基于PT‑LCT和DWT‑SVD的彩色图像加密及隐藏方法

摘要

本发明涉及信息安全和光信息处理技术领域，为提出基于切相线性正则变换(PT‑LCT)和离散小波变换—奇异值分解(DWT‑SVD)的彩色图像加密及隐藏方法，最终得到包含秘密图像的彩色载体图像。本发明采用的技术方案是，基于PT‑LCT和DWT‑SVD的彩色图像加密及隐藏方法，待隐藏的彩色图像首先经Arnold置乱和PT‑LCT系统加密；然后，将载体彩色图像由RGB颜色空间转换为YCbCr空间；接下来，将加密后的彩色图像通过DWT‑SVD方法嵌入到Cb和Cr通道中；最后，再将包含秘密图像的Cb和Cr通道与Y通道一起转换到RGB颜色空间，就最终得到包含秘密图像的彩色载体图像。本发明主要应用于信息安全和光信息处理场合。

说明书

技术领域

本发明涉及信息安全和光信息处理技术领域，尤其涉及一种基于PT-LCT和DWT-SVD的彩色图像加密及隐藏方法。

背景技术

数字图像作为当前最流行的多媒体形式之一，在政治、经济、军事、教育等领域有着广泛的应用。在互联网技术高度发达的今天，如何保护数字图像免遭篡改、非法复制和传播具有重要的实际意义。对图像加密及隐藏技术的研究已成为当前信息安全领域的热点之一。

由于光学信息处理技术具有高处理速度、高并行度、能快速实现卷积和相关运算等优点，近年来，利用光学方法进行数字图像加密引起了人们的极大兴趣。在光学图像加密技术中，最具有代表性的是Javidi等提出的基于光学4f系统的双随机相位编码方法。该技术开辟了光学图像加密的新领域，基于该技术诞生了一大批光学加密新方法和新技术。然而，大多数基于双随机相位编码方法的图像加密系统是线性对称密码系统，即加密过程与解密过程使用的密钥相同。此类线性对称密码系统易受选择明文攻击和已知明文攻击等。

此外，在网络传输图像时，仅仅对图像进行加密处理(例如将有意义的一幅图像变为一幅无意义的类噪声图像)容易引起攻击者的注意。图像隐藏可以很好的解决这一问题。所谓图像隐藏，就是将需要保密传输的图像通过一定的技术手段嵌入另外一幅载体图像中，以不引起攻击者的注意。图像隐藏方法应满足以下两点基本要求，即(1)人眼不能看出包含秘密图像的载体图像与原始载体图像之间有任何差别；(2)对各种几何攻击或图像处理攻击具有一定的鲁棒性。然而，当前的图像隐藏方法大都是针对将灰度(或二值)图像隐藏在灰度图像或彩色图像中，或是将彩色图像隐藏在灰度图像中而设计的。由于当今信息时代，人们日常生活中接触到的图像大都是彩色图像，因此，针对将彩色图像隐藏在彩色图像中的图像隐藏方法的研究更具有现实意义和实用价值。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出基于切相线性正则变换(PT-LCT)和离散小波变换—奇异值分解(DWT-SVD)的彩色图像加密及隐藏方法，最终得到包含秘密图像的彩色载体图像。本发明采用的技术方案是，基于PT-LCT和DWT-SVD的彩色图像加密及隐藏方法，待隐藏的彩色图像首先经Arnold置乱和PT-LCT系统加密；然后，将载体彩色图像由RGB颜色空间转换为YCbCr空间；接下来，将加密后的彩色图像通过DWT-SVD方法嵌入到Cb和Cr通道中；最后，再将包含秘密图像的Cb和Cr通道与Y通道一起转换到RGB颜色空间，就最终得到包含秘密图像的彩色载体图像。

在一个实例中，具体步骤细化为：

待隐藏彩色图像的加密部分：在加密过程中，对待隐藏的彩色图像进行如下步骤的处理，(1)将待加密的彩色图像I_RGB分解为RGB三个颜色通道I_R,I_G,I_B，其中，I_R、I_G和I_B分别为红色、绿色和蓝色通道分量；并对每个颜色通道进行广义Arnold置乱；(2)将置乱后的RGB颜色通道转换为YCbCr颜色空间，并对YCbCr颜色空间的三个颜色通道再次进行广义Arnold置乱；(3)将置乱后的YCbCr颜色通道转换回RGB颜色空间，RGB空间的三个颜色通道分别被随机相位掩膜RPM₁调制，然后分别进行第一次PT-LCT变换，得到三个振幅分布部分A_1R,A_1G,A_1B及三个相位分布部分P_1R,P_1G,P_1B，其中，A_1R和P_1R对应红色通道的振幅和相位，A_1G和P_1G对应绿色通道的振幅和相位，A_1B和P_1B对应蓝色通道的振幅和相位；(4)三个振幅分布部分分别被随机相位掩膜RPM₂调制，然后分别进行第二次PT-LCT变换，得到三个振幅分布部分A_2R,A_2G,A_2B及三个相位分布部分P_2R,P_2G,P_2B，其中，A_2R和P_2R对应红色通道的振幅和相位，A_2G和P_2G对应绿色通道的振幅和相位，A_2B和P_2B对应蓝色通道的振幅和相位；结合A_2R,A_2G,A_2B就可最终得到加密后的彩色图像I_ERGB；

