[发明专利]一种基于自适应预测编码的加密图像可逆信息隐藏方法

权利要求书

1.一种基于自适应预测编码的加密图像可逆信息隐藏方法，依次按照如下步骤进行：

步骤1.将图像按照纹理度划分为平滑块和纹理块；

步骤2.对平滑块根据不同的预测误差进行像素差值压缩或像素位平面压缩；

步骤3.对纹理块进行优化自适应权重预测的块级压缩；

步骤4.分别对平滑快和纹理块进行信息嵌入，再将嵌入后的块还原形成载密块，最后将所有载密块组合形成载密图像；

步骤5.使用拥有的密钥进行图像恢复或/和信息提取。

2.根据权利要求1所述的自适应预测编码的加密图像可逆信息隐藏方法，其特征在于：

所述步骤1具体如下：

步骤1.1将图像img_origin分为4*4的块；

步骤1.2计算图像img_origin子块纹理度：

步骤1.2.1依据公式(1)计算子块能量值：

其中g代表的是灰度共生矩阵，d，θ是两个灰度之间的距离和方向，k表示子块的大小；

步骤1.2.2依据公式(2)计算子块的熵；

步骤1.2.3依据公式(3)计算子块对比度；

步骤1.2.4通过均方误差给所有子块的能量、熵和对比度三个特征值分配不同权重，并计算最终特征值J、H、D；

步骤1.2.5对三个最终特征参数分配权值w₁,w₂,w₃，计算纹理复杂度f,其中w₁,w₂,w₃由全局优化算法确定；

f＝w₁×J+w₂×H+w₃×D (4)

步骤1.3用矩阵map_block存储每个块的分类信息，纹理块为1，平滑块为0；

所述步骤2具体如下：

步骤2.1确定坐标为{(1,2),(2,4),(3,1),(4,3)}的像素为参考像素{p₁,p₂,p₃,p₄}；

步骤2.2通过每个预处理像素点与参考像素的欧几里得距离计算权重{w₁,w₂,w₃,w₄}；

步骤2.3根据公式(5)，计算每个像素值对应的预测值pr；

步骤2.4将每一个参考像素与周围相邻的三个预处理像素组成一个单元；

步骤2.5在一个单元内，如公式(6-7)将预处理像素值p和对应位置的预测像素值pr相减，得到的差值的绝对值dif_a，设置标志位mark_s，如果三个dif_a都小于8，那么mark_s为1，否则为0；

dif_a(i,j)＝|p(i,j)-pr(i,j)| (6)

步骤2.6如果mark_s为1，则进行像素差值压缩法，如果mark_s为0，则进行像素位平面压缩法；

所述像素差值压缩法按照如下步骤进行：

步骤2.6.1.1根据单元内三个预处理像素的差值绝对值dif_a按照公式(8)计算对应的正负属性dif_t；

步骤2.6.1.2通过哈夫曼编码，经过优化，根据所有mark_s为1的单元的差值数量统计，按频次从高到低的顺序，依次用01-00011来代替，形成哈夫曼压缩替换表；

步骤2.6.1.3创建一个24bit的空序列；

步骤2.6.1.4序列的第一位表示平滑块中的压缩类型，像素差值压缩法填充为1；

步骤2.6.1.5查找预处理像素差值dif_a与哈夫曼压缩替换表所对应的标签，将标签依次填充到序列第一位之后；

步骤2.6.1.6序列的剩余部分为压缩后的可嵌入空间；

步骤2.6.1.7预处理像素的正负属性dif_t当作辅助信息img_water_c进行存储；

所述像素位平面压缩法按照如下步骤进行：

步骤2.6.2.1将单元内四个像素p_h用8位二进制表示，如公式(9)：

步骤2.6.2.2将四个像素从最高有效位MSB到最低有效位LSB进行对比，寻找相同的位数，用sim_num表示不同位数的数量；

步骤2.6.2.3创建一个24bit的空序列；

步骤2.6.2.4序列的第一位表示平滑块中的压缩类型，像素位平面压缩法填充为0；

步骤2.6.2.5将sim_num用3位二进制数表示，填充到序列的第二位到第四位；

步骤2.6.2.6将三个预处理像素的不相同位，如公式(10)，依次填充到序列的第四位之后；

dif_p_h＝{p_h,t|t＝sim_num,…,8} (10)

