一种弹性选择和游程编码的加密图像可逆信息隐藏方法与流程

1.本发明属于信息安全之图像内容安全领域，具体涉及一种弹性选择和游程编码的加密图像的可逆信息隐藏方法。


背景技术：

2.现阶段网络已经成为人们生产生活环境的重要构成，为人们带来了极大的便利，但与此同时也对个人信息安全构成了严重的威胁，为保护人们的合法利益不受到网络侵害，人们尝试通过各种途径，对大数据时代下的个人信息安全进行保护。信息隐藏是指将秘密信息隐藏于可公开的媒体信息中，使人们凭直观的视觉和听觉难以察觉其存在的技术。在数字时代，信息隐藏的载体形式可为任何一种数字媒体，如图像、声音、视频或一般文本文档等。图像作为在互联网中被广泛使用的媒介，将其用于信息隐藏的载体能有嵌入大量信息且不易被发现。基于数字图像的信息隐藏技术通过略微的修改原始图像的像素值来将信息藏入图像载体，而未经授权的第三方无法察觉图像变化。虽然，经过信息隐藏的载体图像相较于原始图像会有一定程度的失真，但是人的肉眼还是无法轻易发现，能够有效避免吸引非法窃取者的注意。而加密图像的可逆信息隐藏技术解决了原始图像载体暴露的问题，进一步保护了数字图像载体的安全性。
3.为了在保持加密图像安全的情况下，提高加密图像携带秘密信息的能力。本发明提出了一种弹性选择和游程编码的加密图像可逆信息隐藏方法。


技术实现要素：

4.本发明提出了一种弹性选择和游程编码的加密图像可逆信息隐藏方法。对于图像拥有者，其对原始图像进行块置乱和块级流加密，生成加密图像并发送给信息隐藏者。对于信息隐藏者，首先，其基于加密图像块进行相邻像素预测，获得预测误差；其次，对预测像素的预测误差位平面进行重排，生成重排的预测误差二进制流；然后，利用游程编码对预测误差二进制流进行压缩并腾出冗余空间；最后，用隐藏秘钥加密秘密信息并将秘密信息嵌入到所腾出的冗余空间以获得含秘图像。对于接收者，若其拥有加密秘钥，可以通过解密获取原始图像；若其拥有隐藏秘钥，则可以用来解密并获取秘密信息；若其同时含有两种秘钥，则可以同时解密原始图像和秘密信息。与其他现有的相关工作比较，本发明提出的方案在嵌入容量具有较为优越的性能。
5.本发明的技术方案步骤如下：
6.一种弹性选择和游程编码的加密图像可逆信息隐藏方法，用于在图像拥有者、信息隐藏者及接收者之间进行秘密通讯，其具体步骤如下：
7.s1：图像拥有者对原始图像进行块置乱和块级流加密，生成加密图像并发送给信息隐藏者；
8.s2：信息隐藏者基于加密图像块进行相邻像素预测，获得预测误差；
9.s3：信息隐藏者对预测像素的预测误差位序列进行重排，生成重排预测误差二进
制流；
10.s4：信息隐藏者用游程编码对重排预测误差二进制流进行弹性压缩并腾出冗余空间；
11.s5：信息隐藏者用隐藏秘钥加密秘密信息并将秘密信息嵌入到所腾出的冗余空间以获得含秘图像并发送给接收者；
12.s6：接收者从收到的含秘加密图像中提取秘密信息和恢复原始图像。
13.作为优选，所述s1中，图像拥有者对原始图像进行块置乱和块级流加密，生成加密图像并发送给信息隐藏者的方法如下：
14.s11：将大小为m
×
n的原始图像io划分成k个互相不重叠的大小为2
×
2的图像块b
i
，i＝1，2，
…
，k，图像块数量k的公式如下：
[0015][0016]
式中：表示向下取整；
[0017]
s12：用由从1到k的不重复的伪随机数构成的块置乱秘钥对图像块b
i
进行块置乱操作，将原始图像块按照块置乱秘钥进行重排，获得块置乱图像；
[0018]
s13：用块级流加密秘钥对块置乱图像中的每个图像块b
i
进行加密形成加密图像块b
′
i
，获得加密图像，进行图像块加密的公式如下：
[0019][0020]
其中，和分别为加密前的图像块b
i
和加密图像块b
′
i
中第j个像素，r
i
为块置乱秘钥生成的第i个伪随机数，i＝1，2，
…
，k；
[0021]
s14：图像拥有者将加密图像发送给信息隐藏者。
[0022]
作为优选，所述s2中，信息隐藏者基于加密图像块进行相邻像素预测，获得预测误差的方法如下：
[0023]
s21：信息隐藏者接收到加密图像，并将其划分成k个互相不重叠的大小为 2
