[发明专利]云存储开销小的加密图像多位平面可逆数据隐藏方法

摘要

一种云存储开销小的加密图像多位平面可逆数据隐藏方法，其操作主要是：使用像素差值预测的方法得到差值图像，将差值图像按比特分类，用替代可变比特的方式嵌入信息；嵌入信息的操作与像素的位置无关，使得图像异或置乱和DES加密操作能用于加密图像，提高了加密图像的安全性；像素差值预测的方法有效的压缩原始图像，使部分像素的高位平面产生大量空间，自适应寻找合适的阈值范围；对阈值之内的可变像素采用位平面嵌入的方法实现了一个像素可嵌入多比特信息；采用稀疏矩阵压缩算法压缩像素分类矩阵，有效提高了隐写容量；根据用户的需求生成相应大小的加密图像，节省了用户的云存储开销，扩展了算法的应用范围。

主权项

1.一种云存储开销小的加密图像多位平面可逆数据隐藏方法，包括如下步骤：A、图像加密A1、预测误差像素的生成：将原始图像X，X＝{xi，j|i＝1，2，...，M，j＝1，2，...，N}中的第i行第j列的原始像素xi，j，按下式变换得到第i行第j列的预测误差像素x′i，j，式中，||.||代表四舍五入运算，M为原始图像X的行数，也即i的最大值，N为原始图像X的列数，也即j的最大值；由预测误差像素x′i，j得到预测误差图像X′，X′＝{x′i，j|i＝1，2，...，M，j＝1，2，...，N}；A2、溢出标识列表的生成：将预测误差图像X′中的第i行第j列的预测误差像素x′i，j，按下式规范到[‑127，+127]之内，得到第i行第j列的差值像素x″i，j，由差值像素x″i，j得到差值图像为X″，X″＝{x″i，j|i＝1，2，...，M，j＝1，2，...，N}；[‑127，+127]范围之外的预测误差像素x′i，j为被规范的预测误差像素，其坐标列表记为溢出标识列表Map，Map＝{mk|mk＝(s，i，j)，k＝1，2，...，K}；其中s代表符号位，s＝0代表负数，s＝1代表正数；k为被规范的预测误差像素的序号，K为被规范的预测误差像素的个数；将原始图像X的行数M的二进制表示的位数记为n_M，为向上取整运算；log₂(·)表示以2为底的对数运算；将原始图像X的列数N的二进制表示位数记为n_N，将溢出标识列表Map依次串连成一维向量，得到溢出列表比特流溢出列表比特流的长度记为n_m，n_m＝(n_M+n_N+1)×K；A3、像素分类矩阵的生成：将差值图像X″中取值在区间[‑2y‑1+1，2y‑1]内的差值像素x″i，j，称为可变像素lp，即lp＝x″i，j∈[‑2y‑1+1，2y‑1]；其中，y为嵌入时的不变位数，y＝1，2，...7；p为可变像素的序号；然后，将所有的可变像素lp串联成可变像素线性列表Lc，Lc＝{lp|lp，p＝1，2，...，P}；P为差值图像X″中可变像素lp的个数；将差值图像X″中除可变像素lp外的差值像素x″i，j称为不变像素lu；将差值图像X″中所有的不变像素lu串联为不变像素线性表Lu：Lu＝{lu|lu∈[‑127，‑2y+1)∪(2y，+127]，u＝1，2，...，U}；其中，u为不变像素lu的序号，U为差值图像X″中不变像素lu的个数，U＝M×N‑P；进而得到差值图像X″的嵌入比特数C：C＝(8‑y)×P‑M×N‑nm；其中y为可变像素lp嵌入加密信息时的不变位数y，其取值为1，2，...7；将可变像素lp嵌入加密信息时的不变位数y的不同分别代入上式，得到相应的差值图像X″的嵌入比特数c，找出这些嵌入比特数C的最大值，记为差值图像X″的最大嵌入比特数Cmax；对应的可变像素lp嵌入加密信息时的不变位数y的取值记为最大嵌入比特数的不变位数ymax；即：Cmax＝(8‑ymax)×P‑M×N‑nm；根据最大嵌入比特数Cmax对应的差值图像X″中的差值像素x″i，j是否是可变像素lp，得到差值像素x″i，j的分类元素ti，j，即分类元素ti，j的值为1，则差值图像X″中对应位置的像素x″i，j为可变像素lp，否则，差值图像X″中对应位置的像素x″i，j为不变像素；进而得到最大嵌入比特数像素分类矩阵Tmax：Tmax＝{ti，j|i＝1，2，...，M，j＝1，2，...，N｝；A4、分类压缩向量的生成：将最大嵌入比特数像素分类矩阵T_max，分成个4×4的二进制块T_S，s为二进制块T_S的序号；然后采用基于二进制块压缩的方法将二进制块T_S压缩成二进制压缩块T′_S，二进制压缩块T′_S的长度l_s的计算如下式：其中，G‑I表示全为1的二进制块TS，Bad表示无法压缩的的二进制块TS，G‑II表示其他二进制块TS；其中qe为其他二进制块G‑II中第e个像素0的位置占用的比特数，r为其他二进制块G‑II中像素0的个数，v为其他二进制块G‑II中像素0的个数r占用的比特数；∑.