彩色加密图像的嵌入部分：在加密图像的嵌入过程中，对加密后的彩色图像及彩色载体图像进行如下步骤的处理，可以达到在彩色载体图像中嵌入彩色加密图像的目的。(1)对彩色加密图像的三个颜色通道A_2R,A_2G,A_2B，分别采用变分图像分解方法即TV-G模型将其分解为卡通部分U_2R,U_2G,U_2B和纹理部分V_2R,V_2G,V_2B，其中U_2R和V_2R对应红色通道的卡通部分和纹理部分，U_2G和V_2G对应绿色通道的卡通部分和纹理部分，U_2B和V_2B对应蓝色通道的卡通部分和纹理部分；(2)将彩色载体图像H_RGB由RGB颜色空间转换为YCbCr颜色空间，并分别对蓝色色度分量C_b和红色色度分量C_r颜色通道进行离散小波变换DWT，得到各自的四个频带LL_b,LH_b,HL_b,HH_b和LL_r,LH_r,HL_r,HH_r，其中LL_b和LL_r分别为蓝色和红色色度分量的低频部分，LH_b和LH_r、HL_b和HL_r、HH_b和HH_r分别为蓝色和红色色度分量在垂直方向、水平方向和对角方向的高频部分；(3)分别对LH_b,HL_b,HH_b和LH_r,HL_r,HH_r频带进行奇异值分解SVD，得到(U_lhb,S_lhb,V_lhb)，(U_hlb,S_hlb,V_hlb)，(U_hhb,S_hhb,V_hhb)和(U_lhr,S_lhr,V_lhr)，(U_hlr,S_hlr,V_hlr)，(U_hhr,S_hhr,V_hhr)，其中U_lhb和V_lhb分别为LH_b的两个特征向量、S_lhb为LH_b的特征值，U_hlb和V_hlb分别为HL_b的两个特征向量、S_hlb为HL_b的特征值，U_hhb和V_hhb分别为HH_b的两个特征向量、S_hhb为HH_b的特征值，U_lhr和V_lhr分别为LH_r的两个特征向量、S_lhr为LH_r的特征值，U_hlr和V_hlr分别为HL_r的两个特征向量、S_hlr为HL_r的特征值，U_hhr和V_hhr分别为HH_r的两个特征向量、S_hhr为HH_r的特征值；(4)将U_2R,U_2G,U_2B通过以下方式嵌入到S_lhb,S_hlb,S_hhb中，即SU_lhb＝S_lhb+k·U_2R，SU_hlb＝S_hlb+k·U_2G，SU_hhb＝S_hhb+k·U_2B，其中SU_lhb、SU_hlb、SU_hhb为包含加密图像卡通部分的三个特征值，k为控制嵌入强度的参数；同时，将V_2R,V_2G,V_2B通过以下方式嵌入到S_lhr,S_hlr,S_hhr中，即SU_lhr＝S_lhr+k·V_2R，SU_hlr＝S_hlr+k·V_2G，SU_hhr＝S_hhr+k·V_2B，其中SU_lhr、SU_hlr、SU_hhr为包含加密图像纹理部分的三个特征值；(5)对SU_lhb,SU_hlb,SU_hhb和SU_lhr,SU_hlr,SU_hhr分别进行SVD分解，得到(UW_lhb,SW_lhb,VW_lhb)，(UW_hlb,SW_hlb,VW_hlb)，(UW_hhb,SW_hhb,VW_hhb)和(UW_lhr,SW_lhr,VW_lhr)，(UW_hlr,SW_hlr,VW_hlr)，(UW_hhr,SW_hhr,VW_hhr)，其中UW_lhb和VW_lhb分别为SU_lhb的两个特征向量、SW_lhb为SU_lhb的特征值，UW_hlb和VW_hlb分别为SU_hlb的两个特征向量、SW_hlb为SU_hlb的特征值，UW_hhb和VW_hhb分别为SU_hhb的两个特征向量、SW_hhb为SU_hhb的特征值，UW_lhr和VW_lhr分别为SU_lhr的两个特征向量、SW_lhr为SU_lhr的特征值，UW_hlr和VW_hlr分别为SU_hlr的两个特征向量、SW_hlr为SU_hlr的特征值，UW_hhr和VW_hhr分别为SU_hhr的两个特征向量、SW_hhr为SU_hhr的特征值；(6)对(3)和(5)得到的结果进行如下操作，得到包含秘密图像的频带和其中LH_bw和LH_rw分别对应C_b和C_r分量在垂直方向的高频部分，HL_bw和HL_rw分别对应C_b和C_r分量在水平方向的高频部分，HH_bw和HH_rw分别对应C_b和C_r分量在对角方向的高频部分；(7)对(LL_b,LH_bw,HL_bw,HH_bw)和(LL_r,LH_rw,HL_rw,HH_rw)进行逆DWT变换，得到包含秘密图像的两个通道Cb_w和Cr_w；(8)将Y,Cb_w,Cr_w通道转换回RGB空间，最终得到包含秘密图像的彩色载体图像H_WRGB。