×
2的图像块b
′
i
，i＝1，2，
…
，k；
[0024]
s22：基于划分好的每个图像块b
′
i
，进行相邻像素预测，预测公式如下：
[0025][0026]
其中，g＝2，3，4；代表图像块b
′
i
中左上角的像素，作为固定像素不做任何修改；依次代表图像块b
′
i
中右上、左下和右下的像素；为像素位置的预测误差。
[0027]
作为优选，所述s3中，信息隐藏者对预测像素的预测误差位序列进行重排，生成重排预测误差二进制流的方法如下：
[0028]
s31：将预测误差转化成预测误差的二进制流形式，转化的公式如下：
[0029]
[0030][0031]
式中：表示像素的预测误差二进制流的第k位，预测误差二进制流的前 8位为预测误差的绝对值转化成的8位二进制形式，第9位用于区分预测误差的正负；
[0032]
s32：将预测误差二进制流先以k为基准按照k＝8，7，6，5，4，3，2，1，9的顺序进行重排；再对同一k取值下的三个不同g取值的二进制位，以g为基准按照g＝2，3，4 的顺序进行重排，获得重排预测误差二进制流。
[0033]
作为优选，所述s4中，信息隐藏者用游程编码对重排预测误差二进制流进行弹性压缩并腾出冗余空间方法如下：
[0034]
s41：设定游程编码中固定长度值为l
fix
；
[0035]
s42：读取重排预测误差二进制流中连续重复比特个数l，若l≥l
fix
，则该二进制流被压缩成由l
pre
位前缀流，l
pre
位长度符号流和1位尾位组合成的重构二进制流，l
pre
的计算公式如下：
[0036][0037]
s43：读取重排预测误差二进制流中连续重复比特个数l，若l＜l
fix
，该二进制流被压缩成固定长度为l
fix
+1的重构二进制流；
[0038]
s44：计算每个图像块的压缩空间，若重构二进制流长度大于原始空间则用 flag＝1进行标记，否则以flag＝0进行标记并进行游程编码压缩；所述游程编码压缩过程中，若l≥l
fix
则以l
pre
‑
1个“1”再加上“0”作为l
pre
位前缀流，以以作为l
pre
位长度符号流，并以1位重复的位作为尾位，若l＜l
fix
，则以“0”再加上l
fix
位连续的二进制流进行标记；其中()2表示括号中数字的二进制形式，flag值记录在g＝2的像素的msb位置，若图像块的flag＝1，则将g＝2 的像素的原始msb信息作为额外信息，以第一优先级嵌入冗余空间。
[0039]
作为优选，所述s5中，原始空间大小为3*8＝24位。
[0040]
作为优选，所述s5中，信息隐藏者用隐藏秘钥加密秘密信息并将秘密信息嵌入到所腾出的冗余空间以获得含秘图像并发送给接收者的方法如下：
[0041]
s51：根据信息隐藏秘钥k
h
对原始秘密信息s
secret
实施加密，得到加密秘密信息；
[0042]
s52：根据flag值判断是否可以进行秘密信息藏入，若flag＝1，则无腾出空间，若flag＝0，则将加密的秘密信息嵌入到所腾出的空间，生成含秘加密图像；
[0043]
s53：信息隐藏者将含秘加密图像发送给接收者。
[0044]
作为优选，所述s6中，接收者从收到的含秘加密图像中提取秘密信息和恢复原始图像的方法如下：
[0045]
s61：若接收者拥有块级流加密秘钥和块置乱秘钥则对收到的含秘加密图像根据游程编码逆操作还原预测误差，并根据预测误差和固定像素恢复原始加密图像块，再用和恢复原始图像i
o
；
[0046]
s62：若接收者拥有信息隐藏秘钥k
h
，则从收到的含秘加密图像中取出加密的秘密信息并解码，获得秘密信息s
secret
；
[0047]
s63：若接收者同时拥有信息隐藏秘钥k
h
、块级流加密秘钥和块置乱秘钥则
同时使用s61和s62提取秘密信息s
secret
及恢复原始图像i
o
。
[0048]
相对于现有技术，本发明的优点和有益效果在于：
[0049]
本发明在确保加密图像安全的前提下，提出了一种弹性选择和游程编码的加密图像可逆信息隐藏方法，存在的有益效果主要如下：本发明将游程编码弹性应用于可逆信息隐藏，与其他现有技术相比，本发明的方案存在较为优越的性能，具有高隐藏容量。
