一种基于图像分割和图像空间相关性的图像加密域可逆信息隐藏系统与方法与流程

本发明涉及一种图像加密域信息隐藏技术，属于可逆信息隐藏与图像处理技术领域。

背景技术：

作为信息安全领域的重要分支，信息隐藏技术在新世纪以来获得了迅猛发展，尤其是在数字版权、秘密通信等领域都得到了具体应用。可逆数据隐藏技术由于能够实现对载体对象的可逆恢复和具有较高的嵌入容量等特点得到了广泛的发展。

在此基础上，为了进一步保证图像的秘密性，提出了基于图像加密域的可逆信息隐藏算法。密文域可逆信息隐藏作为加密域信号处理技术与信息隐藏技术的重要结合点，对于数据处理过程中的信息安全可以起到双重保险的作用，尤其随着云服务的推广，可逆信息隐藏是实现云环境下隐私保护的研究重点之一。衡量算法性能的标准有两个，一是信息嵌入容量，二是失真度。在相同的嵌入容量的基础下图像的失真度越低代表着图像的完整性越好，图像的篡改操作越不容易被发现。

加解密过程与信息嵌入提取过程在密文域可逆算法中交叉存在并且互相制约，造成密文域可逆信息隐藏的诸多技术难点，主要分为以下四点：一是实现嵌入后密文的无失真解密及载体恢复的完全可逆；二是密文数据中的大容量嵌入；三是信息提取与解密过程的可分离；四是保证嵌入过程的安全性或信息的不可检测性等。上述难点的主要原因：一方面，当前的信息隐藏技术极大地依赖载体的编码技术、所属的媒体类型或者变换域的属性，而嵌入信息的过程必然要对载体数据特征进行重新量化与修改，但是加密会使明文内容呈现出最大的无规律性与不确定性，原有特征难以被提取与利用。另一方面，现代加密算法要求明文的极小改变也将扩散到整个密文空间，使得嵌入过程中修改的加密数据越多，解密结果失真就会越大，因此要在保证解密没有失真的情况下进行信息嵌入，或提升嵌入容量的难度较大。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于图像分割和图像空间相关性的图像加密域可逆信息隐藏系统与方法，旨在降低信息隐藏系统的失真度，提高加密图像的隐蔽性。

本发明为了解决以上技术问题，而采用以下技术手段：

本发明首先提出一种基于图像分割和图像空间相关性的图像加密域可逆信息隐藏系统，该系统包括加密图像生成模块，信息嵌入模块，信息提取与图像重建模块，其中：

所述加密图像生成模块，被配置以执行以下动作：图像拥有者将原始图像分割为互不重叠的黑色部分、灰色部分与白色部分。利用灰色部分的像素对黑色部分像素进行预测，生成预测误差直方图，采用多直方图平移的方式将白色部分像素的最低有效位嵌入到黑色部分中，生成待加密图像，利用加密密钥生成加密流序列对待加密图像进行加密，生成加密图像，并将其发送至信息嵌入模块。

所述信息嵌入模块，被配置以执行以下动作：信息嵌入者利用信息嵌入密钥将待嵌入秘密信息进行加密，将加密后的秘密信息替换图像白色部分的最低有效位完成秘密信息的嵌入，生成带标识的加密图像，并将其发送至信息提取和图像重建模块。

所述信息提取与图像重建模块，被配置以执行以下动作：图像接收者利用秘密信息提取和图像解密的独立性可分别对接收图像进行先信息提取后图像解密的操作或者先图像解密后信息提取的操作，完成原始图像和秘密信息的可逆性保障。

本发明还提出一种基于图像分割和图像空间相关性的图像加密域可逆信息隐藏方法，其特征在于，包括步骤如下：

步骤(1)、加密图像生成：利用预测误差扩展与多直方图平移，对原始图像i进行自适应可逆信息嵌入，生成待加密图像i'；利用加密密钥生成加密流序列r，通过按位异或对图像进行加密生成加密图像e；

步骤(2)、信息嵌入：利用信息嵌入密钥对待嵌入的秘密信息m进行加密，对生成的加密信息流进行按位替换对应像素的最低有效位，完成信息嵌入，得到带标识加密图像e'；

步骤(3)、信息提取与图像重建，择一执行以下流程：先提取秘密信息后解密图像，或者先解密图像后提取秘密信息，具体为：

(1)先提取秘密信息后解密图像：直接读取对应像素的最低有效位得到加密信息流，利用信息隐藏密钥进行解密，得到秘密信息；利用加密密钥生成加密序列流对图像进行按位异或进行解密得到解密图像i”，利用预测误差扩展和多直方图平移的原理对图像进行可逆恢复；