彩色加密图像的提取部分：在彩色加密图像的提取过程中，对包含秘密图像的彩色载体图像进行如下步骤的处理，(1)将包含秘密图像的彩色载体图像H_WRGB由RGB颜色空间转换为YCbCr颜色空间，并分别对C_b和C_r颜色通道进行DWT变换，得到各自的四个频带LL_wb,LH_wb,HL_wb,HH_wb和LL_wr,LH_wr,HL_wr,HH_wr，其中LL_wb和LL_wr分别为包含秘密图像的彩色载体图像的蓝色和红色色度分量的低频部分，LH_wb和LH_wr、HL_wb和HL_wr、HH_wb和HH_wr分别为包含秘密图像的彩色载体图像的蓝色和红色色度分量在垂直方向、水平方向和对角方向的高频部分；(2)分别对LH_wb,HL_wb,HH_wb和LH_wr,HL_wr,HH_wr频带进行SVD分解，得到(U_lhwb,S_lhwb,V_lhwb)，(U_hlwb,S_hlwb,V_hlwb)，(U_hhwb,S_hhwb,V_hhwb)和(U_lhwr,S_lhwr,V_lhwr)，(U_hlwr,S_hlwr,V_hlwr)，(U_hhwr,S_hhwr,V_hhwr)，U_lhwb和V_lhwb分别为LH_wb的两个特征向量、S_lhwb为LH_wb的特征值，U_hlwb和V_hlwb分别为HL_wb的两个特征向量、S_hlwb为HL_wb的特征值，U_hhwb和V_hhwb分别为HH_wb的两个特征向量、S_hhwb为HH_wb的特征值，U_lhwr和V_lhwr分别为LH_wr的两个特征向量、S_lhwr为LH_wr的特征值，U_hlwr和V_hlwr分别为HL_wr的两个特征向量、S_hlwr为HL_wr的特征值，U_hhwr和V_hhwr分别为HH_wr的两个特征向量、S_hhwr为HH_wr的特征值；(3)对(UW_lhb,S_lhwb,VW_lhb)，(UW_hlb,S_hlwb,VW_hlb)，(UW_hhb,S_hhwb,VW_hhb)和(UW_lhr,S_lhwr,VW_lhr)，(UW_hlr,S_hlwr,VW_hlr)，(UW_hhr,S_hhwr,VW_hhr)进行如下处理，得到和其中D_lhb和D_lhr分为两个对应C_b和C_r分量在垂直方向上的特征值，D_hlb和D_hlr分为两个对应C_b和C_r分量在水平方向上的特征值，D_hhb和D_hhr分为两个对应C_b和C_r分量在对角方向上的特征值；(4)提取出的卡通部分和纹理部分分别为U_2R＝(D_lhb-S_lhb)/k，U_2G＝(D_hlb-S_hlb)/k，U_2B＝(D_hhb-S_hhb)/k和V_2R＝(D_lhr-S_lhr)/k，V_2G＝(D_hlr-S_hlr)/k，V_2B＝(D_hhr-S_hhr)/k；(5)提取出的卡通部分和纹理部分分别对应相加，就可得到彩色加密图像的三个颜色通道A_2R＝U_2R+V_2R，A_2G＝U_2G+V_2G和A_2B＝U_2B+V_2B，结合这三个颜色通道，得到提取出的加密彩色图像I_ERGB。

彩色图像的解密部分：在解密过程中，对提取出来的加密彩色图像I_ERGB进行如下步骤的处理，可以达到将原始图像解密出来的目的：(1)加密彩色图像的三个颜色通道A_2R,A_2G,A_2B分别被P_2R,P_2G,P_2B调制，然后进行第二次线性正则变换的逆变换，并对变换后的结果取模；(2)上述模值分别被P_1R,P_1G,P_1B调制，然后进行第一次线性正则变换的逆变换，并对上述变换结果取模；(3)将上述模值由RGB颜色空间转换为YCbCr颜色空间，并对YCbCr颜色空间中的各个通道进行逆Arnold置乱；(4)将上述置乱结果变回RGB颜色空间，并对RGB颜色空间中的三个通道再次进行逆Arnold置乱，将上述置乱结果整合，最终得到解密后的彩色图像。

本发明的特点及有益效果是：

本发明提供的图像加密及隐藏方法可以有效的将一幅彩色图像隐藏到另一幅彩色载体图像中；此外，该方法对于各种几何变换攻击和图像处理攻击，如JPEG压缩攻击、噪声攻击、图像滤波攻击、图像模糊攻击、图像旋转攻击、直方图均衡化攻击、图像锐化攻击及图像对比度变化攻击等，具有良好的鲁棒性。采用PT-LCT变换对原始彩色图像进行加密处理，可以实现一图一密，即解密密钥随着加密图像的不同而随时更新，因此可以有效抵抗选择明文攻击。此外，LCT变换和Arnold变换丰富的系统参数能够作为加解密过程中的额外密钥，可以使系统有效抵抗暴力攻击。