附图说明
[0050]
图1为相邻像素预测示意图；
[0051]
图2为预测误差位序列重排示意图；
[0052]
图3为游程编码举例示意图；
[0053]
图4为lena和baboon的不同效果图；
[0054]
图5为lena和baboon的不同效果之直方图；
[0055]
图6为本发明与相关方法作用在测试图像的比较(每张测试图像中的5条柱从左到右分别代表rupali et al.[1]、wu et al.[2]、nguyen et al.[3]、puteaux et al. [4]、本发明方法proposed scheme一共5种方法)；
具体实施方式
[0056]
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图实例对本发明做进一步详细描述，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0057]
下面结合附图，对本发明的具体实施方案做进一步详细描述：
[0058]
在本发明的一个较佳实施例中，提供了一种弹性选择和游程编码的加密图像可逆信息隐藏方法，该方法用于在图像拥有者、信息隐藏者及接收者之间进行秘密通讯，其具体步骤如下：
[0059]
s1：图像拥有者对原始图像进行块置乱和块级流加密，生成加密图像并发送给信息隐藏者；
[0060]
在本实施例中，图像拥有者对原始图像进行块置乱和块级流加密，生成加密图像并发送给信息隐藏者的方法的具体实现步骤顺次如下：
[0061]
s11：将大小为m
×
n的原始图像i
o
划分成k个互相不重叠的大小为2
×
2的图像块b
i
，i＝1，2，
…
，k，图像块数量k的公式如下：
[0062][0063]
式中：表示向下取整；
[0064]
s12：用由从1到k的不重复的伪随机数构成的块置乱秘钥对图像块b
i
进行块置乱操作，将原始图像块按照块置乱秘钥进行重排，获得块置乱图像；
[0065]
s13：用块级流加密秘钥对块置乱图像中的每个图像块b
i
进行加密形成加密图像块b
′
i
，获得加密图像，进行图像块加密的公式如下：
[0066]
[0067]
其中，和分别为加密前的图像块b
i
和加密图像块b
′
i
中第j个像素，r
i
为块置乱秘钥生成的第i个伪随机数，i＝1，2，
…
，k，由于我们划分的图像块大小为2
×
2，所以j＝1，2，3，4；
[0068]
s14：图像拥有者将加密图像发送给信息隐藏者。
[0069]
此实施例中，选择大小为512
×
512的灰阶图像作为原始i
o
，图像被分为256
×
256 个2
×
2的图像块；此外，块置乱秘钥生成1到256
×
256的不重复的伪随机数对原始图像块进行重排，且生成的256
×
256个伪随机数进行块级流加密。
[0070]
s2：信息隐藏者基于加密图像块进行相邻像素预测，获得预测误差；
[0071]
在本实施例中，信息隐藏者基于加密图像块进行相邻像素预测，获得预测误差的方法的具体实现步骤顺次如下：
[0072]
s21：信息隐藏者接收到加密图像，并将其划分成k个互相不重叠的大小为 2
×
2的图像块b
′
i
，i＝1，2，
…
，k；
[0073]
s22：基于划分好的每个图像块b
′
i
，进行相邻像素预测，预测公式如下：
[0074][0075]
其中，g＝2，3，4；代表图像块b
′
i
中左上角的像素，作为固定像素不做任何修改；当g＝2，3，4时，分别代表图像块b
′
i
中的不同像素，具体而言依次代表图像块b
′
i
中右上、左下和右下的像素；为像素位置的预测误差。
[0076]
此实施例中，相邻像素预测示意图如图1，图中像素作为固定像素不做任何修改，而其余像素则基于它计算预测值则基于它计算预测值分别为1，
‑
1，0。
[0077]
s3：信息隐藏者对预测像素的预测误差位序列进行重排，生成重排预测误差二进制流。
[0078]
在本实施例中，信息隐藏者对预测像素的预测误差位序列进行重排，生成重排预测误差二进制流的方法的具体实现步骤顺次如下：
[0079]
