一种基于直方图特征的图像加密域可逆信息隐藏方法

摘要

本发明提供一种基于直方图特征的图像加密域可逆信息隐藏方法，属于数字图像加密与信息隐藏领域。本发明包括：图像所有者通过对图像像素位置置乱加密和像素值加密生成密文图像，然后把加密密钥、密文图像分块大小发给图像接收者，同时把密文图像及其分块大小发给信息隐藏者；信息隐藏者随机选择块图像嵌入信息，生成载有信息的密文图像，然后把嵌入密钥、含有信息的密文图像及分块大小发给信息接收者，同时把含有信息的密文图像发给图像接收者；信息接收者根据嵌入密钥提取信息；图像接收者根据加密密钥解密和恢复图像。本发明的有益效果为：算法简单、有效，能够完全提取信息和完全恢复原图像；信息提取、图像解密和恢复过程完全独立。

说明书

技术领域

本发明涉及数字图像加密与信息隐藏领域，尤其涉及一种基于直方图特征的图像加密域可逆信息隐藏方法。

背景技术

信息隐藏和数据加密是信息安全的两大常用技术。信息隐藏，就是应用人的感觉器官对数字媒体的视觉冗余特性，把秘密信息(如数据、文字和图像信息等)嵌入到公开传输的数字媒体(如图像、视频和音频等)中，却不易被人的视觉、听觉系统所察觉，从而达到利用公开的载密媒体传输秘密信息的目的。这里的数据加密，是将数字媒体明文转化为不可理解的密文，从而对数字媒体的内容进行保护。由于信息的嵌入，导致载体图像或多或少地出现了失真，但在军事、医疗和司法领域等某些特殊应用场合，却不允许类似情况发生，于是，可逆信息隐藏技术应运而生。可逆信息隐藏在从载密图像取出秘密信息后能够无损恢复原始载体图像。随着对个人隐私保护观念的日益加深，个人数字图像，以及科学研究数字图像、国家安全数字图像和法庭取证数字图像等安全需要，这时对这些数字图像进行加密变得异常重要。现在越来越需要第三方能够直接对加密图像数据进行管理，这就需要给加密图像加入管理信息。如存储到远程云端的加密图像，需要对图像分类、拥有者的信息、版权信息和其他相关信息等。信息嵌入者就是一个未被授权的第三方，他不允许知道宿主的明文内容，所以也就不能得到宿主明文状态下的特征。例如，在医学影像中，图像被加密用来保护病人的隐私。但是，负责管理这些图片的第三方(系统管理员、办事员、护士等)应该能够直接在密文图像中嵌入额外的信息，并且这时第三方作为数据嵌入者既不需要解密图像也不需要知道图像明文状态下的特征。再比如，在云计算的应用中，用户在云服务器上存储的图像数据需要隐私保护，所以要先加密，这时，在这些加密的图像中嵌入一些分类信息、版权信息、数据检索信息或任何其他相关信息的任务就需要由云计算服务提供者在不解密数据的情况下来完成。还有一种应用就是希望保持加密图像的完整性时，计算加密图像的哈希值并直接嵌入到加密图像中去。或者，循环冗余校验码(CRC)或其他纠错信息也可以嵌入进去。于是，加密域可逆信息隐藏技术成为近年研究热点。

目前已有学者提出一些关于密文域可逆隐写方案，但这些方案存在着应用上的缺陷或不足。2011年，Zhang[1]提出基于异或加密和像素相关性的密文域可逆隐写算法，成为密文域信息隐藏领域一个有代表性的方法，但该算法的图像恢复和信息提取是基于概率统计特性的(像素相关性是个统计特性)，图像恢复程度和信息提取的正确性程度与分块大小有关，且总存在一定的图像失真度和信息提取错误率。2012年，Hong等人[2]考虑图像块间的边界信息改进Zhang的算法,使图像恢复和信息提取正确率进一步提高。2013年，刘尚翼等人[3]提出基于图像块相关性分类的加密域可逆数据隐藏改进算法，图像恢复和信息提取正确率又进一步提高。2014年，Li等人[4]提出的改进算法是一种取消分块操作而以随机扩散来替代而取得相关性统计性能的提升，并用精确预测方法提高预测精度，从而使图像恢复和信息提取正确率又进一步提高。2012年，Zhang[5]提出一种可分离的密文图像隐写方案，信息提取和图像恢复两个操作可以单独执行，互不干涉，但其图像恢复和信息提取还是完全建立在图像像素相关性这一统计特征上的，所以其可逆性仍像文献[1-4]一样不能保证。文献[6]-[8]是一种加密前对图像进行预处理的方法，即在加密之前压缩图像部分数据，腾出空间留给信息嵌入使用。文献[9]是一种利用直方图平移的置乱图像加密域可逆隐写方法，文献[10]是一种基于像素差值直方图平移的密文域可逆隐写算法。

