基于变分图像分解的数字图像加密及隐藏方法与流程

本发明涉及信息安全和光信息处理技术领域，尤其涉及一种基于变分图像分解的数字图像加密及隐藏方法。

背景技术：

数字图像作为当前最流行的多媒体形式之一，在政治、经济、军事、教育等领域有着广泛的应用。在互联网技术高度发达的今天，如何保护数字图像免遭篡改、非法复制和传播具有重要的实际意义。对图像加密及隐藏技术的研究已成为当前信息安全领域的热点之一。

由于光学信息处理技术具有高处理速度、高并行度、能快速实现卷积和相关运算等优点，近年来，利用光学方法进行数字图像加密引起了人们的极大兴趣。在光学图像加密技术中，最具有代表性的是javidi等提出的基于光学4f系统的双随机相位编码方法。该技术开辟了光学图像加密的新领域，基于该技术诞生了一大批光学加密新方法和新技术。此外，基于菲涅耳变换的加密方法也得到了广泛的关注和研究。然而，大多数基于双随机相位编码方法的图像加密系统是线性对称密码系统，即加密过程与解密过程使用的密钥相同。此类线性对称密码系统易受选择明文攻击和已知明文攻击等。

此外，在网络传输图像时，仅仅对图像进行加密处理(例如将有意义的一幅图像变为一幅无意义的类噪声图像)容易引起攻击者的注意。图像隐藏可以很好的解决这一问题。所谓图像隐藏，就是将需要保密传输的图像通过一定的技术手段嵌入另外一幅载体图像中，以不引起攻击者的注意。使用的技术手段应满足以下两点基本要求，即(1)人眼不能看出包含秘密图像的载体图像与原始载体图像之间有任何差别；(2)对各种几何攻击或图像处理攻击具有一定的鲁棒性。常用的技术手段包括傅里叶变换、小波变换、余弦变换等。然而，当前的图像隐藏方法在将秘密图像嵌入载体图像时，往往是对整幅载体图像进行变换等操作处理。此类操作很难很好的平衡秘密图像的不可见性及隐藏方法对各种几何攻击或图像处理攻击的鲁棒性。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出图像加密及隐藏方法，该方法可以很好的平衡秘密图像的不可见性及对各种几何变换攻击和图像处理攻击的鲁棒性。此外，该方法还可以有效抵抗统计攻击和选择明文攻击等。本发明采用的技术方案是，基于变分图像分解的数字图像加密及隐藏方法，待隐藏的图像首先经由基于双随机相位编码的切相菲涅耳变换系统加密；然后，使用变分图像分解方法将载体图像分解为卡通部分和纹理部分，并使用小波变换方法将加密后的图像嵌入到载体图像的纹理部分；最后，将包含秘密图像的纹理部分与卡通部分结合，就可得到包含秘密图像的载体图像。

在一个实例中，具体步骤如下：

1)待隐藏图像的加密部分：在加密过程中，待加密的图像io首先被第一块随机相位掩模rpm1调制，然后在平面光的照射下进行距离为z的菲涅耳变换；对经第一次菲涅耳变换后的复数形式的图像进行切相操作，得到振幅分布部分a1和相位分布部分p1；振幅分布部分a1被第二块随机相位掩模rpm2调制，然后在平面光的照射下再进行距离为z的菲涅耳变换；对经第二次菲涅耳变换后的复数形式的图像再进行切相操作，得到振幅分布部分a2和相位分部部分p2，其中振幅分布部分a2即是加密后的图像ie；

