背景技术
数据隐藏技术是一种通过在多媒体对象(如图像、音频、视频、文本)中隐藏一段秘密信息来保护数据的技术,这些信息可以在需要时提取出来,用于保护易被修改的敏感信息,如军事图像和对话、法律图像、医学图像等。目前数据隐藏技术主要包括基于秘密图像共享(Secret Image Sharing,SIS)的加密图像可逆数据隐藏技术和加密图像可逆数据隐藏技术(Reversible Data Hiding in Encrypted Image,RDH-EI)。
下面介绍基于秘密图像共享的加密图像可逆数据隐藏技术。一般秘密图像共享模型中包含的角色有:秘密图像拥有者,参与者和秘密图像重建者。各个角色的功能如下:秘密图像拥有者负责将一幅秘密图像分割为n个影子图像(shadow image),参与者负责接收并保存秘密图像拥有者生成的一个影子图像;秘密图像重建者,必要时负责秘密图像的重建。
一个安全有效的门限秘密图像共享方案通常具有以下基本特征:1)秘密图像拥有者生成的每份影子图像都是随机图像,其内容不可见,不会泄露秘密图像的任何信息。2)秘密图像重建者如果收集的影子图像少于k份,则无法重建秘密图像,秘密图像的任何信息都不会泄露。3)秘密图像重建者收集不少于k份影子图像就能重建秘密图像,其中。
经典的加密图像可逆数据隐藏技术(Reversible Data Hiding in Encrypted
Image,RDH-EI)包含三个部分:(1)载体图像加密;(2)数据嵌入;(3)数据提取和载体图像恢
复。在图像加密阶段,载体图像提供者对载体图像进行加密,生成加密图像(Encrypted
Image, EI),然后分别通过安全信道将加密图像发送给认证过的数据隐藏者(Datahider)。
在数据嵌入阶段,第i个数据隐藏者Datahider-i 先使用数据隐藏密钥对需隐藏的秘密
数据进行加密,然后将加密后的秘密数据嵌入到加密图像中生成标记加密图像(Marked
Encrypted Image, MEI),最后通过安全信道将和标记加密图像发送给接收者
(Receiver)。在数据提取和载体图像恢复阶段,接收者对标记加密图像进行重建,并利用使
用解密嵌入的加密秘密数据。
大部分可逆数据隐藏方法都是基于VRAE(加密后腾空空间)或VRBE(加密前腾空空间) 实现的,都需要在嵌入数据之前腾出相应的空间,由于不同图像腾出的空间不一样,因此这些方法的嵌入率都不恒定,受载体图像的影响较大。目前最先进的可逆数据隐藏技术的数据嵌入率最高能达到4 比特每像素,该方法基于RDHEI-RCRT(Robust ChineseRemainder Theorem,健壮中国剩余定理)技术,其嵌入率是恒定的,不会因为载体图像发生改变而变化。
中国剩余定理CRT(Chinese Remainder Theorem)算法可以在欧几里得环(如常用
的整数环Z和系数为域上元素的多项式环)上求解一个给定同余方程组的解。而RCRT
(Robust Chinese Remainder Theorem,健壮中国剩余定理)则容许在各同余方程中余数存
在误差情况下,求解该同余方程组的近似解。特别地,在小误差条件下,如果其中任一同余
方程中的余数误差已知,RCRT(Robust Chinese Remainder Theorem,健壮中国剩余定理)
即可精确求解同余方程组的解。
然而,目前利用RCRT(Robust Chinese Remainder Theorem,健壮中国剩余定理)技术进行秘密图像共享只利用到了单一像素进行数据嵌入,没有充分利用载体图像像素空间,不能实现较高的数据嵌入率。
发明内容
为此,本发明提供一种基于健壮中国剩余定理编码的高嵌入率可逆数据隐藏方法,以力图解决或至少缓解上面存在的问题。
