[发明专利]一种图像加密域可逆信息隐藏系统与方法

权利要求书

1.一种基于图像分割和图像空间相关性的图像加密域可逆信息隐藏方法，其特征在于，包括步骤如下：

步骤(1)、加密图像生成：利用预测误差扩展与多直方图平移，对原始图像I进行自适应可逆信息嵌入，生成待加密图像I′；利用加密密钥生成加密流序列r，通过按位异或对图像进行加密生成加密图像E；

步骤(2)、信息嵌入：利用信息嵌入密钥对待嵌入的秘密信息m进行加密，对生成的加密信息流进行按位替换对应像素的最低有效位，完成信息嵌入，得到带标识加密图像E′；

步骤(3)、信息提取与图像重建，择一执行以下流程：先提取秘密信息后解密图像，或者先解密图像后提取秘密信息，具体为：

1)先提取秘密信息后解密图像：直接读取对应像素的最低有效位得到加密信息流，利用信息隐藏密钥进行解密，得到秘密信息；利用加密密钥生成加密序列流对图像进行按位异或进行解密得到解密图像I″，利用预测误差扩展和多直方图平移的原理对图像进行可逆恢复；

2)先解密图像后提取秘密信息：利用加密密钥生成加密序列流对图像中除秘密信息嵌入的最低有效位的其他比特位进行按位异或进行解密得到解密图像；读取对应像素的最低有效位得到加密流信息，利用信息隐藏密钥进行解密，得到秘密信息；利用预测误差扩展和多直方图平移的原理对图像进行可逆恢复；

其中，加密图像生成步骤具体如下：

步骤101、除去图像的最后一列和最后一行，将图像分为三部分，即灰色部分：横纵坐标均满足mod(i+j，2)＝1，黑色部分：横坐标满足mod(i+j，2)＝1、纵坐标满足mod(i，2)＝0，白色部分：横坐标满足mod(i+j，2)＝1、纵坐标满足mod(i，2)＝1；

步骤102、对黑色部分的像素x进行预测生成预测值生成预测误差

步骤103、对黑色部分的像素x计算其区域复杂度CM，根据CM的大小区别分类为四个等级，则所有的黑色像素点都被分为了四个等级，生成四个预测误差直方图；

步骤104、使用两对极值点平移的方法对四个预测误差直方图进行平移，将白色部分像素的最低有效位嵌入其中；

步骤105、将自适应嵌入部分所需要的一系列辅助信息按照同样的嵌入规则继续嵌入到黑色部分中去，生成图像I′；

步骤106、利用加密密钥生成加密流序列r，通过按位异或对图像进行加密生成加密图像；

所述步骤102是根据菱形预测进行像素值预测的，具体为：

其中v₁，v₂，v₃，v₄代表像素值x的上下左右的相邻像素值；

所述步骤103中区域复杂度是由x的相邻像素值生成的：

CM_i＝|v₁-v₃|+|v₂-v₄| (2)

选取3个阈值满足：

将CM_i分为4个间隔I₀＝[0，s₀]，I₁＝[s₀+1，s₁]，I₂＝[s₁+1，s₂]，I₃＝[s₂+1，s₃]，CM_i落在对应的区间CM_i就会被更新为j，生成四个预测误差直方图；

所述步骤104中预测误差直方图平移的方法描述如下：

其中a＜b，a、b分别为两对极值点对的两个极值；

四个预测误差直方图的两对极值点的选取是按照下述三个条件的：

a、对于n∈{0，1，2，3}，a_n＝-b_n-1；

b、对于n∈{0，1，2，3}，b_n∈{0，1...，7，∞}；

c、b₀≤b₁≤b₂≤b₃；

所述步骤105中辅助信息包括：

1)为防止图像像素值上溢或者下溢利用的位置信息地图的长度；

2)经过长度编码压缩之后的位置信息地图；

3)b_n，n∈{0，1，2，3}；

4)s_n，n∈{0，1，2}；

5)步骤104结束之后的最后一个处理过的像素下标；

在所有这些辅助信息的前面，利用8比特序列表示这些辅助信息的总长度，假设所有这些序列的总长是S_aux比特，记录下经过步骤104处理过后的图像的前S_aux比特的最低有效位生成序列S_LSB，将序列S_LSB按照与步骤104同样的处理方式嵌入到黑色部分中，再将S_aux比特辅助信息替换前S_aux比特的最低有效位，最终生成待加密图像I′；

所述步骤106中对图像加密是通过异或操作完成的，具体为：

假设待加密图像I′的尺寸为W×L，像素值X_i，j′∈[0，255]，1≤i≤W，1≤j≤L，则加密图像E通过下式进行计算得到：

在加密操作完成后向图像黑色部分的前16个比特的最低有效位中嵌入代表嵌入信息能力容量的16比特序列，以让信息隐藏者知道能隐藏的信息总量；

所述信息嵌入步骤具体如下：

步骤201、读取黑色部分前16比特的最低有效位，得到可嵌入的信息总量；

步骤202、通过信息隐藏密钥对秘密信息m进行加密生成m’；

步骤203、利用最低有效位替换原则将白色部分像素的最低有效位替换为加密后的秘密信息m’，得到带标识加密图像E′；

所述信息提取与图像重建步骤中，对解密图像的可逆提取具体操作如下：

1)读取前S_aux比特的最低有效位，组成辅助信息序列；

2)以相反的扫描顺序从黑色部分第N′比特到第N_end比特提取S_LSB序列，恢复前S_aux比特的最低有效位；

3)以相反的扫描顺序从黑色部分前N′比特中提取白色部分的最低有效位，同时恢复这些白色部分像素；

4)通过对位置信息地图进行解密恢复，防止上溢或下溢改变像素值的像素；

其中2)、3)中的提取操作具体如下：

根据生成的四个预测误差直方图和辅助信息得到{(a_n，b_n)}，0≤n≤3，通过式(6)进行嵌入信息提取，通过式(7)进行图像恢复：

其中a＜b，a、b分别为两对极值点对的两个极值。