2)加密图像的嵌入部分：在加密图像的嵌入过程中，使用变分图像分解方法将载体图像ih分解为卡通部分iu和纹理部分iv，然后，通过一级小波变换将纹理部分iv分解为四个频带，即llv，lhv，hlv，hhv；其中，llv为纹理图像的低频部分，lhv、hlv和hhv分别为纹理图像在垂直方向、水平方向和对角方向的高频部分；此外，通过一级小波变换也将加密图像ie分解为四个频带，即lle，lhe，hle，hhe；其中，lle为加密图像的低频部分，lhe、hle和hhe分别为加密图像在垂直方向、水平方向和对角方向的高频部分；接下来，将纹理部分和加密图像分解后得到的频带进行融合，得到融合后的四个频带，即其中，fll为融合后的低频部分，flh、fhl和fhh分别为融合后垂直、水平和对角方向的高频部分；k为控制嵌入强度的参数。对融合后的四个频带进行逆小波变换，得到包含加密图像的纹理部分ive，最后，将iu与ive相加，得到包含加密图像的载体图像ihe；

3)加密图像的提取部分：在加密图像的提取过程中，需要用到原始载体图像ih的信息。首先，通过变分图像分解方法将ih分解为卡通部分iu和纹理部分iv，然后，将纹理部分iv通过一级小波变换分解为四个频带llv，lhv，hlv和hhv，接下来，将包含加密图像的载体图像ihe通过一级小波变换分解为四个频带llhe，lhhe，hlhe和hhhe；其中，llhe为包含加密图像的载体图像的低频部分，lhhe、hlhe和hhhe分别为包含加密图像的载体图像在垂直方向、水平方向和对角方向的高频部分；通过以下方式得到加密图像对应的四个频带，即最后，对lle，lhe，hle和hhe进行逆小波变换就可以将加密图像ie提取出来；

4)隐藏图像的解密部分：在解密过程中，提取出来的加密图像ie首先被第二次切相操作得到的相位分布部分p2调制，然后在平面光的照射下进行距离为z的菲涅耳变换的逆变换；经变换后的复数形式的图像的模被第一次切相操作得到的相位分布部分p1调制，然后在平面光的照射下再进行距离为z的菲涅耳变换的逆变换；对上述变换后的复数形式的图像取模，得到解密后的图像id。

本发明的特点及有益效果是：

本发明提供的图像加密及隐藏方法可以有效的平衡隐藏图像的不可见性及对各种几何变换攻击和图像处理攻击的鲁棒性，即保证隐藏图像不可见性的同时，可以有效提高系统对各种几何变换和图像处理攻击的鲁棒性。此外，由于待隐藏图像的加密部分采用的是非对称的切相菲涅耳变换方法，因此还可以有效抵抗选择明文攻击和统计攻击等密码分析方法的攻击。