s31：将预测误差转化成预测误差的二进制流形式，转化的公式如下：
[0080][0081][0082]
式中：表示像素的预测误差二进制流的第k位。由此可见，每个像素的预测误差二进制流一共9位，前8位为预测误差的绝对值转化成的8位二进制形式，第9位用于区分预测误差的正负。一个图像块的三个像素一共形成了27位二进制流，参与后续的重排。
[0083]
s32：将预测误差二进制流先以k为基准按照k＝8，7，6，5，4，3，2，1，9的顺序进行重排，k＝8的二进制位排在最前面，k＝9的二进制位排在最后面，在该排序过程中先忽略不同g取值。当完成基于k的排序后，再对每一个k取值下的三个不同 g取值的二进制位，以g为基
准按照g＝2，3，4的顺序进行重排，g＝2的二进制位排在最前面，g＝4的二进制位排在最后面。当全部排序完毕后，获得重排预测误差二进制流。最终27位二进制流的重排顺序如下：
[0084][0085]
此实施例中，信息隐藏者对预测像素的预测误差位序列进行重排的过程如图2，即将预测误差绝对值转化为8位二进制形式，若预测误差值大于零则在第九位用“1”标识，否则用“0”标识，再按照k＝8，7，6，5，4，3，2，1，9以及g＝2，3，4的顺序进行重排。该过程中，按照k＝8，7，6，5，4，3，2，1，9以及g＝2，3，4的顺序进行重排是为了最大化腾出空间。
[0086]
s4：信息隐藏者用游程编码对重排预测误差二进制流进行弹性压缩并腾出冗余空间；
[0087]
在本实施例中，信息隐藏者用游程编码对重排预测误差二进制流进行弹性压缩并腾出冗余空间的方法的具体实现步骤顺次如下：
[0088]
s41：设定游程编码中固定长度值为l
fix
；
[0089]
s42：读取重排预测误差二进制流中连续重复比特个数l，若l≥l
fix
，则该二进制流被压缩成由l
pre
位前缀流，l
pre
位长度符号流和1位尾位组合成的重构二进制流，l
pre
的计算公式如下：
[0090][0091]
s43：读取重排预测误差二进制流中连续重复比特个数l，若l＜l
fix
，该二进制流被压缩成固定长度为l
fix
+1的重构二进制流；
[0092]
s44：计算每个图像块的压缩空间，若重构二进制流长度大于原始空间(本实施例中为3*8＝24位)则用flag＝1进行标记，否则以flag＝0进行标记并进行游程编码压缩；所述游程编码压缩过程中，若l≥l
fix
则以l
pre
‑
1个“1”再加上“0”作为l
pre
位前缀流，以作为l
pre
位长度符号流，并以1位重复的位作为尾位，若l＜l
fix
，则以“0”再加上l
fix
位连续的二进制流进行标记；其中()2表示括号中数字的二进制形式，flag值记录在g＝2的像素的msb 位置，若图像块的flag＝1，则将g＝2的像素的原始msb信息作为额外信息，以第一优先级嵌入冗余空间。
[0093]
此实施例中，设l
fix
＝4，游程编码的压缩过程如图3所示。如图所示，第一轮读取l＝21个连续的比特“0”，用 l
pre
‑
1＝2个“1”再加上“0”作为l
pre
位前缀流，以以作为l
pre
位长度符号流，并以1位重复的位“0”作为尾位，获得第一轮的压缩结果为“111001010”；第二轮读取l＝2个连续的比特“1”， l＝2＜l
fix
＝4，则读取l
fix
＝4位二进制流作为重构二进制流，得到第二轮的压缩结果为“01101”；第三轮读取l＝2个连续的比特“0”，l＝2＜l
fix
＝4，则读取l
fix
＝4位二进制流作为重构二进制流，但是剩余比特不足4个，则全部读取，得到第三轮的压缩结果为“000”；最后三轮的压缩结果得到压缩空间为 (9+5+3)＜24，则在.g＝2的像素的msb以“0”进行标识(即标有上横线的比特)，并将压缩的结果填入，剩余比特位为所腾出的空间(即标有下横线的比特)；
[0094]
s5：信息隐藏者用隐藏秘钥加密秘密信息并将秘密信息嵌入到所腾出的冗余空间
以获得含秘图像并发送给接收者；
[0095]
在本实施例中，信息隐藏者用隐藏秘钥加密秘密信息并将秘密信息嵌入到所腾出的冗余空间以获得含秘图像并发送给接收者的方法的具体实现步骤顺次如下：
