高容量加密域圖像可逆信息隱藏

王杭興

【摘 要】為了在加密圖像實(shí)現(xiàn)高容量可逆隱秘傳輸，本文提出了一種基于整數(shù)變換的加密圖像可逆信息隱藏改進(jìn)方法。圖像擁有者利用定位圖對(duì)像素組任意像素進(jìn)行整數(shù)變換，變換后的像素組像素受該整數(shù)變換性質(zhì)的影響，使符合條件的像素組任意像素LSB被修改后，依然能恢復(fù)回原來的像素。因此，圖像擁有者加密前對(duì)特定的圖像塊進(jìn)行整數(shù)變換，根據(jù)定位圖進(jìn)行圖像塊排列，以便秘密信息以LSB替換的方式嵌入到特定的圖像塊中，擁有解密密鑰就可以獲得原始圖像信息，擁有嵌入密鑰就可以在密文圖像中嵌入信息或者提取秘密信息，擁有解密密匙、嵌入密匙既可以提取秘密信息和恢復(fù)原始圖像。仿真實(shí)驗(yàn)表明該方法具有較高的嵌入容量和較低的失真。

【關(guān)鍵詞】可逆信息隱藏；整數(shù)變換；加密；嵌入容量

中圖分類號(hào)： TP309.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：2095-2457（2018）08-0053-002

Encryption Image Reversible Information Hiding Using Integer Transform

WANG Hang-Xing

（College of Information Science & Engineering， Huaqiao University， Xiamen 361021， China）

【Abstract】In order to achieve high-capacity reversible secret transmission in encrypted images， an improved method of reversible information hiding is proposed in this paper. The image owner uses integer transformation on any pixel of the pixel group according to positioning map. The pixel of the transformed pixel group is affected by the integer transform property， so that any pixel of the eligible pixel group LSB is modified and still restored to the original pixel. Therefore， the image owner uses integer transformation on a specific image block before encryption， and arranges the image blocks according to the positioning map， so that the secret information is embedded into a specific image block in an LSB replacement manner. the original image information can be obtained with the decryption key ， Someone can embed the information in the ciphertext image or extract the secret information With the embedded key， Someone can both extract the secret information and restore the original image with the decryption key and embedded key. Simulation results show that this method achieve a higher embedding capacity and lower distortion.

【Key words】Integer transformation； Different content image； Embedded capacity

0 引言

可逆信息隱藏是一種信息安全技術(shù)， 加密是一種常用的有效隱私保護(hù)手段。近年來，在云計(jì)算平臺(tái)和各種隱私保護(hù)應(yīng)用需求的驅(qū)動(dòng)下，為了保護(hù)用戶的隱私，需要在上傳數(shù)據(jù)前先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，所以加密域信息隱藏的研究具有一定的意義，現(xiàn)有的加密域可逆信息隱藏中主要分為加密前產(chǎn)生嵌入空間和加密后產(chǎn)生嵌入空間兩大類，文文獻(xiàn)[1]Ma是通過改進(jìn)Luo的方法在加密前預(yù)留出空間來嵌入信息，但并不適用于所有圖像，例如醫(yī)學(xué)圖像由于有很多的黑色背景，像素值很多為零，位置圖太大，導(dǎo)致B部分的邊緣像素沒有足夠空間存放，所以用Ma的方法會(huì)造成溢出像素過多無法正常進(jìn)行信息嵌入。文獻(xiàn)[2]Zhang采用新的插值方法在加密前預(yù)留出空間，能應(yīng)用在不同類型的圖像中，但嵌入容量太低，不適用在傳輸大信息量的情況。

本文對(duì)加密域可逆信息隱藏方法進(jìn)行改進(jìn)，獲得了較好的效果。

1 提出的方案

1.1 整數(shù)變換

設(shè)原始圖像I大小為512×512的8比特灰度圖，為了使得失真盡量小，圖像擁有者將圖像分成若干個(gè)大小為兩兩成對(duì)的圖像塊，每個(gè)圖像塊組成x=（x1，x2），圖像擁有者對(duì)每組的像素進(jìn)行整數(shù)變換，定義變換T如下公式（1）所示將x=（x1，x2）映射到y(tǒng)=（y1，y2）。

正變換后的y=（y1，y2） 的最低有效位有兩種情況：若任意像素的最低有效位不同時(shí)為“1”則將其同時(shí)置“0”利用式（2）可無失真恢復(fù)，使得y=（y1，y2）映射回x=（x1，x2）；若任意像素的最低有效位同時(shí)為“1”則將其在恢復(fù)階段置“1”才能無失真恢復(fù)，正是由于這個(gè)性質(zhì)，使得本算法得以成立的關(guān)鍵所在。

2.2 自嵌入

（1）定位圖和秘密信息、A部分的LSB稱為S1，將S1自嵌入B和C部分圖像塊的像素最低有效位，并且定位圖和秘密信息、A的LSB之間有相應(yīng)的標(biāo)志隔開。