附图说明：

图1(a)为本发明提供的图像加密及隐藏方法的加密和嵌入部分原理示意图；

图1(b)为本发明提供的图像加密及隐藏方法的提取和解密部分原理示意图；

图2(a)为待隐藏的图像；

图2(b)为加密后的待隐藏图像；

图2(c)为加密过程中生成的私钥(解密密钥)p1；

图2(d)为加密过程中生成的私钥(解密密钥)p2；

图2(e)为所有密钥均正确时的解密图像；

图3(a)为原始载体图像；

图3(b)为原始载体图像的卡通部分；

图3(c)为原始载体图像的纹理部分；

图3(d)为包含待隐藏图像的纹理部分；

图3(e)为包含待隐藏图像的载体图像；

图4(a)为私钥错误时得到的解密图像；

图4(b)为菲涅耳变换距离错误时得到的解密图像；

图4(c)为物光波波长错误时得到的解密图像；

图5(a)为受jpeg压缩攻击的包含秘密图像的宿主图像；

图5(b)为受高斯噪声攻击的包含秘密图像的宿主图像；

图5(c)为受椒盐噪声攻击的包含秘密图像的宿主图像；

图5(d)为受均值滤波攻击的包含秘密图像的宿主图像；

图5(e)为受中值滤波攻击的包含秘密图像的宿主图像；

图5(f)为受运动模糊攻击的包含秘密图像的宿主图像；

图5(g)为受高斯模糊攻击的包含秘密图像的宿主图像；

图5(h)为受旋转攻击的包含秘密图像的宿主图像；

图5(i)为受直方图均衡化攻击的包含秘密图像的宿主图像；

图6(a)为从图5(a)中提取出来的待隐藏图像；

图6(b)为从图5(b)中提取出来的待隐藏图像；

图6(c)为从图5(c)中提取出来的待隐藏图像；

图6(d)为从图5(d)中提取出来的待隐藏图像；

图6(e)为从图5(e)中提取出来的待隐藏图像；

图6(f)为从图5(f)中提取出来的待隐藏图像；

图6(g)为从图5(g)中提取出来的待隐藏图像；

图6(h)为从图5(h)中提取出来的待隐藏图像；

图6(i)为从图5(i)中提取出来的待隐藏图像；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

io：待隐藏的原始图像；rpm1：第一块随机相位掩膜；距离为z，波长为λ的菲涅耳变换；at：切振幅操作；pt：切相位操作；p1：第一个私钥；a1：第一次切相操作后的振幅部分；rpm2：第二块随机相位掩膜；p2：第二个私钥；a2：第二次切相操作后的振幅部分；ie：加密后的原始图像；ih：原始载体图像；tv-g：tv-g变分图像分解模型；iu：原始载体图像的卡通部分；iv：原始载体图像的纹理部分；ive：包含秘密图像的纹理部分；ihe：包含秘密图像的载体图像；dwt：离散小波变换；id：解密的原始图像。

具体实施方式

本发明提供了一种基于变分图像分解的数字图像加密及隐藏方法。图像加密及隐藏方法中，待隐藏的图像首先经由基于双随机相位编码的切相菲涅耳变换系统加密；然后，使用变分图像分解方法将载体图像分解为卡通部分和纹理部分，并使用小波变换方法将加密后的图像嵌入到载体图像的纹理部分；最后，将包含秘密图像的纹理部分与卡通部分结合，就可得到包含秘密图像的载体图像。该图像加密及隐藏方法可以很好的平衡秘密图像的不可见性及对各种几何变换攻击和图像处理攻击的鲁棒性。此外，该方法还可以有效抵抗统计攻击和选择明文攻击等。详见下文描述：

1)待隐藏图像的加密部分：在加密过程中，待加密的图像io首先被第一块随机相位掩模rpm1调制，然后在平面光的照射下进行距离为z的菲涅耳变换；对经第一次菲涅耳变换后的复数形式的图像进行切相操作，得到振幅分布部分a1和相位分布部分p1；振幅分布部分a1被第二块随机相位掩模rpm2调制，然后在平面光的照射下再进行距离为z的菲涅耳变换；对经第二次菲涅耳变换后的复数形式的图像再进行切相操作，得到振幅分布部分a2和相位分部部分p2，其中振幅分布部分a2即是加密后的图像ie。

2)加密图像的嵌入部分：在加密图像的嵌入过程中，使用变分图像分解方法将载体图像ih分解为卡通部分iu和纹理部分iv。然后，通过一级小波变换将纹理部分iv分解为四个频带，即llv，lhv，hlv，hhv。此外，通过一级小波变换也将加密图像ie分解为四个频带，即lle，lhe，hle，hhe。接下来，将纹理部分和加密图像分解后得到的频带进行融合，得到融合后的四个频带，即其中k为控制嵌入强度的参数。对融合后的四个频带进行逆小波变换，就可以得到包含加密图像的纹理部分ive。最后，将iu与ive相加，就可以得到包含加密图像的载体图像ihe。

3)加密图像的提取部分：在加密图像的提取过程中，需要用到原始载体图像ih的信息。首先，通过变分图像分解方法将ih分解为卡通部分iu和纹理部分iv。然后，将纹理部分iv通过一级小波变换分解为四个频带llv，lhv，hlv和hhv。接下来，将包含加密图像的载体图像ihe通过一级小波变换分解为四个频带llhe，lhhe，hlhe和hhhe。通过以下方式可以得到加密图像对应的四个频带，即最后，对lle，lhe，hle和hhe进行逆小波变换就可以将加密图像ie提取出来。

