐藏方法中Lena图像最高位平面的示意图；
图4是本发明基于位平面分块和预测的加密图像可逆数据隐藏方法中混色块预处理过程示意图；
图5是本发明基于位平面分块和预测的加密图像可逆数据隐藏方法中采用的测试图片；
图6是本发明基于位平面分块和预测的加密图像可逆数据隐藏方法与现有方法在测试图像上的嵌入容量对比图；
图7是本发明基于位平面分块和预测的加密图像可逆数据隐藏方法中Lena图的嵌入过程图；
图8是本发明基于位平面分块和预测的加密图像可逆数据隐藏方法中Lena图的嵌入过程图对应的直方图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
基于位平面分块和预测的加密图像可逆数据隐藏方法，如图1所示，具体包括以下步骤：
步骤1、将原始图像按照像素二进制划分为8个位平面；
步骤2、将每个位平面分成k*k(k＝2,4,8等)的基本块；
步骤3、如图2所示，将所有基本块分类为单色块和混色块，单色块包括白色块、黑色块，见a、b，混色块见c，采用自适应组合策略对单色块进行组合得到大块；采用逐位比较法对混色块进行压缩，腾出位置空间，并对所有位置信息进行记录；
具体的，对于单色块，根据压缩矩阵G的组合方式选出可组合的最大块，如图3所示，图中框选出的为可能的组合块；
Figure BDA0004057601470000051
对于混色块，如图4所示，根据原始像素的左边和上边像素求出每一个像素的预测值，将预测值与原始值逐位比较，若前t位相同，则一共腾出t+1位空间，并将所有的位置t进行记录，同时记录原始图像左上角第一个像素二进制值；
步骤4、使用密钥Ke对步骤3处理后的图像加密得到加密图像Ie；
步骤5、采用8位编码对单色块进行标记，采用一位编码对混色块进行标记；
具体的，单色块的第一位编码用来区分单色块和混色块，单色块为1；第二位编码用来区分黑白色块，黑块为0，白块为1；第三到五位编码用来标记块内首位像素的x，第六到八位编码用来标记块内首位像素的y；混色块的编码用来区分单色块和混色块，混色块为0。
步骤6、由高到低依次对每个位平面进行数据嵌入，得到载密加密图像；
数据嵌入方法具体为：
步骤6.1、对最高位平面的每个单色块嵌入8位标记码，混色块中嵌入1位标记码；
步骤6.2、对每个单色块和混色块中除标记码位置外的其余空间嵌入原始图像左上角第一个像素二进制值；随后嵌入t位置信息，嵌入时保留后面的8-(t+1)位信息；接着使用数据隐藏密钥Kd对原始秘密数据加密得到秘密数据，对每个单色块和混色块中除标记码位置外的其余空间嵌入秘密数据；
步骤6.3、在嵌入数据后的最高位平面的基础上，对其余位平面重复步骤6.1-6.2，完成其他位平面的数据嵌入。
步骤7、使用置乱密钥Ks对载密加密图像进行图像置乱得到置乱图像；
步骤8、对置乱图像通过置乱密钥Ks恢复置乱得到载密加密图像；
步骤9、根据编码识别每个单色块和混色块，分离除编码之外的其他数据，并存放在数组中；
步骤10、通过数据隐藏密钥Kd得到原始秘密数据；
步骤11、使用密钥Ke对图像进行解密得到解密图像；
步骤12、对解密图像进行像素恢复得到原始图像；
具体的，将解密图像由高向低依次对每个位平面的单色块和混色块进行处理，对于单色块，从左到右、从上到下开始扫描位平面所在二进制图像，根据编码识别每个单色块和混色块，并记录混色块位置。其中，若识别为单色白块，当前块所有像素值置为1，若识别为单色黑块，当前块所有像素值置为0。对于混色块，首先根据记录的原始图像第一位像素求出所有预测值，再扫描所有混色块，根据当前像素预测值及其t位置信息进行像素值恢复。进一步的，恢复时前t位与预测值相同，第t+1位将预测值取反即可求出。
通过以上方式，本发明基于位平面分块和预测的加密图像可逆数据隐藏方法，对每一个位平面进行分块处理以实现空间压缩，并采用“同位面水平压缩+多位面垂直压缩”的空间压缩方式，提供了不同分块的空间压缩可能性，提高了整个图像的空间压缩率和嵌入比率；根据不同分块的结构特征进行自适应编码，数据隐藏者能有序的嵌入秘密数据，易于接收方进行提取和恢复。