这些算法中，文献[1]-[4]的图像解密和信息提取顺序是固定的，即先解密后提取信息，信息拥有者必须也是图像信息拥有者；文献[6]-[10]算法在图像解密和信息提取是可分离的，而且是完全可逆的。但是，文献[1]-[5]、[7]-[10]的算法中，在图像恢复时，都需要经过信息提取和图像解密操作，很容易从操作过程中获取图像信息和秘密信息，图像恢复者必须同时是图像信息和秘密信息拥有者，限制了应用的广泛性。

参考文献：

[1]X.Zhang.Reversible data hiding in encrypted image[J].IEEE Signal Processing Letters,2011,18(4):255-258.

[2]W.Hong,T.Chen,H.Wu.An improved reversible data hiding in encrypted images using side match[J].IEEE Signal Processing Letters,2012,19(4):199-202.

[3]刘尚翼，霍永津，罗欣荣，等.基于图像块相关性分类的加密域可逆数据隐藏[J].武汉大学学报(理学版),2013,5(10):486-490.

[4]Ming Li,Di Xiao,ZhongxianPeng,Hai Nan,A modified reversible data hiding in encrypted images using random diffusion and accurate prediction,ETRI Journal,2014,36(2):325-328.

[5]X.Zhang.Separable reversible data hiding in encrypted image[J].IEEE Transactions on Information Forensics and Security,2012,7(2):826-832.

[6]K.Ma,W.Zhang,X.Zhao,et al.Reversible data hiding in encrypted images by reserving room before encryption[J].IEEE Transactions on Information Forensics and Security,2013,8(3):553-562.

[7]W.Zhang,K.Ma,N.Yu.Reversibility improved data hiding in encrypted images[J].Signal Processing,2014,94:118-127.

[8]韩喜玉，钱振兴，张新鹏，等.按需发送的加密图像中的可逆信息隐藏[J].应用科学学报，2015，33(1):50-58.

[9]郑洪英，高真，肖迪.密文图像中的可逆信息隐藏算法[J].计算机工程与应用，2014，50(7):186-18.

[10]肖迪，杜社，郑洪英.基于差值域直方图平移的密文可逆水印算法[J].计算机应用研究，2014，31(12):3668-3672.

发明内容

为解决现有技术中的问题，本发明提供一种基于直方图特征的图像加密域可逆信息隐藏方法，利用像素置乱加密图像与像素值加密图像的不同直方图特征来隐藏信息，本发明方法流程框图如图1所示。

本发明包括如下步骤：(1)图像所有者对图像加密步骤：图像所有者首先通过加密密钥对原始图像像素位置进行置乱加密，然后对每个像素值的一定位数的低位进行像素值加密，生成密文图像；根据图像直方图特征确定能够区分块图像像素值一定位数的高位与低位不同特征的最小分块大小；最后把加密密钥、区分方法和最小分块大小发送给图像接收者，把密文图像、区分方法和最小分块大小发送给信息隐藏者；

(2)信息隐藏者嵌入信息步骤：信息隐藏者根据最小分块大小对密文图像分块，随机选择块，依据区分方法、信息0或1对换块图像像素值一定位数的高位和低位，生成载有信息的密文图像，然后把嵌入密钥、含有信息的密文图像、区分方法和最小分块大小发送给信息接收者，同时把含有信息的密文图像发送给图像接收者；