根据本发明第一方面,提供一种基于健壮中国剩余定理编码的高嵌入率可逆数据隐藏方法,包括以下步骤:S110,载体图像提供者对载体图像进行加密,以形成加密图像,并将加密图像通过安全信道发送给数据隐藏者,加密过程使用了基于中国剩余定理的秘密图像共享技术;S120,在收到加密图像后,数据隐藏者将秘密数据用数据隐藏密钥加密后嵌入到加密图像中,以生成标记加密图像,并发送给接收者;S130,在收到来自数据隐藏者的数据隐藏密钥和标记加密图像后,接收者进行秘密数据的提取和载体图像的恢复。
进一步地,在对载体图像进行加密之前,将载体图像中每连续t个像素作为一个像
素组,将像素组的数值映射到多项式环上,完成从[0, -1]范围内整数到多项式环上多
项式的转换,从而对载体图像加密的过程在多项式环上进行。
进一步地,所述对载体图像进行加密包括:公共参数设置,图像加密;公共参数设
置包括:利用门限秘密图像共享,是门限秘密图像共享方案中一共计算得到的
共享份额数目,是门限秘密图像共享方案中重建图像所需的最小共享份额数目,令
为载体图像,其大小为,为以像素数表示的图像高度,为以像素数表示的图像宽
度,载体图像提供者选取个模数多项式,其中,多项式环是由系数在有限域G中的多项式构成的环,
是模数多项式中的变量,所选模数多项式满足以下两个条件:a) 对于加密图像而言,其所
有像素组值的范围为,所有模数多项式的次数均为,这样加密图像中的像素
组值映射到多项式后,次数在 ] 范围内,即,是求
多项式的最高次数的函数;b) 为了满足健壮中国剩余定理的要求,各模数多项式的构造如下:令,是n个两两互素的多项
式,并满足为随机多项式,使得 满
足;载体图像提供者挑选一个公开多项式;
所述图像加密包括:令为载体图像的第个像素组,每个像素组包含个像素,
令为对应的多项式,,载体图像提供者首先选择一
个秘密的随机多项式,该秘密的随机多项式为图像加密密钥:,且满足条件:
(1)
然后,计算经过门限处理的像素组多项式:
(2)
接着利用秘密共享加密生成n份加密像素组,每组包含个像素,n份加密像素组对
应的多项式为:
(3)
多项式对应的加密像素组又称为的第个影子像素组,mod是求余数的
函数;重复执行以上步骤,直到载体图像所有的像素组完成加密分享,最终载体图像提供者
得到n份加密图像{}。
进一步地,在计算公式(2)之前,先对载体图像的每个像素组对应的多项式用随
机密钥加密,且所述随机密钥在载体图像提供者与接收者之间提前共享。
进一步地,所述的步骤S120中,在收到加密图像后,数据隐藏者将秘密数据嵌入到加密图像中包括:数据加密:在嵌入秘密数据之前,利用随机生成的数据隐藏密钥对秘密数据进行加密,得到加密数据;数据嵌入:将加密后的秘密数据嵌入到全部加密像素组中的一部分加密像素组中。
进一步地,所述S130中,在收到来自多个数据隐藏者的数据隐藏密钥和标记加密
图像后,接收者基于中国健壮剩余定理进行秘密数据的提取和载体图像的恢复包括:接收
者直接提取标记加密图像中带有秘密数据的像素组的低位,是所述加密数据的长度,得到
加密数据,然后分别用对应数据隐藏者的数据隐藏密钥解密得到最终的秘密数据;
令 表示任意份没有受到恶意篡改的标记加密图像,表示相应的个数据隐藏者的标号,并且相应的模数多项式为, 为载体图像中第个像素组的任意个影
子像素组, 图像恢复者以其中某个无数据嵌入的影子像素组为参考,利用健壮中国剩余定
理计算载体图像的第j个像素组:
(6)
(7)
其中,RCRT是用于求取带有误差的同余方程组的函数。
有益效果:
根据本发明技术方案,实现了秘密图像的无损健壮恢复,还能在过程中以高嵌入率完成隐藏数据的传输:一方面确保恢复得到的秘密图像与原始秘密图像完全相同;即只要可用影子图像数量达到门限值,即可无损恢复秘密图像。另一方面,基于健壮中国剩余定理可以在理论上实现信息嵌入率接近100%,(信息嵌入率=嵌入比特数/载体比特数)。基于秘密共享机制实现载体图像加密和无损重建过程,无需额外传递载体图像加密密钥。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式,然而应当理解,可以以各种形式实现本公开,且本公开不应被这里阐述的实施方式所限制。相反,提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开,并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
