[发明专利]基于分类置乱和隐藏信息分级的加密域可逆信息隐藏方法

摘要

一种基于分类置乱和隐藏信息分级的加密域可逆信息隐藏方法，它通过块分类可变像素和固定像素，并分类置乱可变像素和固定像素为加密图像预留隐藏空间；图像加密时，将图像分为可变像素和固定像素并分别以像素为单位进行按位异或和置乱加密，实现对像素值和像素位置加密保护；同时，将块分类矩阵做为图像加密密钥的一部分，进一步降低加密图像内容泄露的可能性；信息隐藏时，根据待隐藏信息的作用将其分为公开、授权和私密三类，用不同加密方法实现不同等级的保护。信息提取时，只要获得相应授权就能正确提取信息，没有隐藏密钥很难得到私密信息；图像解密时，只需加密密钥，就可以得到与原始图像相同的解密图像。算法实现简单，隐写容量大。

主权项

1.一种基于分类置乱和隐藏信息分级的加密域可逆信息隐藏方法，包括如下步骤：A、分类置乱加密A1、块分类矩阵：将大小为(P×M)×(Q×N)的原始图像X，X＝{x_i，j|i＝1，2，...，I，j＝1，2，...，J}划分成M×N个不重叠的图像块X_m，n，X_m，n＝{x_p，q|p＝1，2，...，P，q＝1，2，...，Q}；其中，I＝P×M为原始图像X的行数，J＝Q×N为原始图像X的列数；m为图像块X_m，n的纵向序号，其最大值为M；n为图像块X_m，n的横向序号，其最大值为N；p为图像块X_m，n的像素x_p，q的行数，q为图像块X_m，n的像素x_p，q的列数；P、Q分别为图像块X_m，n的行数、列数；如果图像块X_m，n中的所有像素的最高有效位相同，则块分类标识t_m，n的值为0，否则，块分类标识t_m，n的值为1，得到块分类矩阵T，T＝{t_m，n|m＝1，2...，M，n＝1，2，...，N}；A2、像素类型标示矩阵：初始化图像块X_m，n的块像素类型标示矩阵C_m，n，C_m，n＝{c_p，q|p＝1，2，...，P，q＝1，2，...，Q}的所有元素值为1；如果对应的块分类标识t_m，n＝0，则在该块像素类型标示矩阵C_m，n中基于加密密钥K_e选择对应的一个元素值不变，其它元素值置为0；将所有块像素类型标示矩阵C_m，n拼接为图像像素类型标示矩阵C＝{C_m，n|m＝1，2，...，M，n＝1，2，...，N}，统计图像像素类型标示矩阵C中元素值为0的元素个数，记为n_c；A3、生成加密图像：块像素类型标示矩阵C_m，n中，如果元素c_p，q的值为0，则图像块X_m，n中同一位置的像素x_p，q定义为可变像素；否则，图像块X_m，n中同一位置的像素x_p，q定义为固定像素；将所有图像块X_m，n中的可变像素拼接为可变像素线性表L^c，同时将所有图像块X_m，n中的固定像素拼接为固定像素线性表L^u；然后，基于加密密钥K_e生成密钥流，分别对可变像素线性表L^c和固定像素线性表L^u依次做“按位异或解密”和“置乱解密”，得到加密的可变像素线性表L^c′和加密固定像素线性表L^u′；接着，将加密可变像素线性表L^c′和加密固定像素线性表L^u′拼接，得到加密图像X′，X′＝{x′_i，j|i＝1，2，...，I，j＝1，2，...，J}；计算加密图像X′的总像素个数的最小二进制表示的位数a，进而得到加密图像X′的最大嵌入比特数n_max，n_max＝n_c‑a，将最大嵌入比特数n_max的二值编码替换加密图像X′的前a个像素即x′_1，1至x′_1，a像素的最高有效位，得到头部替换后的加密图像X″，X″＝{x″_i，j|i＝1，2，...，I，j＝1，2，...，J}；B、信息隐藏B1、隐藏信息分类加密：将隐藏信息S分为公开信息S₁、授权信息S₂和私密信息S₃，即S＝{S₁，S₂，S₃}；S₁，S₂和S₃的比特数分别记为l₁、l₂和l₃，l₁、l₂和l₃均用b位二进制表示，max(.)