(3)信息接收者提取信息步骤：信息接收者根据嵌入密钥、最小分块大小、区分方法、块图像像素值一定位数的高位和低位的图像直方图特征值从含有信息的密文图像中进行信息提取，进而提取出秘密信息；

(4)图像接收者解密和恢复图像步骤：图像接收者根据加密密钥、最小分块大小、区分方法、块图像像素值一定位数的高位和低位的图像直方图特征值对含有信息的密文图像进行图像解密得到解密图像，图像恢复操作与图像解密操作一致，解密图像便是原始图像。

本发明的信息嵌入理论和方法完全不同于现有算法，算法简单、有效。根据已有的图像加密算法，本发明的图像加密算法是安全的，信息嵌入量比文献[1]-[5]为代表的隐写算法至少高出14-28倍，且同时满足接收方的信息提取、图像解密和图像恢复的完全独立性、隐写加密图像的完全可逆性，将有效满足更多的实际应用。

本发明作进一步改进，在步骤(1)中，提取图像像素值的低四位进行像素值加密；所述最小分块大小为根据图像直方图特征确定能够区分块图像像素值高四位和低四位的不同特征的最小分块大小。由于像素值的高四位代表图像的主要特征、低四位类似噪声，高四位也就具备原图像或置乱加密图像的直方图特征、低四位具备像素值加密图像的直方图特征。

本发明作进一步改进，在步骤(1)中，图像像素位置的置乱加密方法如下：

A1：设原图像A的大小为m×n，由加密密钥产生m×n个服从[1,m×n]的不重复随机序列S₁、m×n个服从[0,15]的随机序列S₂；

A2：将像素矩阵A按光栅扫描顺序变换为一维数组Pt(1:m×n)，变换公式为：P_t((i-1)n+j)＝A(i,j)，其中，i＝1,2,3,…,m，j＝1,2,3,…,n；

A3：按随机序列S₁的序列值一一把数组Pt(1:m×n)变换到新数组P，变换公式为：P(i)＝P_t(S₁(i)),其中，i＝1,2,3,…,m×n；

所述像素值加密方法为：用随机序列S₂对置乱加密后的图像的像素值的低四位进行加密，加密公式为：其中，i＝1,2,3,…,m×n，然后，按光栅扫描顺序将C(i)重构的像素矩阵B生成加密图像文件。

本发明作进一步改进，在步骤(2)中，依据信息0或1对换块图像像素值的高四位和低四位。

本发明作进一步改进，加密后、信息隐藏后的块图像像素值的高四位和低四位是置乱加密还是像素值加密，是根据各自的直方图特征判断区分的。

本发明作进一步改进，根据直方图特征，采用的判断区分方法包括信息熵、像素值极差和像素值频度。

本发明作进一步改进，在步骤(2)中，信息嵌入规则为：若信息为0，则高四位为置乱加密，低四位为像素值加密；若信息为1，则高四位为像素值加密，低四位为置乱加密；嵌入信息的方法包括如下步骤：

B1：根据步骤(1)中确定的图像最小分块大小h×w，将图像分为u×v块，由嵌入密钥产生u×v个服从[1,u×v]的不重复随机数序列R；

B2：依据信息和序列R顺序，随机选择一块图像，依据区分方法判断当前块图像像素值的高四位是置乱加密还是像素值加密，如果信息为0，高四位为置乱加密，低四位为像素值加密，高四位和低四位不改变；否则，高四位和低四位互换；如果信息为1，则反之；

B3：反复执行步骤B2，直至信息嵌入完毕。

本发明作进一步改进，在步骤(3)中，提取信息的方法包括如下步骤：

C1：根据步骤(1)中确定的图像最小分块大小h×w，将图像分为u×v块，由嵌入密钥产生u×v个服从[1,u×v]的不重复随机数序列R；

C2：依据序列R顺序，随机选择一块图像，依据区分方法判断当前块图像像素值的高四位是置乱加密还是像素值加密，如果高四位为置乱加密，低四位为像素值加密，那么信息为0；反之，信息为1；