附图说明：

图1为本发明提供的彩色图像加密及隐藏方法的加密和嵌入部分原理示意图；

图2(a)为待隐藏的彩色图像；

图2(b)为加密后的彩色图像；

图2(c)为所有密钥均正确时的解密图像；

图3(a)为原始载体图像；

图3(b)为包含待隐藏图像的载体图像；

图4(a)为私钥P错误时得到的解密图像；

图4(b)为α错误时得到的解密图像；

图4(c)为β错误时得到的解密图像；

图4(d)为γ错误时得到的解密图像；

图4(e)为a错误时得到的解密图像；

图4(f)为b错误时得到的解密图像；

图4(g)为n错误时得到的解密图像；

图5(a)为受剪切攻击的包含秘密图像的载体图像；

图5(b)为受直方图均衡化攻击的包含秘密图像的载体图像；

图5(c)为JPEG压缩攻击的包含秘密图像的载体图像；

图5(d)为受中值滤波攻击的包含秘密图像的载体图像；

图5(e)为受均值滤波攻击的包含秘密图像的载体图像；

图5(f)为受高斯噪声攻击的包含秘密图像的载体图像；

图5(g)为受旋转攻击的包含秘密图像的载体图像；

图5(h)为受运动模糊攻击的包含秘密图像的载体图像；

图5(i)为图像锐化攻击的包含秘密图像的载体图像；

图6(a)为从图5(a)中提取出来的待隐藏图像；

图6(b)为从图5(b)中提取出来的待隐藏图像；

图6(c)为从图5(c)中提取出来的待隐藏图像；

图6(d)为从图5(d)中提取出来的待隐藏图像；

图6(e)为从图5(e)中提取出来的待隐藏图像；

图6(f)为从图5(f)中提取出来的待隐藏图像；

图6(g)为从图5(g)中提取出来的待隐藏图像；

图6(h)为从图5(h)中提取出来的待隐藏图像；

图6(i)为从图5(i)中提取出来的待隐藏图像。

具体实施方式

本发明提供了一种基于PT-LCT和DWT-SVD的彩色图像加密及隐藏方法。本发明提供的彩色图像加密及隐藏方法中，待隐藏的彩色图像首先经Arnold置乱和PT-LCT系统加密，以保证待隐藏图像的安全性。然后，将载体彩色图像由RGB颜色空间转换为YCbCr空间。接下来，将加密后的彩色图像通过DWT-SVD方法嵌入到Cb和Cr通道中。最后，再将包含秘密图像的Cb和Cr通道与Y通道一起转换到RGB颜色空间，就可以最终得到包含秘密图像的彩色载体图像。大量的仿真实验表明，本发明提供的彩色图像加密及隐藏方法具有良好的不可见性及鲁棒性，尤其可以有效抵抗JPEG压缩攻击、噪声攻击、图像滤波攻击、图像模糊攻击、图像旋转攻击、直方图均衡化攻击、图像锐化攻击及图像对比度变化攻击等。此外，该方法还可以有效抵抗暴力攻击、统计攻击和选择明文攻击等。详见下文描述：

1)待隐藏彩色图像的加密部分：在加密过程中，对待隐藏的彩色图像进行如下步骤的处理，可以达到加密彩色图像的目的。(1)将待加密的彩色图像I_RGB分解为RGB三个颜色通道I_R,I_G,I_B，并对每个颜色通道进行广义Arnold置乱；(2)将置乱后的RGB颜色通道转换为YCbCr颜色空间，并对YCbCr颜色空间的三个颜色通道再次进行广义Arnold置乱；(3)将置乱后的YCbCr颜色通道转换回RGB颜色空间，RGB空间的三个颜色通道分别被随机相位掩膜RPM₁调制，然后分别进行第一次PT-LCT变换，得到三个振幅分布部分A_1R,A_1G,A_1B及三个相位分布部分P_1R,P_1G,P_1B；(4)三个振幅分布部分分别被随机相位掩膜RPM₂调制，然后分别进行第二次PT-LCT变换，得到三个振幅分布部分A_2R,A_2G,A_2B及三个相位分布部分P_2R,P_2G,P_2B，结合A_2R,A_2G,A_2B就可最终得到加密后的彩色图像I_ERGB。

2)彩色加密图像的嵌入部分：在加密图像的嵌入过程中，对加密后的彩色图像及彩色载体图像进行如下步骤的处理，可以达到在彩色载体图像中嵌入彩色加密图像的目的。(1)对彩色加密图像的三个颜色通道A_2R,A_2G,A_2B，分别采用变分图像分解方法(TV-G模型)将其分解为卡通部分U_2R,U_2G,U_2B和纹理部分V_2R,V_2G,V_2B；(2)将彩色载体图像H_RGB由RGB颜色空间转换为YCbCr颜色空间，并分别对C_b和C_r颜色通道进行DWT变换，得到各自的四个频带LL_b,LH_b,HL_b,HH_b和LL_r,LH_r,HL_r,HH_r；(3)分别对LH_b,HL_b,HH_b和LH_r,HL_r,HH_r频带进行SVD分解，得到(U_lhb,S_lhb,V_lhb)，(U_hlb,S_hlb,V_hlb)，(U_hhb,S_hhb,V_hhb)和(U_lhr,S_lhr,V_lhr)，(U_hlr,S_hlr,V_hlr)，(U_hhr,S_hhr,V_hhr)；(4)将U_2R,U_2G,U_2B通过以下方式嵌入到S_lhb,S_hlb,S_hhb中，即SU_lhb＝S_lhb+k·U_2R，SU_hlb＝S_hlb+k·U_2G，SU_hhb＝S_hhb+k·U_2B；同时，将V_2R,V_2G,V_2B通过以下方式嵌入到S_lhr,S_hlr,S_hhr中，即SU_lhr＝S_lhr+k·V_2R，SU_hlr＝S_hlr+k·V_2G，SU_hhr＝S_hhr+k·V_2B，其中k为控制嵌入强度的参数；(5)对SU_lhb,SU_hlb,SU_hhb和SU_lhr,SU_hlr,SU_hhr分别进行SVD分解，得到(UW_lhb,SW_lhb,VW_lhb)，(UW_hlb,SW_hlb,VW_hlb)，(UW_hhb,SW_hhb,VW_hhb)和(UW_lhr,SW_lhr,VW_lhr)，(UW_hlr,SW_hlr,VW_hlr)，(UW_hhr,SW_hhr,VW_hhr)；(6)对(3)和(5)得到的结果进行如下操作，得到包含秘密图像的频带和(7)对(LL_b,LH_bw,HL_bw,HH_bw)和(LL_r,LH_rw,HL_rw,HH_rw)进行逆DWT变换，得到包含秘密图像的两个通道Cb_w和Cr_w；(8)将Y,Cb_w,Cr_w通道转换回RGB空间，就可最终得到包含秘密图像的彩色载体图像H_WRGB。