图1示出根据本发明实施方式的基于健壮中国剩余定理编码的高嵌入率可逆数据隐藏方法的示意性流程图。图2示出根据本发明实施方式的基于健壮中国剩余定理编码的高嵌入率可逆数据隐藏方法的示意性过程图。下面结合图1和图2对根据本发明的实施方式的可逆数据隐藏方法进行描述。如图1所示,该方法包括以下步骤:
S110,载体图像提供者对载体图像进行加密,以形成加密图像,并将加密图像通过
安全信道发送给数据隐藏者,加密过程使用了基于中国剩余定理的秘密图像共享技术。载
体图像加密的主要目的是防止数据隐藏者获得载体图像的具体内容(假设数据隐藏者间不
互相串通、不泄露自己收到的加密图像)。令表示载体图像提供者提供的载体图像,在对图
像加密之前,需将中每连续个像素作为一个像素组,将像素组的数值映射到多项式环上,完成从[0, -1]范围内整数到上多项式的转换,其中的次数。deg是求多项式的最高次数的函数。整个图像加密过程分为两个部分:
公共参数设置及图像加密。所有的运算都在上进行。其中,多项式环是由系数在
有限域G(只存在0和1两种元素)中的多项式构成的环,可以理解为一个多项式,但多项式
的系数只存在0和1。公共参数指的是在方案处理过程中公开的参数。
下面介绍公共参数设置:
利用门限秘密图像共享(Secret Image Sharing,SIS),是门限秘密
图像共享方案中一共计算得到的共享份额数目,是门限秘密图像共享方案中重建图
像所需的最小共享份额数目,令为载体图像,其大小为,为以像素数表示的图像
高度,为以像素数表示的图像宽度。载体图像提供者选取个模数多项式,其中,是模数多项式中的变量。
所选模数多项式还需满足以下两个条件:a) 对于加密图像而言,其所有像素组值的范围为。因此,所有模数多项式的次数均为,这样加密图像中的像素组值映射到多
项式后,次数在 ] 范围内。即。b) 为了满足RCRT 的
要求,各模数多项式的构造如下:令是n
个两两互素的多项式,并满足为随机多项式,使得 满足。另外,载体图像提供者还需要挑选
一个公开多项式。
下面介绍图像加密:
下面通过-秘密图像共享实现对载体图像的加密。首先,令为载体图像
的第个像素组,每个像素组包含个像素。令为对应的多项式,显然。载体图像提供者首先需要选择一个秘密的随机多项式(图像加密密
钥),且满足条件:
(1)
然后,计算经过门限处理的像素组多项式:
(2)
接着利用秘密共享加密生成n份加密像素组,每组包含个像素,加密像素组对应
的多项式为:
(3)
其中,mod是求余数的函数。多项式对应的加密像素组又称为的第个影
子像素组。
重复执行以上步骤,直到载体图像所有的像素组完成加密分享。最终载体图像提
供者可得到n份加密图像{}。
在载体图像加密完成后,载体图像提供者需将每份加密图像 通过安全信道发
送给相应的数据隐藏者,以便进行数据隐藏。
注意:为了确保加密像素组对应的多项式的随机性和安全性,在式(2)中,也
可以先对载体图像的每个像素组,比如第1个像素组对应的多项式用随机密钥加密。前提条件是载体图像提供者与接收者间需提前共享随机密钥。
S120,在收到加密图像后,数据隐藏者将秘密数据使用数据隐藏密钥加密后嵌入到加密图像中,以生成标记加密图像,并发送给接收者。具体步骤如下:(1)数据加密:在嵌入秘密数据之前,需利用随机生成的数据隐藏密钥对秘密数据进行加密。(2)数据嵌入:将加密后的秘密数据嵌入到全部加密像素组中的一部分加密像素组中。
下面首先描述数据加密过程。令表示待嵌入的秘密数据,是与秘密数据长度相等的随机密钥。通过⊕(异或)运算后可得到加
