信息熵视角下的密文图像信息隐藏研究

摘要

密文图像信息隐藏是一个崭新的研究领域,近年来吸引了众多研究者。随着计算机网络、在线应用、云计算以及分布式处理等技术的发展,关于用户资源尤其是越来越多的数字图像资源的隐私保护问题变得尤为突出。加密是一种可以有效保护图像隐私的技术,而信息隐藏又可以在图像中传递秘密信息,或者用于实现版权保护、防伪认证、篡改检测等功能,因此,在加密后的图像上进行信息隐藏能够在保证图像隐私性的同时对图像数据进行有效管理和控制,具有良好的应用前景。信息论是运用概率论与数理统计的方法研究信息、信息熵、通信系统、数据传输、密码学、数据压缩等问题的应用数学学科,是现代科学技术基础理论之一,对数字信号处理的研究有着更高层面的指导意义。因为密文图像的一个显著特点就是信息熵趋于最大化,而在数据大小不变的情况下,信息量的增加必然会导致数据本身信息熵的增大,所以,要在密文图像中再增加额外信息,我们需要首先从信息熵的角度分析其可行性,进而提出问题的解决之道。从更高的层面着手,由抽象到具体,使我们能够在研究中找准切入点,提高科研效率。
　　本文在基于信息熵问题分析的基础之上,按照密文图像信息隐藏过程中对密文图像进行处理的时间先后,分别从加密前对图像进行预处理、直接在密文图像上进行操作以及在图像解密的同时进行操作这三个方面对密文图像信息隐藏的实现方法进行研究。其中,通过加密前对图像进行预处理实现密文图像信息隐藏的方法在实际应用中有太多的局限性,不作为我们研究的重点。本研究主要内容包括：
　　①改进了直接在密文图像上进行信息隐藏的典型算法。改进方案打破了原方案对图像分块的思想,取而代之的是一种随机扩散的思想。此外,通过精确预测的方法提高了波动函数的精确性。在进一步的改进方案中,我们证明了在图像中所有像素都嵌入信息的可行性,并设计了更适合的波动函数,取得了性能上的进一步提高。
　　②块压缩感知是一种对图像进行有效采样的技术,并且具有对图像同时进行压缩和加密的双重效果。结合已有的工作,我们提出了一种基于块压缩感知图像的直接在密文图像上进行信息隐藏的算法。
　　③提出了基于同态加密机制的、能同时保证可逆性和可交换性的、直接在密文域上进行的信息隐藏算法。解决了两个现有方案中难以克服的问题:一是直接在完全的密文域中进行信息隐藏;二是可逆性,即嵌入信息能够准确无误地提取并且宿主图像也能够完美地恢复。
　　④提出了一种新的可交换零水印机制。不仅水印嵌入和图像加密可交换,而且水印提取和图像解密也可交换。水印信息隐藏可以直接在完全加密的图像上进行,而且不会对图像质量有任何影响。而在其它相关方案中,要么水印嵌入和图像加密不满足交换性,要么水印提取和图像解密不满足交换性。
　　⑤攻击了基于矢量量化图像的解密同时嵌入指纹信息的方案:随意更换图像中隐藏的指纹信息,使叛徒追踪无法成功;破解了基于静态密钥树的方法,使密文图像在没有解密密钥的情况下可以直接解密。在此基础上,基于码书划分的思想,提出了新的能在解密的同时进行指纹信息隐藏的方案。新方案具有如下特点:安全;兼具鲁棒性与脆弱性;指纹提取方便;图像失真有限;同时,计算和通信开销都没有增大。