为了证明本发明基于位平面分块和预测的加密图像可逆数据隐藏方法的性能，在图5所示的512×512像素大小的普通灰度图像上进行了一系列实验，其中随机生成的比特流被用作秘密数据，秘密数据被嵌入到每个测试图像中，从图像嵌入容量和安全性等方面对本发明的方法进行评价。
图像的嵌入率
图6描绘了本发明的方法与Fu等人和Yin等人的方法在测试图像上的最大嵌入容量的比较。为了定量评估嵌入容量的增加，将嵌入率定义为：
Figure BDA0004057601470000071
上式中，Mpayload和
Figure BDA0004057601470000072
分别为原始图像的嵌入容量和利用本发明的方法处理后的嵌入容量。从图6可以看出，本发明的方法处理后的图像可以获得最大的嵌入率。
安全性分析
如图2所示，a表示Lena图的整个嵌入和提取恢复过程，从图中可以看出，对原始图像a在图像传输过程中都不同程度做了加密处理，b为加密图像，c为载密加密图像，两个图像像素被打乱，保证传输过程中一定视觉上的安全性，恢复后的图像见d。同时，对整个传输过程中的每一步图像进行直方图分析，如图8所示，可以看到a中原始Lena图的直方图中，图像像素特征明显，在进行加密和数据嵌入后，b加密图像直方图和c载密加密直方图的像素特征趋于平缓，像素信息不容易暴露，一定程度上阻止传输过程中的直方图攻击。

Claims (5)

1.基于位平面分块和预测的加密图像可逆数据隐藏方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将原始图像按照像素二进制划分为8个位平面；
步骤2、将每个位平面分成多个基本块；
步骤3、将所有基本块分类为单色块和混色块，采用自适应组合策略对单色块进行组合得到大块；采用逐位比较法对混色块进行压缩，腾出位置空间，并对所有位置信息进行记录；
步骤4、使用密钥Ke对步骤3处理后的图像加密得到加密图像Ie；
步骤5、采用8位编码对所述单色块进行标记，采用一位编码对所述混色块进行标记；
步骤6、由高到低依次对每个位平面进行数据嵌入，得到载密加密图像；
步骤7、使用置乱密钥Ks对所述载密加密图像进行图像置乱得到置乱图像；
步骤8、对所述置乱图像通过置乱密钥Ks恢复置乱得到载密加密图像；
步骤9、根据编码识别每个单色块和混色块，分离除编码之外的其他数据，并存放在数组中；
步骤10、通过数据隐藏密钥Kd得到原始秘密数据；
步骤11、使用密钥Ke对图像进行解密得到解密图像；
步骤12、对所述解密图像进行像素恢复得到原始图像。
2.根据权利要求1所述的基于位平面分块和预测的加密图像可逆数据隐藏方法，其特征在于，所述单色块的组合方法为：根据压缩矩阵G的组合方式选出可组合的最大块：
Figure FDA0004057601460000021
3.根据权利要求1所述的基于位平面分块和预测的加密图像可逆数据隐藏方法，其特征在于，所述混色块的压缩方法为：根据原始像素的左边和上边像素求出每一个像素的预测值，将预测值与原始值逐位比较，若前t位相同，则腾出t+1位空间，并将所有的位置t进行记录，同时记录原始图像左上角第一个像素二进制值。
4.根据权利要求1所述的基于位平面分块和预测的加密图像可逆数据隐藏方法，其特征在于，步骤5具体过程为：所述单色块的第一位编码用来区分单色块和混色块，第二位编码用来区分黑白色块，第三到五位编码用来标记块内首位像素的x，第六到八位编码用来标记块内首位像素的y；所述混色块的编码用来区分单色块和混色块。
5.根据权利要求1所述的基于位平面分块和预测的加密图像可逆数据隐藏方法，其特征在于，步骤6的数据嵌入方法为：
先对每个单色块嵌入8位标记码，混色块中嵌入1位标记码；
再对每个单色块和混色块中除标记码位置外的其余空间嵌入原始图像左上角第一个像素二进制值；随后嵌入t位置信息；接着使用数据隐藏密钥Kd对原始秘密数据加密得到秘密数据，对每个单色块和混色块中除标记码位置外的其余空间嵌入秘密数据。
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