3)彩色加密图像的提取部分：在彩色加密图像的提取过程中，对包含秘密图像的彩色载体图像进行如下步骤的处理，可以达到将彩色加密图像从载体图像中提取出来的目的。(1)将包含秘密图像的彩色载体图像H_WRGB由RGB颜色空间转换为YCbCr颜色空间，并分别对C_b和C_r颜色通道进行DWT变换，得到各自的四个频带LL_wb,LH_wb,HL_wb,HH_wb和LL_wr,LH_wr,HL_wr,HH_wr；(2)分别对LH_wb,HL_wb,HH_wb和LH_wr,HL_wr,HH_wr频带进行SVD分解，得到(U_lhwb,S_lhwb,V_lhwb)，(U_hlwb,S_hlwb,V_hlwb)，(U_hhwb,S_hhwb,V_hhwb)和(U_lhwr,S_lhwr,V_lhwr)，(U_hlwr,S_hlwr,V_hlwr)，(U_hhwr,S_hhwr,V_hhwr)；(3)对(UW_lhb,S_lhwb,VW_lhb)，(UW_hlb,S_hlwb,VW_hlb)，(UW_hhb,S_hhwb,VW_hhb)和(UW_lhr,S_lhwr,VW_lhr)，(UW_hlr,S_hlwr,VW_hlr)，(UW_hhr,S_hhwr,VW_hhr)进行如下处理，得到和(4)提取出的卡通部分和纹理部分分别为U_2R＝(D_lhb-S_lhb)/k，U_2G＝(D_hlb-S_hlb)/k，U_2B＝(D_hhb-S_hhb)/k和V_2R＝(D_lhr-S_lhr)/k，V_2G＝(D_hlr-S_hlr)/k，V_2B＝(D_hhr-S_hhr)/k；(5)提取出的卡通部分和纹理部分分别对应相加，就可得到彩色加密图像的三个颜色通道A_2R＝U_2R+V_2R，A_2G＝U_2G+V_2G和A_2B＝U_2B+V_2B，结合这三个颜色通道，就可得到提取出的加密彩色图像I_ERGB。

4)彩色图像的解密部分：在解密过程中，对提取出来的加密彩色图像I_ERGB进行如下步骤的处理，可以达到将原始图像解密出来的目的。(1)加密彩色图像的三个颜色通道A_2R,A_2G,A_2B分别被P_2R,P_2G,P_2B调制，然后进行第二次线性正则变换的逆变换，并对变换后的结果取模；(2)上述模值分别被P_1R,P_1G,P_1B调制，然后进行第一次线性正则变换的逆变换，并对上述变换结果取模；(3)将上述模值由RGB颜色空间转换为YCbCr颜色空间，并对YCbCr颜色空间中的各个通道进行逆Arnold置乱；(4)将上述置乱结果变回RGB颜色空间，并对RGB颜色空间中的三个通道再次进行逆Arnold置乱，将上述置乱结果整合，就可最终得到解密后的彩色图像。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

一种基于PT-LCT和DWT-SVD的彩色图像加密及隐藏方法，其加密和嵌入原理示意图如图1所示(由于提取和解密过程是嵌入和加密过程的逆过程，因此提取和解密原理示意图在此略去)。该方法由待隐藏彩色图像的加密部分，彩色加密图像的嵌入部分，彩色加密图像的提取部分和彩色图像的解密部分组成。

(1)待隐藏彩色图像的加密部分：

在加密过程中，对待隐藏的彩色图像进行如下步骤的处理，可以达到加密彩色图像的目的。(1)将待加密的彩色图像I_RGB分解为RGB三个颜色通道I_R,I_G,I_B，并对每个颜色通道进行广义Arnold置乱；(2)将置乱后的RGB颜色通道转换为YCbCr颜色空间，并对YCbCr颜色空间的三个颜色通道再次进行广义Arnold置乱；(3)将置乱后的YCbCr颜色通道转换回RGB颜色空间，RGB空间的三个颜色通道分别被随机相位掩膜RPM₁调制，然后分别进行第一次PT-LCT变换，得到三个振幅分布部分A_1R,A_1G,A_1B及三个相位分布部分P_1R,P_1G,P_1B；(4)三个振幅分布部分分别被随机相位掩膜RPM₂调制，然后分别进行第二次PT-LCT变换，得到三个振幅分布部分A_2R,A_2G,A_2B及三个相位分布部分P_2R,P_2G,P_2B，结合A_2R,A_2G,A_2B就可最终得到加密后的彩色图像I_ERGB。