4)隐藏图像的解密部分：在解密过程中，提取出来的加密图像ie首先被第二次切相操作得到的相位分布部分p2调制，然后在平面光的照射下进行距离为z的菲涅耳变换的逆变换；经变换后的复数形式的图像的模被第一次切相操作得到的相位分布部分p1调制，然后在平面光的照射下再进行距离为z的菲涅耳变换的逆变换；对上述变换后的复数形式的图像取模，就可以得到解密后的图像id。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

一种基于变分图像分解的数字图像加密及隐藏方法，其加密、嵌入、提取及解密原理示意图如图1所示。该方法由待隐藏图像的加密部分，加密图像的嵌入部分，加密图像的提取部分和隐藏图像的解密部分组成。

(1)待隐藏图像的加密部分：

在加密过程中，待加密的图像io首先被第一块随机相位掩模rpm1调制，然后在平面光的照射下进行距离为z的菲涅耳变换；对经第一次菲涅耳变换后的复数形式的图像进行切相操作，得到振幅分布部分a1和相位分布部分p1；振幅分布部分a1被第二块随机相位掩模rpm2调制，然后在平面光的照射下再进行距离为z的菲涅耳变换；对经第二次菲涅耳变换后的复数形式的图像再进行切相操作，得到振幅分布部分a2和相位分部部分p2，其中振幅分布部分a2即是加密后的图像ie。

(2)加密图像的嵌入部分：

在加密图像的嵌入过程中，使用变分图像分解方法将载体图像ih分解为卡通部分iu和纹理部分iv。然后，通过一级小波变换将纹理部分iv分解为四个频带，即llv，lhv，hlv，hhv。此外，通过一级小波变换也将加密图像ie分解为四个频带，即lle，lhe，hle，hhe。接下来，将纹理部分和加密图像分解后得到的频带进行融合，得到融合后的四个频带，即其中k为控制嵌入强度的参数。对融合后的四个频带进行逆小波变换，就可以得到包含加密图像的纹理部分ive。最后，将iu与ive相加，就可以得到包含加密图像的载体图像ihe。

(3)加密图像的提取部分：

在加密图像的提取过程中，需要用到原始载体图像ih的信息。首先，通过变分图像分解方法将ih分解为卡通部分iu和纹理部分iv。然后，将纹理部分iv通过一级小波变换分解为四个频带llv，lhv，hlv和hhv。接下来，将包含加密图像的载体图像ihe通过一级小波变换分解为四个频带llhe，lhhe，hlhe和hhhe。通过以下方式可以得到加密图像对应的四个频带，即最后，对lle，lhe，hle和hhe进行逆小波变换就可以将加密图像ie提取出来。

(4)隐藏图像的解密部分：

在解密过程中，提取出来的加密图像ie首先被第二次切相操作得到的相位分布部分p2调制，然后在平面光的照射下进行距离为z的菲涅耳变换的逆变换；经变换后的复数形式的图像的模被第一次切相操作得到的相位分布部分p1调制，然后在平面光的照射下再进行距离为z的菲涅耳变换的逆变换；对上述变换后的复数形式的图像取模，就可以得到解密后的图像id。

综上所述，本发明提供的图像加密及隐藏方法中，待隐藏的图像首先经基于双随机相位编码的切相菲涅耳变换系统加密，以保证待隐藏图像的安全性。然后，使用变分图像分解方法将载体图像分解为卡通部分和纹理部分。最后，将加密图像通过小波方法嵌入到载体图像的纹理部分，并将处理后的纹理部分与载体图像的卡通部分结合，以得到包含隐藏图像的载体图像。隐藏图像的提取和解密过程是嵌入和加密过程的逆过程。本发明提供的图像加密及隐藏方法可以有效的平衡隐藏图像的不可见性及对各种几何变换攻击和图像处理攻击的鲁棒性，即保证隐藏图像不可见性的同时，可以有效提高系统对各种几何变换和图像处理攻击的鲁棒性。此外，由于待隐藏图像的加密部分采用的是非对称的切相菲涅耳变换方法，因此还可以有效抵抗选择明文攻击和统计攻击等密码分析方法的攻击。