(2)先解密图像后提取秘密信息：利用加密密钥生成加密序列流对图像中除秘密信息嵌入的最低有效位的其他比特位进行按位异或进行解密得到解密图像；读取对应像素的最低有效位得到加密流信息，利用信息隐藏密钥进行解密，得到秘密信息；利用预测误差扩展和多直方图平移的原理对图像进行可逆恢复。

进一步的，本发明所提出的一种基于图像分割和图像空间相关性的图像加密域可逆信息隐藏方法，加密图像生成步骤具体如下：

步骤101、除去图像的最后一列和最后一行，将图像分为三部分，即灰色部分：横纵坐标均满足mod(i+j,2)＝1，黑色部分：横坐标满足mod(i+j,2)＝1、纵坐标满足mod(i,2)＝0，白色部分：横坐标满足mod(i+j,2)＝1、纵坐标满足mod(i,2)＝1；

步骤102、对黑色部分的像素x进行预测生成预测值生成预测误差

步骤103、对黑色部分的像素x计算其区域复杂度cm，根据cm的大小区别分类为四个等级，则所有的黑色像素点都被分为了四个等级，生成四个预测误差直方图；

步骤104、使用两对极值点平移的方法对四个预测误差直方图进行平移，将白色部分像素的最低有效位嵌入其中；

步骤105、将自适应嵌入部分所需要的一系列辅助信息按照同样的嵌入规则继续嵌入到黑色部分中去，生成图像i'；

步骤106、利用加密密钥生成加密流序列r，通过按位异或对图像进行加密生成加密图像。

进一步的，本发明所提的一种基于图像分割和图像空间相关性的图像加密域可逆信息隐藏方法，所述步骤102是根据菱形预测进行像素值预测的：

其中v1,v2,v3,v4代表像素值x的上下左右的相邻像素值。

进一步的，本发明所提的一种基于图像分割和图像空间相关性的图像加密域可逆信息隐藏方法，所述步骤103中区域复杂度是由x的相邻像素值生成的：

cmi＝|v1-v3|+|v2-v4|(2)

选取3个阈值满足：

将cmi分为4个间隔i0＝[0,s0],i1＝[s0+1,s1],i2＝[s1+1,s2],i3＝[s2+1,s3]，cmi落在对应的区间cmi就会被更新为j，生成四个预测误差直方图。

进一步的，本发明所提的一种基于图像分割和图像空间相关性的图像加密域可逆信息隐藏方法，所述步骤104中预测误差直方图平移的方法描述如下：

其中a<b，为两对极值点对的两个极值。

四个预测误差直方图的两对极值点的选取是按照下述三个条件的：

a、对于n∈{0,1,2,3},an＝-bn-1；

b、对于n∈{0,1,2,3},bn∈{0,1…,7,∞}；

c、b0≤b1≤b2≤b3。

进一步的，本发明所提的一种基于图像分割和图像空间相关性的图像加密域可逆信息隐藏方法，所述步骤105中辅助信息包括：

1)为防止图像像素值上溢或者下溢利用的位置信息地图的长度；

2)经过长度编码压缩之后的位置信息地图；

3)bn,n∈{0,1,2,3}；

4)sn,n∈{0,1,2}；

5)步骤104结束之后的最后一个处理过的像素下标；

在所有这些辅助信息的前面，利用8比特序列表示这些辅助信息的总长度，假设所有这些序列的总长是saux比特，记录下经过步骤104处理过后的图像的前saux比特的最低有效位生成序列slsb，将序列slsb按照与步骤104同样的处理方式嵌入到黑色部分中，再将saux比特辅助信息替换前saux比特的最低有效位，最终生成待加密图像i'。

