高容量加密域圖像可逆信息隱藏

王杭興

【摘 要】為了在加密圖像實現高容量可逆隱秘傳輸，本文提出了一種基于整數變換的加密圖像可逆信息隱藏改進方法。圖像擁有者利用定位圖對像素組任意像素進行整數變換，變換后的像素組像素受該整數變換性質的影響，使符合條件的像素組任意像素LSB被修改后，依然能恢復回原來的像素。因此，圖像擁有者加密前對特定的圖像塊進行整數變換，根據定位圖進行圖像塊排列，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原始圖像。仿真實驗表明該方法具有較高的嵌入容量和較低的失真。

【關鍵詞】可逆信息隱藏；整數變換；加密；嵌入容量

中圖分類號： TP309.7 文獻標識碼： A 文章編號：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， 加密是一種常用的有效隱私保護手段。近年來，在云計算平臺和各種隱私保護應用需求的驅動下，為了保護用戶的隱私，需要在上傳數據前先對數據進行加密，所以加密域信息隱藏的研究具有一定的意義，現有的加密域可逆信息隱藏中主要分為加密前產生嵌入空間和加密后產生嵌入空間兩大類，文文獻[1]Ma是通過改進Luo的方法在加密前預留出空間來嵌入信息，但并不適用于所有圖像，例如醫學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的方法會造成溢出像素過多無法正常進行信息嵌入。文獻[2]Zhang采用新的插值方法在加密前預留出空間，能應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。

本文對加密域可逆信息隱藏方法進行改進，獲得了較好的效果。

1 提出的方案

1.1 整數變換

設原始圖像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大小為兩兩成對的圖像塊，每個圖像塊組成x=（x1，x2），圖像擁有者對每組的像素進行整數變換，定義變換T如下公式（1）所示將x=（x1，x2）映射到y=（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為“1”則將其同時置“0”利用式（2）可無失真恢復，使得y=（y1，y2）映射回x=（x1，x2）；若任意像素的最低有效位同時為“1”則將其在恢復階段置“1”才能無失真恢復，正是由于這個性質，使得本算法得以成立的關鍵所在。

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之間有相應的標志隔開。

（2）接下來說明S1信息在每個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替換對應像素最低有效位的方式自嵌入。

（3）將S1信息根據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結束標記位。

2.3 圖像加密

（1）將圖像使用為隨機序列進行加密。

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

2.4 信息嵌入

圖像擁有者將經過以上操作的密文圖像E、一起發送給云服務器管理者，云服務管理者取出密文圖像E前20個像素的LSB，獲知A部分的標示信息后，云服務器管理者在密文圖像利用密匙K1以LSB替換對應像素LSB的方式在A部分嵌入標簽信息和時間信息等，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，從而實現了在密文域提取信息。因為合法接收者只有嵌入密匙K1，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。

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據和恢復原始圖像，以下為第二種情況的描述。

1）生成有標記的解密圖像：

（1）對密文圖像進行解密

（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部分依次恢復到原來的位置。產生的偽裝解密圖像稱為。

2）數據提取和原圖像恢復

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

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

（3）對于定位圖m等于2的像素塊只需要對像素塊里面的所有像素置“1”操作即能可逆恢復圖像。對于定位圖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，得到恢復圖像。

3 實驗數據分析

我們使用上述方法在局域網上進行了仿真實驗

圖1給出一幅大小512×512×8的宿主醫學圖像嵌入信息后的仿真實驗結果，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的恢復步驟后的圖像，實驗中所嵌的比特信息都可以無失真地提取、恢復。秘密信息為容量為193825比特時，解密圖像的PSNR=34.56dB；秘密信息容量大小為131072比特時，解密圖像的PSNR=37.59dB。嵌入較大的數據時，恢復后圖像的質量還能得到保證。接收到秘密信息提取率為100%，圖像也可以無失真恢復。

4 結論

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

【參考文獻】

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

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

[3]Ma K，Zhang W，Zhao X，Yu N，and Li F.Reversible data hiding in encrypted images by reserving room before encryption. IEEE Transactions on Information Forensics&Security;，2013，8（3）：553-562.

[4]Zhang W，Ma K，and Yu N.Reversibility improved data hiding in encrypted images.IEEE Signal Processing Letters， 2011，18（4）：255-258.

[5]D Coltuc.Very Fast Watermarking by Reversible Contrast Mapping[J].IEEE Signal Processing Letters，2007，14（4）：255-258.