实施例2

下面结合图1、设计原理对实施例1中的方案进行详细地介绍，详见下文描述：

一种基于变分图像分解的数字图像加密及隐藏方法，其加密、嵌入、提取及解密原理示意图如图1所示。该方法由待隐藏图像的加密部分，加密图像的嵌入部分，加密图像的提取部分和隐藏图像的解密部分组成。下面就这四部分的具体实施方式分别予以详细的描述。

(1)待隐藏图像的加密部分：

在加密过程中，待加密的图像io首先被第一块随机相位掩模rpm1＝exp[j·2πφ]调制，然后在平面光的照射下进行距离为z的菲涅耳变换，得到如下形式：

式中，表示距离为z，波长为λ的菲涅耳变换；i′o为图像io经菲涅耳变换后的形式；φ为区间(0,1)内的随机分布；π为圆周率；j为虚数算符。

对经第一次菲涅耳变换后的复数形式的图像i′o进行切相操作，得到振幅分布部分a1和相位分布部分p1：

a1＝abs(i′o)(2)

p1＝exp(j·angle(i′o))(3)

式中，abs(·)表示绝对值算符；angle(·)表示相位角度算符。

振幅分布部分a1被第二块随机相位掩模调制，然后在平面光的照射下再进行距离为z的菲涅耳变换，得到如下形式：

式中，i″o为a1经菲涅耳变换后的形式；为区间(0,1)内的随机分布。

对经第二次菲涅耳变换后的复数形式的图像再进行切相操作，得到振幅分布部分a2和相位分部部分p2：

a2＝abs(i″o)(5)

p2＝exp(j·angle(i″o))(6)

其中振幅分布部分a2即是加密后的图像ie。

(2)加密图像的嵌入部分：

在加密图像的嵌入过程中，使用变分图像分解方法(tv-g模型)将载体图像ih分解为卡通部分iu和纹理部分iv，即

ih＝iu+iv(7)

然后，通过一级小波变换将纹理部分iv分解为四个频带，即

[llv,lhv,hlv,hhv]＝dwt2(iv)(8)

式中，dwt2(·)表示二维离散小波变换。

此外，通过一级小波变换也将加密图像ie分解为四个频带，即

[lle,lhe,hle,hhe]＝dwt2(ie)(9)

接下来，将纹理部分和加密图像分解后得到的频带进行融合，得到融合后的四个频带，即

式中，k为控制嵌入强度的参数。

对融合后的四个频带进行逆小波变换，就可以得到包含加密图像的纹理部分ive：

ive＝idwt2(fll,flh,fhl,fhh)(11)

式中，idwt2(·)表示二维离散小波变换的逆变换。

最后，将iu与ive相加，就可以得到包含加密图像的载体图像ihe：

ihe＝iu+ive(12)

(3)加密图像的提取部分：

在加密图像的提取过程中，需要用到原始载体图像ih的信息。首先，通过变分图像分解方法(tv-g模型)将ih分解为卡通部分iu和纹理部分iv，如式(7)所示。然后，将纹理部分iv通过一级小波变换分解为四个频带llv，lhv，hlv和hhv，如式(8)所示。接下来，将包含加密图像的载体图像ihe通过一级小波变换分解为四个频带，即

[llhe,lhhe,hlhe,hhhe]＝dwt2(ihe)(13)

通过以下方式可以得到加密图像对应的四个频带，即

最后，对lle，lhe，hle和hhe进行逆小波变换就可以将加密图像ie提取出来：

ie＝idwt2(lle,lhe,hle,hhe)(15)