C3：反复执行步骤C2，直至信息提取完毕。

本发明作进一步改进，在步骤(4)中，解密和恢复图像的方法包括如下步骤：

D1：根据步骤(1)中确定的图像最小分块大小h×w，将图像分为h×w块；

D2：按光栅扫描顺序选择块，依据区分方法判断当前块图像像素值的高四位是置乱加密还是像素值加密，若高四位为像素值加密，则块图像的高四位与低四位互换位置；

D3：反复执行步骤D2，直至所有块图像的像素值高四位恢复原位；

D4：根据加密密钥，按加密图像的过程逆向将图像的低四位像素值解密、像素位置反置乱，完全得到原始图像。

本发明作进一步改进，在步骤(3)和步骤(4)中，所述信息接收者和图像接收者为同一权限的人或者不同权限的人。接收方的信息提取、图像解密和恢复过程完全独立、互不干涉。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：算法简单、有效，能够完全提取信息和完全恢复原始图像；信息提取、图像解密和恢复过程完全独立、互不干涉，从而解决信息提取和图像解密的固定顺序、图像恢复者必须拥有信息提取密钥和图像解密密钥等问题，使算法具有更好的应用性和更大的应用范围；提高基于块图像的加密域可逆信息隐藏的嵌入率。

附图说明

图1为本发明方法流程框图；

图2为本发明理论依据——原图像、置乱加密图像的直方图特征；

图3为本发明理论依据——像素值加密图像的直方图特征；

图4为lena原始图像；

图5为图4加密图像效果图；

图6为Lena加密图像的像素值高四位图像直方图；

图7为Lena加密图像的像素值低四位图像直方图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

本例是基于图像的直方图特征进行图像加密和信息隐藏，其中，本发明的具体依据如下：

图像加密通常有图像像素位置置乱、像素值加密，以及同时置乱和像素值加密三种方式。置乱加密和像素值加密都有同样的不可识别效果，但置乱加密图像的像素值直方图与原始明文图像的一致，而像素值加密图像的像素值直方图则在像素值范围内均布。如图2所示的Lena图像的原图像的像素值直方图与其置乱加密图像的直方图一致；图3所示的Lena图像的像素值加密图像的直方图在像素值范围内均布。图像块加密也具有同样的直方图特征。

由图2和图3可知，一幅图像加密或图像块加密是置乱加密还是像素值加密是可以通过直方图特征区分的，但由于直方图特征是统计特征值，必须具备足够大的图像块才能正确区分。置乱加密和像素值加密的两图像块组合排列就可以代表信息0和1，这就是本发明的理论依据。

其中，根据图2和图3所示的直方图特征，本例可以用信息熵、像素值极差和像素值频度来度量判断区分原图像的加密是置乱加密还是像素值加密。

(1)信息熵

信息熵可以度量出图像或图像块中灰度值(像素值)的分布情况，灰度分布越均匀，图像信息熵越大，反之信息熵越小。信息熵的计算表达式为：

式中，x为随机变量，p(x_i)为x_i出现的概率，在这里x表示图像的像素值。由信息熵特点，以及图2和图3所示的直方图特征可知，像素值加密图像的信息熵大于置乱加密图像的信息熵。

(2)像素值频度

像素值频度是指在图像或图像块中某像素值出现的频率，由图2和图3所示的直方图特征可知，像素值加密图像的像素值频度小于像素置乱加密图像的像素值频度。

(3)像素值极差

像素值极差是指图像或图像块中的最大像素值与最小像素值之差，像素值极差定义为：d＝pix_max-pix_min，式中，pix_max和pix_min分别为最大像素值和最小像素值。由图2和图3所示的直方图特征可知，当置乱图像或图像块同时出现最小像素值和最大像素值时，像素值加密图像的像素值极差等于像素置乱加密图像的像素值极差，此时无法用极差判定图像是置乱加密还是像素值加密；当置乱图像或图像块不同时出现最小像素值和最大像素值时，像素值加密图像的像素值极差大于像素置乱加密图像的像素值极差。