步骤2.6.2.7序列的剩余部分为压缩后的可嵌入空间；

步骤2.6.2.8将溢出的数据当作辅助信息img_water_w进行存储；

步骤2.6.3在以坐标(1,2)为参考像素的单元中，24bit序列第一位存放的是块类型标记，平滑块标记为0，纹理块标记为1；

步骤2.7将24bit的序列三等分，转化为十进制后，分配给单元中的三个预处理像素；

步骤2.8最终将四个单元拼合后，组成可嵌入块；

所述步骤3具体如下：

步骤3.1画一条从上到下和一条从左到右的线；

步骤3.2通过两条线将块划分为n个区域，计算每个区域中的均方差，再求和得到mse_n；

步骤3.3将所有块的mse_n求和得到mse_all；

步骤3.4重复步骤3.1-3.3，通过划定不同的两条线，可以得到多个不同的mse_all；

步骤3.5从众多mse_all中选取最小值，并将对应的两条线line₁,line₂的坐标当作辅助信息img_water_l存储；

步骤3.6用line₁,line₂将纹理块划分为多个区域；

步骤3.7确定坐标为{(1,2),(2,4),(3,1),(4,3)}的像素为参考像素{p₁,p₂,p₃,p₄}；

步骤3.8通过像素点与参考像素的欧几里得距离，计算权重{w₁,w₂,w₃,w₄}；

步骤3.9在同一个区域中，如果有多个参考像素，就增加对应参考像素的权重值，如果没有参考像素，就对权重不做改变，最后更新权重为{w₁′,w₂′,w₃′,w₄′}；

步骤3.10根据公式(11)，计算每个像素值对应的预测值pr′；

步骤3.11将预处理像素值和预测像素值做差，存储到矩阵block中，参考像素值不变，存储到对应位置，如公式(12)；

步骤3.12把矩阵block用8个位平面block_b表示，如公式(13)所示；

步骤3.13在最高有效位MSB的位平面中，从左至右，从上到下，填充索引信息；

步骤3.13.1位置(1,1)表示块类型标记，纹理块标记为1；

步骤3.13.2位置(1,2)，(1,4)，(2,2)表示嵌入层数，通过判断block_b的每一个为平面，除参考像素位置和索引信息位置外，是否都为0，用sim_layer表示都为0的位平面个数，即可嵌入层数；

步骤3.13.3创建一个块可嵌层数替换表；

步骤3.13.4根据块可嵌层数替换表，寻找sim_layer对应的标记，并填充至位置(1,2)，(1,4)，(2,2)；

步骤3.13.5在可嵌入层数中，剩余空间为可嵌入空间；

步骤3.14通过公式(14)，将像素值做差后的正负属性dif_t′当作辅助信息img_water_c存储起来；

步骤3.15当可嵌入层数为0时，将原位置(1,1)，(1,2)，(1,4)，(2,2)的数当作辅助信息img_water_w存储起来；

步骤3.16将8个位平面转化为用十进制表示的可嵌入块；

步骤3.17图像块间置乱；

3.17.1令Z₁＝para_1，a＝para_2，利用ICMIC映射如公式(15)生成随机序列Z，para_1和para_2作为密钥k_b保存；

步骤3.17.2取随机序列前128*128位，对其排序，得到位置索引序列Z_f；

步骤3.17.3将所有可嵌入块转换为一维序列Z_b，按照位置索引序列进行位置置乱，形成置乱后的序列Z_a，如公式(16)所示；

Z_a(Z_f(i))＝Z_b(i) i＝1,2,…,128×128 (16)

步骤3.18将所有可嵌入块一维序列转换为可嵌入图像；

所述步骤4具体如下：

步骤4.1用18位二进制数img_water_c_len表示辅助信息img_water_c的长度，用15位二进制数img_water_w_len表示辅助信息img_water_w的长度；

步骤4.2将可嵌入图像划分为4*4的块；

步骤4.3识别块中左上角的像素最高有效位，如果为1，此块为纹理块，反之为平滑块；

步骤4.4平滑块嵌入

步骤4.4.1确定坐标为{(1,2),(2,4),(3,1),(4,3)}的参考像素{p₁,p₂,p₃,p₄}；

步骤4.4.2将每一个参考像素与周围相邻的三个预处理像素组成一个单元；

步骤4.4.3将单元中的三个预处理像素转化为二进制拼接起来，形成24bit的序列；

步骤4.4.4识别序列的第一位数，如果是1，表明此单元是差值压缩；

步骤4.4.4.1通过哈夫曼压缩替换表，识别序列从第二位开始的三个对应标记，计算三位标记的总位数num_mark；

步骤4.4.4.2通过公式(17)计算，序列的剩余空间长度re_d_len为待嵌入空间；

re_d_len＝24-1-num_mark (17)

步骤4.4.5序列的第一位数，如果是0，表明此单元是位平面压缩；

步骤4.4.5.1通过序列的第二至四位，转化为十进制mark_p；

步骤4.4.5.2通过公式(18)计算，序列的剩余空间长度re_p_len，如果re_p_len小于0，那么表示不可嵌入，反之为待嵌入空间；

re_p_len＝24-1-3-(8-mark_p)*3 (18)