(4)隐藏图像的解密部分：

在解密过程中，提取出来的加密图像ie首先被第二次切相操作得到的相位分布部分p2调制，然后在平面光的照射下进行距离为z的菲涅耳变换的逆变换：

式中，i″d为ie经菲涅耳逆变换后的形式。

经变换后的复数形式的图像的模被第一次切相操作得到的相位分布部分p1调制，然后在平面光的照射下再进行距离为z的菲涅耳变换的逆变换：

式中，i′d为i″d经菲涅耳逆变换后的形式。

对上述变换后的复数形式的图像取模，就可以得到解密后的图像id：

id＝abs(i′d)(18)

综上所述，本发明提供的图像加密及隐藏方法中，待隐藏的图像首先经基于双随机相位编码的切相菲涅耳变换系统加密，以保证待隐藏图像的安全性。然后，使用变分图像分解方法将载体图像分解为卡通部分和纹理部分。最后，将加密图像通过小波方法嵌入到载体图像的纹理部分，并将处理后的纹理部分与载体图像的卡通部分结合，以得到包含隐藏图像的载体图像。隐藏图像的提取和解密过程是嵌入和加密过程的逆过程。本发明提供的图像加密及隐藏方法可以有效的平衡隐藏图像的不可见性及对各种几何变换攻击和图像处理攻击的鲁棒性，即保证隐藏图像不可见性的同时，可以有效提高系统对各种几何变换和图像处理攻击的鲁棒性。此外，由于待隐藏图像的加密部分采用的是非对称的切相菲涅耳变换方法，因此还可以有效抵抗选择明文攻击和统计攻击等密码分析方法的攻击。

实施例3

下面结合具体的附图对实施例1和2中的方案进行可行性验证，详见下文描述：

采用本发明实施提供的图像加密及隐藏方法对一幅图像(如图2(a)所示)进行加密后，得到的加密图像如图2(b)所示。同时，加密过程中生成的两个私钥(解密密钥)如图2(c)和2(d)所示。由图2(b)可以看出，原始图像的任何信息都被隐藏。由图2(c)和2(d)可以看出，两个私钥也是两幅毫无意义的类噪声图像。说明采用本系统对待隐藏图像的加密是成功的。

采用本发明实施提供的图像加密及隐藏方法对一幅载体图像(如图3(a)所示)进行分解，得到卡通部分(如图3(b)所示)和纹理部分(如图3(c)所示)。采用小波方法将加密图像(如图2(b)所示)嵌入到载体图像的纹理部分，得到包含秘密图像的纹理部分(如图3(d)所示)。将如图3(d)所示的纹理部分与载体图像的卡通部分结合，就可最终得到包含秘密图像的载体图像(如图3(e)所示)。由图3(e)和3(a)可以看出，人眼不能区分两幅图像之间的差别。说明采用本系统对加密图像的隐藏是成功的。

采用本发明实施提供的图像加密及隐藏方法从图3(e)中将加密图像提取出来，并采用相应的密钥对其进行解密处理。当所有密钥均正确时，解密出的图像如图2(e)所示。由图2(e)可以看出，当所有密钥均正确时，原始图像可以完全被还原。此外，当某一个密钥错误而其它密钥正确时，解密结果如图4(a)-4(c)所示。由此可见，本系统的安全性是可以得到保证的。

图5(a)-5(i)分别为受jpeg压缩攻击、高斯噪声攻击、椒盐噪声攻击、均值滤波攻击、中值滤波攻击、运动模糊攻击、高斯模糊攻击、图像旋转攻击和直方图均衡化攻击的包含秘密图像的载体图像。图6(a)-6(i)分别为从图5(a)-5(i)中提取并解密的图像。由图6(a)-6(i)可以看出，尽管载体图像受到各种各样的攻击，本发明实施例仍然能够提取并解密出一定质量的原始图像。因此，本系统对各种攻击的鲁棒性得到了验证，满足了实际应用中的多种需要。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。