如图1所示，作为本发明的一个实施例，本发明方法包括如下步骤：(1)图像所有者对图像加密步骤：图像所有者首先通过加密密钥对原始图像像素位置进行置乱加密，然后对每个像素值的一定位数的低位，比如可以选二位到四位不等进行像素值加密，生成密文图像；根据图像直方图特征确定能够区分块图像像素值一定位数的高位和低位不同特征的最小分块大小，把这最小分块大小作为进一步加密和信息隐藏的密文图像分块大小。最后把加密密钥、区分方法和最小分块大小发送给图像接收者，把密文图像、区分方法和最小分块大小发送给信息隐藏者；

(2)信息隐藏者嵌入信息步骤：信息隐藏者根据图像最小分块大小对密文图像分块，随机选择块，依据信息0或1对换块图像像素值一定位数的高位和低位，生成载有信息的密文图像，然后把嵌入密钥、含有信息的密文图像、区分方法和最小分块大小发送给信息接收者，同时把含有信息的密文图像发送给图像接收者；

(3)信息接收者提取信息步骤：信息接收者根据嵌入密钥、块图像像素值一定位数的高位和低位的图像直方图特征值进行信息提取，进而提取出秘密信息；

(4)图像接收者解密和恢复图像步骤：图像接收者根据加密密钥、块图像像素值一定位数的高位和低位的图像直方图特征值进行图像解密得到解密图像，图像恢复操作与图像解密操作一致，解密图像便是原始图像。

本发明能够很好地解决现有算法存在的三个问题：

(1)算法接收方能够完全恢复原图像和完全正确提取信息。

(2)算法接收方的信息提取、图像解密和恢复过程完全独立、互不干涉，从而解决信息提取和图像解密的固定顺序、图像恢复者必须拥有信息提取密钥和图像解密密钥等问题，使算法具有更好的应用性和更大的应用范围。

(3)提高基于块图像的加密域可逆信息隐藏的嵌入率。

作为本发明的一个实施例，由于像素值的高四位代表图像的主要特征、低四位类似噪声，高四位也就具备原图像或置乱加密图像的直方图特征、低四位具备像素值加密图像的直方图特征。在步骤(1)中，对图像像素值的低四位进行像素值加密；所述最小分块大小为根据图像直方图特征确定能够区分块图像像素值高四位和低四位的最小分块大小。因此，步骤(1)中，本实施例对图像加密的信息隐藏方法也简称高低四位隐写算法，具体为：采取像素置乱加密图像，低四位作像素值加密，图像块的高低四位互换代表信息0或1。

本实施例的具体实现步骤如下：

(1)图像所有者的图像加密步骤

图像像素位置的置乱加密方法如下：

A1：设原图像A的大小为m×n，由加密密钥产生m×n个服从[1,m×n]的不重复随机序列S₁、m×n个服从[0,15]的随机序列S₂；

A2：将像素矩阵A按光栅扫描顺序变换为一维数组Pt(1:m×n)，变换公式为：P_t((i-1)n+j)＝A(i,j)，其中，i＝1,2,3,…,m，j＝1,2,3,…,n；

A3：按随机序列S₁的序列值一一把数组Pt(1:m×n)变换到新数组P，变换公式为：P(i)＝P_t(S₁(i)),其中，i＝1,2,3,…,m×n；

所述像素值加密方法为：

用随机序列S₂对置乱加密后的图像的像素值的低四位进行加密，加密公式为：其中，i＝1,2,3,…,m×n，然后，按光栅扫描顺序将C(i)重构的像素矩阵B生成加密图像文件。

加密图像分块：

本例使用像素置乱加密图像与像素值加密图像的直方图特征的差异来作为隐藏信息的基础，而直方图特征是基于统计特征的，这些统计特征的差异性需要一定的统计量才能正确体现。因此，需依据直方图特征确定隐藏信息的图像块的大小。方法是使所有子块图像的高四位直方图特征与低四位直方图特征能正确区分，即分块大小使所有子块图像都满足以下条件之一：高四位信息熵小于低四位信息熵，或高四位的最大像素值频度大于低四位的最大像素值频度，或高四位的像素值极差小于低四位的像素值极差。

三种判断方法的最小图像分块实例如表1所示，本表只列出代表性的灰度级丰富的lena、peppers、airplane、baboon、lake和bridge标准测试图像，以及灰度级比较单一的卡通图像cartoon和格子图像gird，这些图像的大小均为512×512。由于bridge、cartoon和gird有分块图像的高四位存在最小像素值和最大像素值，因此极差方法的最小分块无可行解。