步骤4.5纹理块嵌入

步骤4.5.1确定坐标为{(1,2),(2,4),(3,1),(4,3)}的参考像素{p₁,p₂,p₃,p₄}；

步骤4.5.2纹理块block用8个位平面block_b表示，如公式(13)所示；

步骤4.5.3判断最高有效位平面的位置(1,2)，(1,4)，(2,2)，将他们组合起来形成十进制数mark_sim；

步骤4.5.4通过mark_sim判断可嵌入的层数，在可嵌入层数中，除去索引信息和参考像素以外的空间，作为待嵌入空间；

步骤4.6将辅助信息的长度嵌入到待嵌入空间中，之后再将辅助信息嵌入；

步骤4.7辅助信息嵌入完成后，将图像块还原，形成可嵌入秘密信息块；

步骤4.8图像隐藏者按照步骤4.1-步骤4.5，得到待嵌入空间；

步骤4.9获取18位和15位的辅助信息长度；

步骤4.10将秘密信息使用流密码加密；

步骤4.10.1令Z₀＝para_3，a＝para_4，利用ICMIC映射如公式(15)生成随机序列，para_3和para_4作为密钥k_e保存；

步骤4.10.2生成的随机序列为小数，通过公式(19)将随机序列转换为二进制表示；

步骤4.10.3再将二进制随机序列与秘密信息进行按位异或，最后形成加密后的秘密信息；

步骤4.11计算秘密信息的长度，将其添加到秘密信息的头部；

步骤4.12嵌入秘密信息，计算此时待嵌入空间索引位置是否超过了辅助信息长度，如果超过，则进行嵌入，否则跳过；

步骤4.13将嵌入后的块还原，形成载密块；

步骤4.14将所有载密块组合，形成载密图像；

所述步骤5具体如下：

步骤5.1图像接收者拥有密钥k_e

步骤5.1.1平滑块提取信息

步骤5.1.1.1确定坐标为{(1,2),(2,4),(3,1),(4,3)}的参考像素{p₁,p₂,p₃,p₄}；

步骤5.1.1.2将每一个参考像素与周围相邻的三个预处理像素组成一个单元；

步骤5.1.1.3将单元中的三个预处理像素转化为二进制拼接起来，形成24bit的序列；

步骤5.1.1.4识别序列的第一位数，如果是1，表明此单元是差值压缩；

步骤5.1.1.4.1通过哈夫曼压缩替换表，识别序列从第二位开始的三个对应标记，计算三位标记的总位数num_mark；

步骤5.1.1.4.2通过公式(17)计算，提取长度为re_d_len的序列剩余空间信息；

步骤5.1.1.5序列的第一位数，如果是0，表明此单元是位平面压缩；

步骤5.1.1.5.1通过序列的第二至四位，转化为十进制mark_p；

步骤5.1.1.5.2通过公式(18)计算，取长度为re_p_len的序列剩余空间信息，如果re_p_len小于0，则跳过，反之提取嵌入信息；

步骤5.1.2纹理块提取信息

步骤5.1.2.1确定坐标为{(1,2),(2,4),(3,1),(4,3)}的参考像素{p₁,p₂,p₃,p₄}；

步骤5.1.2.2纹理块block用8个位平面block_b表示，如公式(13)所示；

步骤5.1.2.3判断最高有效位平面的位置(1,2)，(1,4)，(2,2)，将他们组合起来形成十进制数mark_sim；

步骤5.1.2.4通过mark_sim判断嵌入信息的层数，在嵌入信息层数中，除去索引信息和参考像素以外的空间，都是嵌入的信息，将其提取出来；

步骤5.1.3辅助信息提取

步骤5.1.3.1提取前12位的交叉线坐标信息；

步骤5.1.3.2提取13-30位的正负属性长度img_water_c_len，并从31位开始提取正负属性辅助信息；

步骤5.1.3.3提取(32+img_water_c_len)-(46+img_water_c_len)位的溢出信息长度img_water_w_len，紧接着提取溢出信息；

步骤5.1.4提取信息中除去辅助信息，取秘密信息长度，再提取秘密信息；

步骤5.1.5将秘密信息使用流密码解密；

步骤5.1.5.1将密钥k_e带入到公式(15)中，利用ICMIC映射生成随机序列。

步骤5.1.5.2通过公式(19)将随机序列转换为二进制表示；

步骤5.1.5.3再将二进制随机序列与秘密信息进行按位异或，最后形成解密后的秘密信息；

步骤5.2图像接收者拥有密钥k_b

步骤5.2.1根据步骤5.1.3，提取辅助信息；

步骤5.2.2平滑块还原

步骤5.2.2.1确定坐标为{(1,2),(2,4),(3,1),(4,3)}的参考像素{p₁,p₂,p₃,p₄}；

步骤5.2.2.2将每一个参考像素与周围相邻的三个预处理像素组成一个单元；

步骤5.2.2.3将单元中的三个预处理像素转化为二进制拼接起来，形成24bit的序列；

步骤5.2.2.4识别序列的第一位数，如果是1，表明此单元是差值压缩；

步骤5.2.2.4.1通过哈夫曼压缩替换表，识别序列从第二位开始的三个对应标记{mark_t₁,mark_t₂,mark_t₃}，并提取三个标记对应的差值dif_n；