进一步的，本发明所提的一种基于图像分割和图像空间相关性的图像加密域可逆信息隐藏方法，所述步骤106中对图像加密是通过异或操作完成的。

假设待加密图像i'的尺寸为w×l，像素值xi,j'∈[0,255],1≤i≤w,1≤j≤l，则加密图像e通过下式进行计算得到：

在加密操作完成后向图像黑色部分的前16个比特的最低有效位中嵌入代表嵌入信息能力容量的16比特序列，以让信息隐藏者知道能隐藏的信息总量。

进一步的，本发明所提的一种基于图像分割和图像空间相关性的图像加密域可逆信息隐藏方法，信息嵌入步骤具体如下：

步骤201、读取黑色部分前16比特的最低有效位，得到可嵌入的信息总量；

步骤202、通过信息隐藏密钥对秘密信息m进行加密生成m’；

步骤203、利用最低有效位替换原则将白色部分像素的最低有效位替换为加密后的秘密信息m’，得到带标识加密图像e'。

进一步的，本发明所提的一种基于图像分割和图像空间相关性的图像加密域可逆信息隐藏方法，信息提取与图像重建步骤(先提取秘密信息后解密图像)具体如下：

步骤301、读取白色部分最低有效位嵌入的秘密信息，通过信息隐藏密钥对其进行解密得到秘密信息m；

步骤302、利用加密密钥对图像e'进行解密得到解密图像；

步骤303、对解密图像进行可逆提取得到原始图像。

进一步的，本发明所提的一种基于图像分割和图像空间相关性的图像加密域可逆信息隐藏方法，信息提取与图像重建步骤(先解密图像后提取秘密信息)具体如下：

步骤401、利用加密密钥对图像e'除去隐藏了秘密信息的像素进行解密得到解密图像；

步骤402、读取白色部分最低有效位嵌入的秘密信息，通过信息隐藏密钥对其进行解密得到秘密信息m；

步骤403、对解密图像进行可逆提取得到原始图像。

进一步的，本发明所提的一种基于图像分割和图像空间相关性的图像加密域可逆信息隐藏方法，其特征在于，所述步骤303和403中对解密图像的可逆提取具体操作如下：

1)读取前saux比特的最低有效位，组成辅助信息序列；

2)以相反的扫描顺序从黑色部分第n'比特到第nend比特提取slsb序列，恢复前saux比特的最低有效位；

3)以相反的扫描顺序从黑色部分前n'比特中提取白色部分的最低有效位，同时恢复这些白色部分像素；

4)通过对位置信息地图进行解密恢复，防止上溢或下溢改变像素值的像素。

其中2)、3)中的提取操作具体如下：

根据生成的四个预测误差直方图和辅助信息得到{(an,bn)},0≤n≤3，通过式(6)进行嵌入信息提取，通过式(7)进行图像恢复：

其中a<b，a、b分别为两对极值点对的两个极值。

本发明采用以上技术方案，与现有技术相比所具有的优点在于：

本发明将图像空间相关性与图像加密域进行结合，能够有效地实现秘密信息在图像加密域的可逆隐藏，与已存在的相关方法相比，本发明不仅更好地利用了图像本身特征进行可逆信息操作，也大大降低了信息嵌入图像的失真度。一方面，利用多直方图平移和预测误差扩展大大降低了图像隐藏过程中的失真，另一方面实现了接收方图像解密和信息提取操作的独立性，更好地保护了图像内容。

附图说明

图1是本发明所述系统的框图。

图2是本发明一种基于图像分割和图像空间相关性的图像加密域可逆信息隐藏方法的处理流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例和说明书附图1-2对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本发明将多直方图平移和预测误差扩展算法与加密域信息隐藏相结合，降低了图像加密域信息隐藏的失真度，提高了图像隐蔽性。

实施例1：

如图1所示，本发明首先提出一种基于图像分割和图像空间相关性的图像加密域可逆信息隐藏系统，该系统包括加密图像生成模块，信息嵌入模块，信息提取与图像重建模块，其中：

所述加密图像生成模块，被配置以执行以下动作：图像拥有者将原始图像分割为互不重叠的黑色部分、灰色部分与白色部分。利用灰色部分的像素对黑色部分像素进行预测，生成预测误差直方图，采用多直方图平移的方式将白色部分像素的最低有效位嵌入到黑色部分中，生成待加密图像，利用加密密钥生成加密流序列对待加密图像进行加密，生成加密图像，并将其发送至信息嵌入模块。

所述信息嵌入模块，被配置以执行以下动作：信息嵌入者利用信息嵌入密钥将待嵌入秘密信息进行加密，将加密后的秘密信息替换图像白色部分的最低有效位完成秘密信息的嵌入，生成带标识的加密图像，并将其发送至信息提取和图像重建模块。

所述信息提取与图像重建模块，被配置以执行以下动作：图像接收者利用秘密信息提取和图像解密的独立性可分别对接收图像进行先信息提取后图像解密的操作或者先图像解密后信息提取的操作，完成原始图像和秘密信息的可逆性保障。

实施例2：

如图2所示，本发明还提出一种基于图像分割和图像空间相关性的图像加密域可逆信息隐藏方法，具体步骤如下：

1)加密图像生成：

1.1)除去图像的最后一列和最后一行，将图像分为三部分，即灰色部分：横纵坐标均满足mod(i+j,2)＝1，黑色部分：横坐标满足mod(i+j,2)＝1、纵坐标满足mod(i,2)＝0，白色部分：横坐标满足mod(i+j,2)＝1、纵坐标满足mod(i,2)＝1；