密数据,如下:
(4)
其中,表示数据隐藏者待嵌入的第i个秘密数据,是数据隐藏者的第i个数据
隐藏密钥,是数据隐藏者的第i个加密数据(需嵌入到加密图像中),⊕表示异或运算。下
面描述数据嵌入的过程:
假设每个加密数据长度为比特。对于()门限的秘密图像共享,需要对可嵌
入数据的加密像素组进行设置。第i个数据隐藏者将加密图像中所有像素组按从左到
右、从上到下进行排序形成加密像素组序列, (如图3中的第i行所示)。根据
健壮中国剩余定理(RCRT)的特性,在进行图像恢复时,为了保证载体图像无损恢复,在恢复
任一像素组,如载体图像的第j个像素组时,从加密像素组中选择的不
少于个加密像素组中,应至少存在一个未嵌入秘密数据的像素组。为此,对于任意位置,
在满足的位置上不嵌入数据,而在其余位置嵌入数据。其中, 中表
示行号,对应加密图像的编号,表示列号,对应像素组编号,是门限秘密图像共
享方案中一共计算得到的共享份额数目,是门限秘密图像共享方案中重建图像所需
的最小共享份额数目。
令表示一个像素组可嵌入秘密数据的最大比特数,则,其中(
)是选择的模数多项式组中所有模数多项式的最大公因子,可根据具体方案自行选择。
第i个数据隐藏者使用最低有效位(LSB)替代方法嵌入秘密数据,即用加密数据
直接对加密图像中可嵌入数据的各影子像素组的最低位进行替代,将替代后的各影
子像素组记为,其中j=1,2,…。与加密数据长度一致。
第i个数据隐藏者将加密数据按上述过程嵌入到加密图像中,生成标记加密
图像 (由各像素组构成),然后将相应的数据隐藏密钥和标记加密图像安全
地发送给认证过的接收者。份标记加密图像记为:
。
S130,在收到来自数据隐藏者的数据隐藏密钥和标记加密图像后,接收者基于中国健壮剩余定理进行秘密数据的提取和载体图像的恢复。
接收者可以直接提取标记加密图像中带有秘密数据的像素组的低位,得到加密
数据,然后分别用对应数据隐藏者的数据隐藏密钥解密得到最终的秘密
数据。解密过程如下:
(5)
然后进行图像恢复。图像恢复和数据提取两个过程是相互独立的。在数据提取的过程中,标记加密图像中的所有像素值不会发生改变,并且接收者可以直接通过标记加密图像进行载体图像的恢复。
根据健壮中国剩余定理(RCRT)的特性可知,如果至少存在一个余数多项式没有误
差,就能精确地重建原始多项式。根据秘密数据嵌入规则可知,在用以恢复像素组的任
意不少于个影子像数组中,至少存在个影子像素组没有嵌入秘密数据,
并且其位置已知。
因此,可以利用健壮中国剩余定理(RCRT)无损地恢复载体图像。在图像恢复阶段,
由于载体图像是通过门限秘密共享进行加密的,所以接收者只需要挑选份没有受到
篡改的标记加密图像就可以重建载体图像。
令 表示任意份没有受到恶意篡改的标记加密图像,表示相应的个数据隐藏者的标号,并且相应的模数多项式为, 为载体图像中第个像素组的任意个影
子像素组。为了恢复, 图像恢复者以其中某个无数据嵌入的影子像素组为参考,利用健
壮中国剩余定理(RCRT)精确计算载体图像的第个像素组:
(6)
(7)
其中,是方案执行者自行选择的公开的多项式,RCRT是用于求取带有误差
的同余方程组的函数。
从而可以从载体图像的第个像素组对应的多项式求解像素组。通过求
解所有即可精确恢复原始载体图像。
下面对以上实施方式所实现的信息嵌入率进行分析。信息隐藏研究中信息嵌入率定义为像素组嵌入比特数与载体像素组比特数比值。即:
嵌入率=嵌入比特总数/载体像素组总比特数。
在载体图像的任意影子图像中,每个连续的影子像素组中共有个像素
组嵌入秘密数据,每个秘密数据为位,。因此每个影子像素组最多嵌入数据
比特。采用(本实施方式中为达到最大理论嵌入率,使用(n,n)秘密共享,即k=n)门限
秘密图像共享机制时,每个影子像素组最多嵌入数据比特。由于个载体影子像
素组包含个像素,共有比特,因此信息嵌入率为: 。