(2)彩色加密图像的嵌入部分：

在加密图像的嵌入过程中，对加密后的彩色图像及彩色载体图像进行如下步骤的处理，可以达到在彩色载体图像中嵌入彩色加密图像的目的。(1)对彩色加密图像的三个颜色通道A_2R,A_2G,A_2B，分别采用变分图像分解方法(TV-G模型)将其分解为卡通部分U_2R,U_2G,U_2B和纹理部分V_2R,V_2G,V_2B；(2)将彩色载体图像H_RGB由RGB颜色空间转换为YCbCr颜色空间，并分别对C_b和C_r颜色通道进行DWT变换，得到各自的四个频带LL_b,LH_b,HL_b,HH_b和LL_r,LH_r,HL_r,HH_r；(3)分别对LH_b,HL_b,HH_b和LH_r,HL_r,HH_r频带进行SVD分解，得到(U_lhb,S_lhb,V_lhb)，(U_hlb,S_hlb,V_hlb)，(U_hhb,S_hhb,V_hhb)和(U_lhr,S_lhr,V_lhr)，(U_hlr,S_hlr,V_hlr)，(U_hhr,S_hhr,V_hhr)；(4)将U_2R,U_2G,U_2B通过以下方式嵌入到S_lhb,S_hlb,S_hhb中，即SU_lhb＝S_lhb+k·U_2R，SU_hlb＝S_hlb+k·U_2G，SU_hhb＝S_hhb+k·U_2B；同时，将V_2R,V_2G,V_2B通过以下方式嵌入到S_lhr,S_hlr,S_hhr中，即SU_lhr＝S_lhr+k·V_2R，SU_hlr＝S_hlr+k·V_2G，SU_hhr＝S_hhr+k·V_2B，其中k为控制嵌入强度的参数；(5)对SU_lhb,SU_hlb,SU_hhb和SU_lhr,SU_hlr,SU_hhr分别进行SVD分解，得到(UW_lhb,SW_lhb,VW_lhb)，(UW_hlb,SW_hlb,VW_hlb)，(UW_hhb,SW_hhb,VW_hhb)和(UW_lhr,SW_lhr,VW_lhr)，(UW_hlr,SW_hlr,VW_hlr)，(UW_hhr,SW_hhr,VW_hhr)；(6)对(3)和(5)得到的结果进行如下操作，得到包含秘密图像的频带和(7)对(LL_b,LH_bw,HL_bw,HH_bw)和(LL_r,LH_rw,HL_rw,HH_rw)进行逆DWT变换，得到包含秘密图像的两个通道Cb_w和Cr_w；(8)将Y,Cb_w,Cr_w通道转换回RGB空间，就可最终得到包含秘密图像的彩色载体图像H_WRGB。

(3)彩色加密图像的提取部分：

在彩色加密图像的提取过程中，对包含秘密图像的彩色载体图像进行如下步骤的处理，可以达到将彩色加密图像从载体图像中提取出来的目的。(1)将包含秘密图像的彩色载体图像H_WRGB由RGB颜色空间转换为YCbCr颜色空间，并分别对C_b和C_r颜色通道进行DWT变换，得到各自的四个频带LL_wb,LH_wb,HL_wb,HH_wb和LL_wr,LH_wr,HL_wr,HH_wr；(2)分别对LH_wb,HL_wb,HH_wb和LH_wr,HL_wr,HH_wr频带进行SVD分解，得到(U_lhwb,S_lhwb,V_lhwb)，(U_hlwb,S_hlwb,V_hlwb)，(U_hhwb,S_hhwb,V_hhwb)和(U_lhwr,S_lhwr,V_lhwr)，(U_hlwr,S_hlwr,V_hlwr)，(U_hhwr,S_hhwr,V_hhwr)；(3)对(UW_lhb,S_lhwb,VW_lhb)，(UW_hlb,S_hlwb,VW_hlb)，(UW_hhb,S_hhwb,VW_hhb)和(UW_lhr,S_lhwr,VW_lhr)，(UW_hlr,S_hlwr,VW_hlr)，(UW_hhr,S_hhwr,VW_hhr)进行如下处理，得到和(4)提取出的卡通部分和纹理部分分别为U_2R＝(D_lhb-S_lhb)/k，U_2G＝(D_hlb-S_hlb)/k，U_2B＝(D_hhb-S_hhb)/k和V_2R＝(D_lhr-S_lhr)/k，V_2G＝(D_hlr-S_hlr)/k，V_2B＝(D_hhr-S_hhr)/k；(5)提取出的卡通部分和纹理部分分别对应相加，就可得到彩色加密图像的三个颜色通道A_2R＝U_2R+V_2R，A_2G＝U_2G+V_2G和A_2B＝U_2B+V_2B，结合这三个颜色通道，就可得到提取出的加密彩色图像I_ERGB。

(4)隐藏图像的解密部分：

在解密过程中，对提取出来的加密彩色图像I_ERGB进行如下步骤的处理，可以达到将原始图像解密出来的目的。(1)加密彩色图像的三个颜色通道A_2R,A_2G,A_2B分别被P_2R,P_2G,P_2B调制，然后进行第二次线性正则变换的逆变换，并对变换后的结果取模；(2)上述模值分别被P_1R,P_1G,P_1B调制，然后进行第一次线性正则变换的逆变换，并对上述变换结果取模；(3)将上述模值由RGB颜色空间转换为YCbCr颜色空间，并对YCbCr颜色空间中的各个通道进行逆Arnold置乱；(4)将上述置乱结果变回RGB颜色空间，并对RGB颜色空间中的三个通道再次进行逆Arnold置乱，将上述置乱结果整合，就可最终得到解密后的彩色图像。