1.2)对黑色部分的像素x根据菱形预测进行像素值预测：

其中v1,v2,v3,v4代表像素值x的上下左右的相邻像素值。预测生成预测值生成预测误差

1.3)对黑色部分的像素x计算其区域复杂度cm：

cmi＝|v1-v3|+|v2-v4|(2)

选取3个阈值满足：

将cmi分为4个间隔i0＝[0,s0],i1＝[s0+1,s1],i2＝[s1+1,s2],i3＝[s2+1,s3]，cmi落在哪个区间cmi就会被更新为j，生成四个预测误差直方图。

1.4)使用两对极值点平移的方法对四个预测误差直方图进行平移，将白色部分像素的最低有效位嵌入其中；

其中a<b，为两对极值点对的两个极值。

四个预测误差直方图的两对极值点的选取是按照下述三个条件的：

a、对于n∈{0,1,2,3},an＝-bn-1；

b、对于n∈{0,1,2,3},bn∈{0,1…,7,∞}；

c、b0≤b1≤b2≤b3。

1.5)将自适应嵌入部分所需要的一系列辅助信息按照同样的嵌入规则继续嵌入到黑色部分中去，辅助信息包括：

a)为防止图像像素值上溢或者下溢利用的位置信息地图的长度；

b)经过长度编码压缩之后的位置信息地图；

c)bn,n∈{0,1,2,3}；

d)sn,n∈{0,1,2}；

e)步骤1.4结束之后的最后一个处理过的像素下标。

在所有这些辅助信息的前面，利用8比特序列表示这些辅助信息的总长度，假设所有这些序列的总长是saux比特，记录下经过步骤104处理过后的图像的前saux比特的最低有效位生成序列slsb，将序列slsb按照与步骤104同样的处理方式嵌入到黑色部分中，再将saux比特辅助信息替换前saux比特的最低有效位，最终生成待加密图像i'。

生成图像i'；

1.6)利用加密密钥生成加密流序列r，假设待加密图像i'的尺寸为w×l，像素值xi,j'∈[0,255],1≤i≤w,1≤j≤l，则加密图像e通过下式进行计算得到：

在加密操作完成后向图像黑色部分的前16个比特的最低有效位中嵌入代表嵌入信息能力容量的16比特序列，以让信息隐藏者知道他可以隐藏的信息总量。

2)信息嵌入：

2.1)读取黑色部分前16比特的最低有效位，得到可嵌入的信息总量。

2.2)通过信息隐藏密钥对秘密信息m进行加密生成m’。

2.3)利用最低有效位替换原则将白色部分像素的最低有效位替换为加密后的秘密信息m’，得到带标识加密图像e'。

3)信息提取与图像重建(先提取秘密信息后解密图像)

3.1)读取白色部分最低有效位嵌入的秘密信息，通过信息隐藏密钥对其进行解密得到秘密信息m。

3.2)利用加密密钥对图像e'进行解密得到解密图像。

3.3)对解密图像进行可逆提取得到原始图像。可逆提取具体操作如下：

a)读取前saux比特的最低有效位，组成辅助信息序列。

b)以相反的扫描顺序从黑色部分第n'比特到第nend比特提取slsb序列，恢复前saux比特的最低有效位。

c)以相反的扫描顺序从黑色部分前n'比特中提取白色部分的最低有效位，同时恢复这些白色部分像素。

d)通过对位置信息地图进行解密恢复，防止上溢或下溢改变像素值的像素。

其中b、c中的提取操作具体如下：

根据生成四个预测误差直方图和辅助信息得到{(an,bn)},0≤n≤3，通过式(6)进行嵌入信息提取，通过式(7)进行图像恢复：

其中，a、b分别为两对极值点对的两个极值。

4)信息提取与图像重建(先解密图像后提取秘密信息)

4.1)利用加密密钥对图像e'除去隐藏了秘密信息的像素进行解密得到解密图像

4.2)读取白色部分最低有效位嵌入的秘密信息，通过信息隐藏密钥对其进行解密得到秘密信息m。

4.3)对解密图像进行可逆提取得到原始图像。可逆提取步骤同步骤3.3。

本技术领域技术人员可以理解的是，本发明中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案可以被交替、更改、组合或删除。进一步地，具有本发明中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的其他步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。进一步地，现有技术中的具有与本发明中公开的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细地说明，但是本发明并不局限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。