表示最大值函数；将授权信息S₂及其比特数l₂用私钥K₂同时进行非对称加密，得到加密授权信息S′₂和授权信息S₂的加密比特数l′₂；将授权信息S₂的比特数l₂和私密信息S₃的比特数l₃串联，得到授权信息和私密信息的总比特数l_2，3，用隐藏密钥K₃加密授权信息和私密信息的总比特数l_2，3得到授权信息和私密信息的加密总比特数l′_2，3；同时，用隐藏密钥K₃对私密信息S₃进行对称加密，得到加密私密信息S′₃；将公开信息的比特数l₁、授权信息的加密比特数l′₂、授权信息和私密信息的加密总比特数l′_2，3串接，构成长度为4b比特的长度加密信息L，同时，将公开信息、加密授权信息S′₂和加密私密信息S′₃串接，得到长度为l，l＝l₁+l₂+l₃比特的加密隐藏信息E；B2、信息分类隐藏：提取头部替换后的加密图像X″的前a个像素即x″_1，1至x″_1，a像素的最高有效位，即提取得到加密图像的最大嵌入比特数n_max；如果最大嵌入比特数n_max不小于加密隐藏信息E的长度l，则依次将4b比特的长度加密信息L和l比特的加密隐藏信息E写入头部替换后的加密图像X″中的前n_max+a个像素的最高有效位，生成含加密隐藏信息的加密图像即加密‑携密图像X″′，X″′＝{x″′_i，j|i＝1，2，...，I，j＝1，2，...，J}；C、隐藏信息提取C1、提取长度加密信息：提取加密‑携密图像X″′的前4b个像素的最高有效位，提取得到4b比特的长度加密信息L；C2、分权限提取隐藏信息：有权访问加密‑携密图像X″′的用户，利用长度加密信息L中的前b个元素得出公开信息的长度l₁，并在加密‑携密图像X″′的第4b+1至第4b+l₁个像素中提取得出公开信息S₁；获得隐藏者的公钥K₁的授权用户，利用公钥K₁对加密‑携密图像X″′的第b+1至第2b个像素进行非对称加密运算的反运算，得到授权信息的长度l₂，并用公钥K₁对加密‑携密图像X″′的第4b+l₁+1至第4b+l₁+l₂个像素进行非对称加密运算的反运算，得到授权信息S₂；获得隐藏密钥K₃的授权用户，利用隐藏密钥K₃对加密‑携密图像X″′的第2b+1至4b第个像素进行对称加密运算的反运算，同时得到授权信息的长度l₂和私密信息的长度l₃，并用隐藏密钥K₃对加密‑携密图像X″′的第4b+l₁+l₂+1至第n_max+a个像素进行对称加密运算的反运算，得到授权信息S₃；D、图像解密D1、像素类型标示矩阵：接收者收到加密‑携密图像X″′，X″′＝{x″′_i，j|i＝1，2，...，I，j＝1，2，...，J}和块分类矩阵T，T＝{t_m，n|m＝1，2...M，n＝1，2...N}，算出加密‑携密图像块的行数P，P＝I/M和列数Q，Q＝J/N；将加密‑携密图像X″′划分成M×N个不重叠的加密‑携密图像块X″′_m，n，X″′_m，n＝{x″′_p，q|p＝1，2，...，P，q＝1，2，...，Q}；初始化加密‑携密图像块X″′_m，n的携密块像素类型标示矩阵的所有元素值为1；如果对应的块分类标识t_m，n＝0，则在该携密块像素类型标示矩阵中基于加密密钥K_e选择对应的一个元素值不变，其它元素值置为0；将所有携密块像素类型标示矩阵拼接为携密图像像素类型标示矩阵统计携密图像像素类型标示矩阵中元素值为0的元素个数，记为n_c′；D2、生成初始解密图像：将加密‑携密图像X″′的前n_c′个像素组成携密可变像素线性表其余像素组成携密固定像素线性表分别对携密可变像素线性表和携密固定像素线性表依次做“置乱解密”和“按位异或解密”，得到解密可变像素线性表和解密固定像素线性表初始化解密图像D⁰，D⁰中所有像素均为1；如果携密图像像素类型标示矩阵中的元素且为第y个为0的元素，则将初始解密图像D⁰中同一位置的像素的替换为解密可变像素线性表中的第y个元素；如果携密块像素类型标示矩阵中的元素且为第z个为1的元素，将初始解密图像D⁰中位置的像素的替换为解密可变像素线性表中的第z个元素；D3、生成解密图像：将初始解密图像D⁰，划分成M×N个不重叠的初始解密图像块如果块分类标识t_m，n的值为0，找出对应携密块像素类型标示矩阵中值为1的元素，令该元素为p0和q0分别为元素在携密块像素类型标示矩阵中的行数和列数；再用初始解密图像块中同一位置(p0，q0)处的像素的最高有效位更新初始解密图像块中的其他像素的最高有效位，生成解密图像块D_m，n，将所有解密图像块D_m，n拼接为解密图像D，即完成解密图像的生成。