综上所述，本发明提供的彩色图像加密及隐藏方法中，待隐藏的彩色图像首先经Arnold置乱和PT-LCT系统加密，以保证待隐藏图像的安全性。然后，将载体彩色图像由RGB颜色空间转换为YCbCr空间。接下来，将加密后的彩色图像通过DWT-SVD方法嵌入到Cb和Cr通道中。最后，再将包含秘密图像的Cb和Cr通道与Y通道一起转换到RGB颜色空间，就可以最终得到包含秘密图像的彩色载体图像。彩色隐藏图像的提取和解密过程是嵌入和加密过程的逆过程。本发明提供的图像加密及隐藏方法可以有效的将一幅彩色图像隐藏到另一幅彩色载体图像中；此外，该方法对于各种几何变换攻击和图像处理攻击，如JPEG压缩攻击、噪声攻击、图像滤波攻击、图像模糊攻击、图像旋转攻击、直方图均衡化攻击、图像锐化攻击及图像对比度变化攻击等，具有良好的鲁棒性。采用PT-LCT变换对原始彩色图像进行加密处理，可以实现一图一密，即解密密钥随着加密图像的不同而随时更新，因此可以有效抵抗选择明文攻击。此外，LCT变换和Arnold变换丰富的系统参数能够作为加解密过程中的额外密钥，可以使系统有效抵抗暴力攻击。

实施例2

下面结合图1、设计原理对实施例1中的方案进行详细地介绍，详见下文描述：

一种基于PT-LCT和DWT-SVD的彩色图像加密及隐藏方法，其加密和嵌入原理示意图如图1所示。该方法由待隐藏彩色图像的加密部分，彩色加密图像的嵌入部分，彩色加密图像的提取部分和彩色图像的解密部分组成。下面就这四部分的具体实施方式分别予以详细的描述。

(1)待隐藏彩色图像的加密部分：

在加密过程中，对待隐藏的彩色图像进行如下步骤的处理，可以达到加密彩色图像的目的。

A.将待加密的彩色图像I_RGB分解为RGB三个颜色通道I_R,I_G,I_B，并对每个颜色通道进行广义Arnold置乱：

I_i′＝Arnold(I_i,a,b,n)(1)

式中，Arnold(·)表示广义Arnold变换；a,b为广义Arnold变换的两个参数，n为广义Arnold变换的变换次数；I_i表示待加密彩色图像的三个颜色分量，I_i′表示经Arnold变换置乱后的三个颜色分量，i＝R,G,B。

B.将置乱后的RGB颜色通道转换为YCbCr颜色空间，并对YCbCr颜色空间的三个颜色通道再次进行广义Arnold置乱：

I′_m＝Arnold(I_m,a,b,n)(3)

其中，I_m是YCbCr颜色空间中的三个颜色通道，I′_m是经广义Arnold变换置乱后的三个颜色通道，m＝Y,Cb,Cr。

C.将置乱后的YCbCr颜色通道转换回RGB颜色空间，RGB空间的三个颜色通道分别被随机相位掩膜RPM₁＝exp(j·2πφ)调制，然后分别进行第一次PT-LCT变换，得到三个振幅分布部分A_1R,A_1G,A_1B及三个相位分布部分P_1R,P_1G,P_1B：

P_1i＝exp(j·angle(LCT_α,β,γ(I_i″·exp(j·2πφ))))(5)

A_1i＝abs(LCT_α,β,γ(I_i″·exp(j·2πφ)))(6)

其中，I_i″为RGB颜色空间中的三个颜色分量；j为虚数算符，π为圆周率；φ为区间(0,1)内的随机分布；abs(·)表示绝对值算符，angle(·)表示相位角度算符；LCT_α,β,γ(·)为线性正则变换，α,β,γ为线性正则变换的三个变换参数。

D.三个振幅分布部分分别被随机相位掩膜调制，然后分别进行第二次PT-LCT变换，得到三个振幅分布部分A_2R,A_2G,A_2B及三个相位分布部分P_2R,P_2G,P_2B：

其中，为区间(0,1)内的随机分布。结合A_2R,A_2G,A_2B就可最终得到加密后的彩色图像I_ERGB。

(2)彩色加密图像的嵌入部分：

在加密图像的嵌入过程中，对加密后的彩色图像及彩色载体图像进行如下步骤的处理，可以达到在彩色载体图像中嵌入彩色加密图像的目的。

A.对彩色加密图像的三个颜色通道A_2R,A_2G,A_2B，分别采用变分图像分解方法(TV-G模型)将其分解为卡通部分U_2R,U_2G,U_2B和纹理部分V_2R,V_2G,V_2B：

A_2i＝U_2i+V_2i(9)

B.将彩色载体图像H_RGB由RGB颜色空间转换为YCbCr颜色空间，并分别对C_b和C_r颜色通道进行DWT变换，得到各自的四个频带LL_b,LH_b,HL_b,HH_b和LL_r,LH_r,HL_r,HH_r：

[LL_b,LH_b,HL_b,HH_b]＝DWT2(H_Cb)(11)

[LL_r,LH_r,HL_r,HH_r]＝DWT2(H_Cr)(12)

其中，H_i为载体图像在RGB颜色空间中的三个颜色分量，H_m为载体图像在YCbCr颜色空间中的三个颜色分量；DWT2(·)为二维离散小波变换。

C.分别对LH_b,HL_b,HH_b和LH_r,HL_r,HH_r频带进行SVD分解，得到

D.将U_2R,U_2G,U_2B和V_2R,V_2G,V_2B通过以下方式嵌入到S_lhb,S_hlb,S_hhb和S_lhr,S_hlr,S_hhr中，即

其中，k为控制嵌入强度的参数；

E.对SU_lhb,SU_hlb,SU_hhb和SU_lhr,SU_hlr,SU_hhr分别进行SVD分解，得到

F.对式(13)、(14)、(17)和(18)得到的结果进行如下操作，得到

G.对(LL_b,LH_bw,HL_bw,HH_bw)和(LL_r,LH_rw,HL_rw,HH_rw)进行逆DWT变换，得到包含秘密图像的两个通道Cb_w和Cr_w：