（2）接下來說明S1信息在每個(gè)像素塊的自嵌入過程，由于圖像分塊后每塊的大小4×4，我們按照從上到下，從左到右將S1信息以LSB替換對(duì)應(yīng)像素最低有效位的方式自嵌入。

（3）將S1信息根據(jù)定位圖順序地自嵌入到B、C像素塊中，并在最后一位加上EOS結(jié)束標(biāo)記位。

2.3 圖像加密

（1）將圖像使用為隨機(jī)序列進(jìn)行加密。

（2）并在密文圖像前20個(gè)像素嵌入有關(guān)A的標(biāo)示信息比如行數(shù)、列數(shù)、LSB層數(shù)、以告知云服務(wù)管理者嵌入信息等，經(jīng)過以上操作的圖像記為E。

2.4 信息嵌入

圖像擁有者將經(jīng)過以上操作的密文圖像E、一起發(fā)送給云服務(wù)器管理者，云服務(wù)管理者取出密文圖像E前20個(gè)像素的LSB，獲知A部分的標(biāo)示信息后，云服務(wù)器管理者在密文圖像利用密匙K1以LSB替換對(duì)應(yīng)像素LSB的方式在A部分嵌入標(biāo)簽信息和時(shí)間信息等，記為。

2.5 信息提取

2.5.1 在解密之前提取信息

合法接收者通過嵌入密鑰K1提取出在密文圖像的A部分的LSB即秘密信息，從而實(shí)現(xiàn)了在密文域提取信息。因?yàn)楹戏ń邮照咧挥星度朊艹譑1，是不能獲得原始圖像的信息的，從而使原始圖像信息得到保護(hù)。

2.5.2 在解密之后提取信息

為了滿足不同用戶的需求，有一些用戶希望在解密后提取秘密信息，那么合法接收者需要先生成嵌有秘密信息解密圖像再提取數(shù)據(jù)和恢復(fù)原始圖像，以下為第二種情況的描述。

1）生成有標(biāo)記的解密圖像：

（1）對(duì)密文圖像進(jìn)行解密

（2）將定位圖信息從解密圖像B和C部分取出來并解壓定位圖，直到看到標(biāo)志位即提取停止。通過定位圖信息m可將A、 B、C部分依次恢復(fù)到原來的位置。產(chǎn)生的偽裝解密圖像稱為。

2）數(shù)據(jù)提取和原圖像恢復(fù)

（1）合法接收者根據(jù)定位圖m等于 2依次提取信息，緊接著對(duì)于m等于1依次提取信息，即S1信息，對(duì)于m等于0則不提取信息。

（2）對(duì)m=1相對(duì)應(yīng)的像素先將最低有效問位LSB置“0”，并進(jìn)行如公式（3）和（4）進(jìn)行逆變換便可恢復(fù)回原來像素。

（3）對(duì)于定位圖m等于2的像素塊只需要對(duì)像素塊里面的所有像素置“1”操作即能可逆恢復(fù)圖像。對(duì)于定位圖m等于0即溢出像素塊的最低有效位LSB通過取出A部分LSB替代回，得到恢復(fù)圖像。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

我們使用上述方法在局域網(wǎng)上進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)

圖1給出一幅大小512×512×8的宿主醫(yī)學(xué)圖像嵌入信息后的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖1a）為宿主圖像Lena，圖1（b）采用本文方法變換及自嵌入193825比特信息后的圖像，圖1（c）為使用密鑰k2加密后的圖像E，圖6（d）為使用密鑰k1嵌入秘密信息后加密圖像，圖1（e）為使用密鑰k2解密后包含信息的圖像，圖1（f）為提取信息后并使用相應(yīng)的恢復(fù)步驟后的圖像，實(shí)驗(yàn)中所嵌的比特信息都可以無失真地提取、恢復(fù)。秘密信息為容量為193825比特時(shí)，解密圖像的PSNR=34.56dB；秘密信息容量大小為131072比特時(shí)，解密圖像的PSNR=37.59dB。嵌入較大的數(shù)據(jù)時(shí)，恢復(fù)后圖像的質(zhì)量還能得到保證。接收到秘密信息提取率為100%，圖像也可以無失真恢復(fù)。

4 結(jié)論

本文給出一種基于整數(shù)變換的加密域可逆信息隱藏改進(jìn)方法。該方法通過對(duì)重新排列圖像塊以LSB替換的方式實(shí)現(xiàn)，在以下四個(gè)方面得到較好的表現(xiàn)：完全可逆性，高的PSNR值，信息提取和圖像恢復(fù)的可分離性，不同類型圖像的實(shí)用性。本文方法為了適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景可在加密圖像和解密圖像中提取秘密信息。

【參考文獻(xiàn)】

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