当趋于无穷大时,很容易接近于 因此信息嵌入率的极限为:。
从以上看到,根据本发明实施方式的技术方案,实现了秘密图像的无损健壮恢复:
一方面确保恢复得到的秘密图像与原始秘密图像完全相同;只要可用影子图像数量达到门
限值,即可无损恢复秘密图像。另一方面,将个像素合并为一个像素组,增强信息嵌入能
力。当基于门限秘密图像共享机制实现信息嵌入时,随着增大,每像素的可嵌入信
息接近8比特,信息嵌入率趋近理论极限值1。基于秘密共享机制实现载体图像加密和无损
重建过程,无需额外传递载体图像加密密钥。
下面以(9,9)门限秘密图像共享为例描述根据本发明实施方式的技术方案。
在载体图像加密阶段,首先进行参数设置:
选取为公开多项式,令;
;
其中,g(x)是选择的模数多项式组中所有模数多项式的最大公因子,是选择
的模数多项式组中所有模数多项式除去最大公因子后所剩的部分。
故而每个模多项式分别为:
。
令每个像素组包含5个像素。为简单起见,以载体图像中的单一像素组为例,相应
地,对应上的多项式为:。
然后进入图像加密阶段。下面以单一像素组加密过程为例说明载体图像加密。
通过将像素组分割为个影子像素组,实现对事实上的加密。
首先,载体图像提供者根据公式(1)中的条件,随机生成1个不超过39次的秘密随
机多项式,比如:。
根据公式(2),计算,得到:
,
然后,根据公式(3),计算像素组的影子像素组 。 表示第个数据隐藏者获得的像素组的影子像素组。首
先计算:
。
相应的影子像素组为:
,
。
然后进入数据隐藏阶段。在收到加密图像后,每个数据隐藏者将秘密数据嵌入。
因为,所以如图4所示,每组(9个)的影子像素组中有8个可嵌入数据的像素组,又
因为,因此,每个可嵌入数据的像素组至多可嵌入35 比特的秘密数据。
假设:
,
,
,
,
,
,
,
,
分别是第2至第9数据隐藏者所需嵌入的秘密数据(第1数据隐藏者没有嵌入任何数据),相应的随机密钥为:
,
,
,
,
,
,
,
。
相应的密文 为:
,
,
,
,
,
,
,
。
嵌入秘密数据后的数值依次为:
,
),
,
,
,
,
,
,
。
对应的各多项式依次为:
;
;
;
;
;
;
;
;
。
最后进入数据提取和图像解密阶段。首先描述数据提取。由于的次数,将每个满足 的影子像素组(嵌入了数据)的低35位作
为密文。接收者通过如下计算即可提取嵌入的秘密数据:
。
在图像解密阶段,对于由于不满足上述的条件,因此
未嵌入数据。因此,以为参考,接收者r调用健壮中国剩余定理(RCRT)精确重建方法,
即可正确重建,进而计算恢复正确的像素组。
;
。
下面对该示例的信息嵌入率进行分析。根据嵌入率=嵌入比特总数/载体像素组总
比特数,可知: 8个影子像素组每个嵌入数据35位,共嵌入数据
位,总载体像素组 有9个,共, 因此,嵌入率=嵌入比特总数/
载体像素组总比特数= 280/360 = 77.78%。
每像素嵌入位数=嵌入率×8位=6.2位,位数超过现有各方案。随着每像素组中包
含像素数的增加,以及各模多项式最大公因式次数的增加,上述嵌入率以
及每像素嵌入位数会进一步增大,在理论上嵌入率无限接近于100%。
在此处所提供的说明书中,说明了大量具体细节。然而,能够理解,本发明的实施方式可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中,并未详细示出公知的方法、结构和技术,以便不模糊对本说明书的理解。
尽管根据有限数量的实施方式描述了本发明,但是受益于上面的描述,本技术领域内的技术人员明白,在由此描述的本发明的范围内,可以设想其它实施方式。此外,应当注意,本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的,而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。