其中，IDWT2(·)表示二维离散小波变换的逆变换。

H.将Y,Cb_w,Cr_w通道转换回RGB空间，就可最终得到包含秘密图像的彩色载体图像H_WRGB：

(3)彩色加密图像的提取部分：

在彩色加密图像的提取过程中，对包含秘密图像的彩色载体图像进行如下步骤的处理，可以达到将彩色加密图像从载体图像中提取出来的目的。

A.将包含秘密图像的彩色载体图像H_WRGB由RGB颜色空间转换为YCbCr颜色空间，并分别对C_b和C_r颜色通道进行DWT变换，得到各自的四个频带LL_wb,LH_wb,HL_wb,HH_wb和LL_wr,LH_wr,HL_wr,HH_wr：

B.分别对LH_wb,HL_wb,HH_wb和LH_wr,HL_wr,HH_wr频带进行SVD分解，得到

C.对式(17)、(18)、(25)和(26)得到的结果进行如下处理，得到

D.提取出的卡通部分和纹理部分分别为

E.提取出的卡通部分和纹理部分分别对应相加，就可得到彩色加密图像的三个颜色通道：

结合这三个颜色通道，就可得到提取出的加密彩色图像I_ERGB。

(4)彩色图像的解密部分：

在解密过程中，对提取出来的加密彩色图像I_ERGB进行如下步骤的处理，可以达到将原始图像解密出来的目的。

A.加密图像的三个颜色通道A_2R,A_2G,A_2B分别被P_2R,P_2G,P_2B调制，然后进行第二次线性正则变换的逆变换，并对变换后的结果取模，得到：

D_2i＝abs(LCT_-γ,-β,-α(A_2i·P_2i))(32)

B.D_2i分别被P_1R,P_1G,P_1B调制，然后进行第一次线性正则变换的逆变换，并对上述变换结果取模，得到：

D_1i＝abs(LCT_-γ,-β,-α(D_2i·P_1i))(33)

C.将上述模值由RGB颜色空间转换为YCbCr颜色空间，并对YCbCr颜色空间中的各个通道进行逆Arnold置乱，得到：

D′_m＝iArnold(D_m,a,b,n)(35)

D.将上述置乱结果变回RGB颜色空间，并对RGB颜色空间中的三个通道再次进行逆Arnold置乱，得到：

D_i＝iArnold(D_i′,a,b,n)(37)

将上述置乱结果整合，就可最终得到解密后的彩色图像。

综上所述，本发明提供的彩色图像加密及隐藏方法中，待隐藏的彩色图像首先经Arnold置乱和PT-LCT系统加密，以保证待隐藏图像的安全性。然后，将载体彩色图像由RGB颜色空间转换为YCbCr空间。接下来，将加密后的彩色图像通过DWT-SVD方法嵌入到Cb和Cr通道中。最后，再将包含秘密图像的Cb和Cr通道与Y通道一起转换到RGB颜色空间，就可以最终得到包含秘密图像的彩色载体图像。彩色隐藏图像的提取和解密过程是嵌入和加密过程的逆过程。本发明提供的图像加密及隐藏方法可以有效的将一幅彩色图像隐藏到另一幅彩色载体图像中；此外，该方法对于各种几何变换攻击和图像处理攻击，如JPEG压缩攻击、噪声攻击、图像滤波攻击、图像模糊攻击、图像旋转攻击、直方图均衡化攻击、图像锐化攻击及图像对比度变化攻击等，具有良好的鲁棒性。采用PT-LCT变换对原始彩色图像进行加密处理，可以实现一图一密，即解密密钥随着加密图像的不同而随时更新，因此可以有效抵抗选择明文攻击。此外，LCT变换和Arnold变换丰富的系统参数能够作为加解密过程中的额外密钥，可以使系统有效抵抗暴力攻击。

实施例3

下面结合具体的附图对实施例1和2中的方案进行可行性验证，详见下文描述：

采用本发明实施提供的图像加密及隐藏方法对一幅彩色图像(如图2(a)所示)进行加密后，得到的加密图像如图2(b)所示。由图2(b)可以看出，原始图像的任何信息都被隐藏。说明采用本系统对待隐藏图像的加密是成功的。

采用本发明实施提供的图像加密及隐藏方法将图2(b)所示的加密图像嵌入如图3(a)所示的载体图像中，得到如图3(b)所示的包含秘密图像的载体图像。由图3(b)和3(a)可以看出，人眼不能区分两幅图像之间的差别。说明采用本系统对加密图像的隐藏是成功的。

采用本发明实施提供的图像加密及隐藏方法从图3(b)中将加密图像提取出来，并采用相应的密钥对其进行解密处理。当所有密钥均正确时，解密出的图像如图2(c)所示。由图2(c)可以看出，当所有密钥均正确时，原始图像可以完全被还原。此外，当某一个密钥错误而其它密钥正确时，解密结果如图4(a)-4(g)所示。由此可见，本系统的安全性是可以得到保证的。

图5(a)-5(i)分别为受剪切攻击、直方图均衡化攻击、JPEG压缩攻击、中值滤波攻击、均值值滤波攻击、高斯噪声攻击、图像旋转攻击、运动模糊攻击和图像锐化攻击的包含秘密图像的载体图像。图6(a)-6(i)分别为从图5(a)-5(i)中提取并解密的图像。由图6(a)-6(i)可以看出，尽管载体图像受到各种各样的攻击，本发明实施例仍然能够提取并解密出一定质量的原始图像。因此，本系统对各种攻击的鲁棒性得到了验证，满足了实际应用中的多种需要。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。