步骤5.2.2.4.2通过像素点与参考像素的欧几里得距离，计算权重{w₁,w₂,w₃,w₄}；

步骤5.2.2.4.3根据公式(5)，计算每个像素值对应的预测值pr；

步骤5.2.2.4.4从img_water_c中提取正负属性e，如公式(20)所示；

步骤5.2.2.4.5在一个单元内，将e与差值dif_n相乘，再与预测像素值pr相加，最后得到原始像素值p′_n，如公式(21)所示。

p′_n＝e×dif_n+pr n＝1,2,3 (21)

步骤5.2.2.5识别序列的第一位数，如果是0，表明此单元是位平面压缩；

步骤5.2.2.5.1通过序列的第二至四位，转化为十进制mark_p；

步骤5.2.2.5.2如果mark_p等于0，则从第五位开始，每次取长度为8二进制数，分别赋值到{num_p₁,num_p₂}，剩余序列赋值到num_p₃；

步骤5.2.2.5.3如果是以坐标(1,2)为参考像素的单元，便从辅助信息img_water_w中提取5位，反之从辅助信息img_water_w中提取4位补充到num_p₃后；

步骤5.2.2.5.4如果mark_p等于1，则从第五位开始，每次取长度为7二进制数，分别赋值到{num_p₁,num_p₂}，剩余序列赋值到num_p₃；

步骤5.2.2.5.5如果是以坐标(1,2)为参考像素的单元，便从辅助信息img_water_w中提取1位，反之从辅助信息img_water_w中提取2位补充到num_p₃后；

步骤5.2.2.5.6将参考像素第一位分别赋值到num_p_n的头部；

步骤5.2.2.5.7如果mark_p大于1，则从第五位开始，每次取长度为(8-mark_p)二进制数，分别赋值到{num_p₁,num_p₂}，剩余序列赋值到num_p₃；

步骤5.2.2.5.8将参考像素前mark_p位分别赋值到num_p_n的头部；

步骤5.2.2.5.9将num_p_n转换成十进制，形成原始像素值p′_n；

步骤5.2.3纹理块还原

步骤5.2.3.1确定坐标为{(1,2),(2,4),(3,1),(4,3)}的参考像素{p₁,p₂,p₃,p₄}；

步骤5.2.3.2将辅助信息中两条线坐标提取出，形成line₁，line₂；

步骤5.2.3.3将纹理块用line₁，line₂划分为多个区域；

步骤5.2.3.4通过像素点与参考像素的欧几里得距离，计算权重{w₁,w₂,w₃,w₄}；

步骤5.2.3.5在同一个区域中，如果有多个参考像素，就增加对应参考像素的权重值。如果没有参考像素，就对权重不做改变，最后更新权重为{w₁′,w₂′,w₃′,w₄′}；

步骤5.2.3.6根据通过公式(11)，计算每个像素值对应的预测值pr′；

步骤5.2.3.7纹理块block用8个位平面block_b表示；

步骤5.2.3.8取第一个位平面位置为(1,2)，(1,4)，(2,2)的数，将他们组合起来与表2进行对比，得出相应的嵌入层数mark_sim；

步骤5.2.3.9将前mark_sim个位平面中，除去参考像素以外的空间，都填充0；

步骤5.2.3.10如果mark_sim为0，提取辅助信息img_water_w前4位，替换掉block_b中第一位平面位置(1,1)，(1,2)，(1,4)，(2,2)的值；

步骤5.2.3.11再将8位平面转换成十进制矩阵block′；

步骤5.2.3.12从辅助信息img_water_c中提取正负属性e，如公式(20)；

步骤5.2.3.13通过公式(22)，得到原始块block_s；

步骤5.2.4将所有块转换成一维序列；

步骤5.2.5将密钥k_b带入到公式(18)中，利用ICMIC映射生成随机序列Z；

步骤5.2.6取随机序列前128*128位，对其排序，得到位置索引序列Zf；

步骤5.2.7将所有还原块转换为一维序列Z_a，按照位置索引序列进行逆置乱，形成还原后的序列Z_b，如公式(23)所示；

Z_b(Z_f(i))＝Z_a(i) i＝1,2,…,128×128 (23)

步骤5.2.8将所有还原块一维序列转换为还原图像；

步骤5.3图像接收者拥有密钥k_b和k_e

步骤5.3.1按照步骤5.1和步骤5.2，提取秘密信息及还原图像。