表1

一幅图像隐写只能选择一个判断区分方法确定最小的图像分块大小，然后用确定的图像最小分块大小来对图像进行分块，为了使加密图像与嵌入信息后的加密图像保持相同的直方图特征，分块大小确定后块图像的高低四位随机互换位置。

(2)信息隐藏者嵌入信息步骤：

本例的信息嵌入规则为：若信息为0，则高四位为置乱加密，低四位为像素值加密；若信息为1，则高四位为像素值加密，低四位为置乱加密。所述嵌入信息方法包括如下步骤：

B1：根据步骤(1)中确定的图像最小分块大小h×w，将图像分为u×v块，由嵌入密钥产生u×v个服从[1,u×v]的不重复随机数序列R。

B2：依据信息和序列R顺序，随机选择一块图像，判断当前块图像像素值的高四位是置乱加密还是像素值加密，如果信息为0，高四位为置乱加密，低四位为像素值加密，高四位和低四位不改变；否则，高四位和低四位互换。如果信息为1，则反之。

B3：反复执行步骤B2，直至信息嵌入完毕。

(3)信息接收者提取信息的方法包括如下步骤：

C1：根据步骤(1)中确定的图像最小分块大小h×w，将图像分为u×v块，由嵌入密钥产生u×v个服从[1,u×v]的不重复随机数序列R；

C2：依据序列R顺序，随机选择一块图像，判断当前块图像像素值的高四位是置乱加密还是像素值加密，如果高四位为置乱加密，低四位为像素值加密，那么信息为0；反之，信息为1；

C3：反复执行步骤C2，直至信息提取完毕。

(4)图像接收者解密和恢复图像的方法，包括如下步骤：

D1：根据步骤(1)中确定的图像最小分块大小h×w，将图像分为u×v块；

D2：按光栅扫描顺序选择块，判断当前块图像的像素值高四位是置乱加密还是像素值加密，若高四位为像素值加密，则像素块的高四位与低四位互换位置；

D3：反复执行步骤D2，直至所有块图像的像素值高四位恢复原位；

D4：根据加密密钥，按加密图像的过程逆向将图像的低四位像素值解密、像素位置反置乱，完全得到原始图像。

在步骤(3)和步骤(4)中，所述信息接收者和图像接收者为同一权限的人或者不同权限的人。接收方的信息提取、图像解密和恢复过程完全独立、互不干涉。信息提取、图像解密和恢复的权限完全独立，即不分顺序、不需拥有两个或两个以上权限。

具体地，如图4-图7所示，以lena图像为例，本实施例的原始图像lena的大小m×n为512×512，秘密信息为随机二进制信息。lena原始图像和lena密文图像效果图分别如图4和图5所示。Lena图像高四位置乱加密和低四位像素值加密后的密文图像的高四位像素值直方图和低四位像素值直方图分别如图6和图7所示。用像素值极差法确定最小的分块大小，因此密文分块大小h×w为用像素值极差判断确定的密文最小分块大小6×7,密文分块u×v为85×73。从载密密文图像提取的二进制信息与嵌入时的二进制随机信息完全一致，解密图像和恢复图像与原始图像完全一致。

本发明的信息嵌入理论和方法完全不同于现有算法，算法简单、有效。根据已有的图像加密算法，本发明的加密算法是安全的，信息嵌入量比文献[1]-[5]为代表隐写算法至少高出14-28倍，且同时满足接收方的信息提取、图像解密和图像恢复的完全独立性、提取信息的完全正确性、隐写加密图像的完全可逆性，将有效满足更多的实际应用。

以上所述之具体实施方式为本发明的较佳实施方式，并非以此限定本发明的具体实施范围，本发明的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本发明所作的等效变化均在本发明的保护范围内，即依据置乱加密图像和像素值加密图像的不同直方图特征来隐藏信息的方法均在本发明的保护范围内。例如，块图像置乱加密和像素值加密分别表示信息0和1或1和0，也是基于置乱加密图像和像素值加密图像的不同直方图特征来隐藏信息的，也在本发明的保护范围内。