[0096]
s51：根据信息隐藏秘钥k
h
对原始秘密信息s
secret
实施加密，得到加密秘密信息；
[0097]
s52：根据flag值判断是否可以进行秘密信息藏入，若flag＝1，则无腾出空间，若flag＝0，则将加密的秘密信息嵌入到所腾出的空间，生成含秘加密图像；
[0098]
s53：信息隐藏者将含秘加密图像发送给接收者。
[0099]
s6：接收者从收到的含秘加密图像中提取秘密信息和恢复原始图像。
[0100]
在本实施例中，接收者接收者从收到的含秘加密图像中提取秘密信息和恢复原始图像的方法具体实现步骤顺次如下：
[0101]
s61：若接收者拥有图像加密秘钥(块级流加密秘钥和块置乱秘钥)，则对收到的含秘加密图像根据游程编码逆操作还原预测误差，并根据预测误差和固定像素恢复原始加密图像块，再用和恢复原始图像i
o
；
[0102]
s62：若接收者拥有信息隐藏秘钥k
h
，则从收到的含秘加密图像中取出加密的秘密信息并解码，获得秘密信息s
secret
；
[0103]
s63：若接收者同时拥有信息隐藏秘钥k
h
、块级流加密秘钥和块置乱秘钥则同时使用s61和s62提取秘密信息s
secret
及恢复原始图像i
o
。
[0104]
本实施例中，按照前述的步骤s1～s6图像所有者获得加密图像、信息隐藏者获得含秘图像以及接收者接收到含秘图像并从中提取秘密信息和原始图像。其具体的结果展示如下：
[0105]
i.安全分析
[0106]
图4以lena和baboon为例，给出了其相应的仿真结果。其中图4(b)和图4(c)为加密图像、图4(e)和图4(f)为含秘加密图像的视觉效果图。显然，这四张图都很好的将原始图像的信息和秘密信息隐蔽起来，使得无法察觉到任何有用的信息。此外，图5(a)和图5(d)为原始图像的直方图信息，与其直方图分布不同的是，图5(b)、图5(c)、图5(e)和5(f)所示的直方图分布呈现出均匀分布，表明恶意窃取者无法通过分析加密图像及含秘图像获取到原始图像信息和秘密信息。最后，表1展示了加密图像和含秘图像的熵值，由表 1可以看出熵值都接近于8，这进一步验证了本发明具有非常高的安全性。
[0107]
表1为不同图像的熵值
[0108]
[0109]
iii性能比较
[0110]
图6分别比较了本发明与其他相关方法[1
‑
4]在五张典型灰度图像的净隐藏容量。从图6可以发现，本发明提供的方法远远优于优于其他方法。
[0111]
上述对比的方法具体做法参见以下参考文献：
[0112]
[1]rupalibhardwajandashutoshaggarwal.animprovedblockbasedjointreversibledatahidinginencryptedimagesbysymmetriccryptosystem.patternrecognitionletters，2018.
[0113]
[2]xiaotianwuandsunwei.high
‑
capacityreversibledatahidinginencryptedimagesbypredictionerror.signalprocessing，104(6)：387
‑
400，2014.
[0114]
[3]thaisonnguyen，chinchenchang，andwenchichang.highcapacityreversibledatahidingschemeforencryptedimages.signalprocessingimagecommunication，44：84
‑
91，2016.
[0115]
[4]paulineputeauxandwilliampuech.anefficientmsbprediction
‑
basedmethodforhigh
‑
capacityreversibledatahidinginencryptedimages.ieeetransactionsoninformationforensicsandsecurity，13(7)：1670
‑
1681，2018。