为求和运算；最后将所有的二进制压缩块T′_S依序串联成一维的分类压缩向量分类压缩向量的长度L由下式确定：A5、最大嵌入比特数的修正：根据分类压缩向量的长度L，得到修正后的最大嵌入比特数C′_max为：C′_max＝(8‑y_max)×P‑L‑n_m，即C′_max＝C_max+M×N‑L；A6、可变像素的编码：将差值图像X″中与最大嵌入比特数C_max对应的可变像素线性列表L^c，命名为最大嵌入比特数的可变像素线性列表将最大嵌入比特数的可变像素线性列表中的可变像素l_p按下式进行编码得到编码后的可变像素l′_p：将所有的编码后的可变像素l′p串联得到编码后的可变像素线性列表L′maxA7、不变像素的处理：将差值图像X″中与最大嵌入比特数C_max对应的不可变像素线性列表L^u，命名为最大嵌入比特数的不变像素线性列表对最大嵌入比特数的不变像素线性列表中的不变像素像素L^u按下式进行符号位修改，得到修改后的不变像素l′_u，进而得到修改后的不变像素线性列表为，Lu′＝{l′u|u＝1，2，...，U｝；A8、不变比特流的生成：将每个不变像素l′_u转换成8比特的二进制序列，并将所有不变像素的二进制序列串联起来构成不变像素比特流将A7步的编码后的可变像素线性列表L′_max中的编码后的可变像素l′_p转换成8比特的二进制序列，并取出二进制序列中与编码后的可变像素l′_p不变位对应的二进制值，将所有的编码后的可变像素l′_p不变位对应的二进制值串联起来构成可变像素不变位比特流将不变像素比特流与可变像素不变位比特流串联构成不变比特流Y；A9、固定列不变生成初始加密图像：根据密钥Ke对不变二进制比特流Y依次进行DES加密、置乱加密，得到加密不变二进制比特流Y’；再将加密不变二进制比特流Y’按8比特为一组生成一个十进制加密像素，进而得到加密不变像素序列Lu″；将加密不变像素序列Lu″组合构成Mx×N(Mx＜M)大小的初始加密图像Xb′，Xb′＝{xb′i，j|i＝1，2，...Mx，j＝1，2，...，N｝；Mx的值为加密不变像素序列Lu″的长度除以原始图像X的列数N的商；A10、加密图像的生成：用户再根据密钥K_e对分类压缩向量做异或加密，得到加密分类压缩向量根据用户设定的嵌入比特数w，生成长度为w的一维全0向量，并根据密钥K_e对该一维全0向量按位异或，得到长度为w比特的随机序列Rw；再将加密分类压缩向量A2步的溢出矩阵比特序列随机序列Rw串联，得到串联序列；并根据密钥K_e对串联序列置乱，随后，在置乱后的串联序列的末尾串联20比特全0序列，并将设定的嵌入比特数w的二进制数替换末尾的20比特全0序列，得到加密图像比特流B。最后，将加密图像比特流B以每8比特为一组生成一个十进制像素值；进而得到加密像素序列；再将加密像素序列与A6步的初始加密图像Xb′串联得到加密图像序列，将加密图像序列合成大小为M′x×N(M′x＜M)的加密图像Xb″；Xb″＝{xb″i，j|i1，2，...，Mx，j＝1，2，...，N}；M′x的值为加密图像序列的长度除以原始图像X的列数N的商；最后将加密图像Xb″传送给云端；B、信息隐藏云管理者得到加密图像Xb″，并在加密图像Xb″中嵌入预设的秘密信息S′；云管理者再将加密图像Xb″按列串联成一维向量，并将一维向量中的所有加密像素值转换成二进制，得到二进制加密图像比特流Q；同时读取二进制加密图像比特流Q末尾的20比特二进制值，并将20比特二进制值转换为十进制数，得到嵌入比特数w；用秘密信息S′替换二进制加密图像比特流Q的倒数第20+w比特至倒数21比特，得到含有秘密信息的二进制加密图像比特流Q’，再将含有秘密信息的二进制加密图像比特流Q’重新按8比特为一组合成十进制像素值序列；将十进制像素值序列构生成含秘密信息的加密图像X″′，X″′＝{x″′i，j|i＝1，2，...，M’x，j＝1，2，...，N}；C、秘密信息提取接收者得到含有秘密信息的加密图像X″′，首先将X″′按列串联成一维向量，并将一维向量中的所有加密像素值转换成二进制比特序列，还原出含有秘密信息的二进制加密图像比特流Q’；读取含有秘密信息的二进制加密图像比特流Q’末尾20比特的二进制值，再将末尾20比特的二进制值转换为十进制数，得到嵌入比特数w；读取含有秘密信息的二进制加密图像比特流Q’的倒数第20+w比特至倒数第21比特，得到云管理者嵌入的秘密信息S′；D、图像解密及恢复D1、提取像素分类矩阵T及溢出像素标记矩阵Map：接收者读取含有秘密信息的二进制加密图像比特流Q′的倒数第21+w+nm比特至倒数第21+w比特的二进制值，并将其依次转换为十进制数，还原得到溢出像素标记列表Map；读取含有秘密信息的二进制加密图像比特流Q′的倒数第21+w+n_m+L比特至倒数21+w+L比特的二进制值，还原得到压缩后的加密像素分类标识序列对压缩后的加密像素分类标识序列根据秘钥K_e按位异或置乱解密，得到压缩后的像素分类标识矩阵对压缩后的像素分类标识矩阵进行基于二进制块压缩的解压操作，解压得到个4×4的二进制块T_S，再将这些二进制块T_S依序重组，得到最大嵌入比特数像素分类矩阵T_max；D2、图像解密读取含有秘密信息的二进制加密图像比特流Q’中的第1比特至倒数第22+w+L比特，还原得到加密不变二进制比特流Y’；对加密不变二进制比特流Y’根据加密密钥Ke进行置乱解密及DES解密得到不变二进制比特流Y；读取不变二进制比特流Y的前n_c×y_max比特，还原得到可变像素不变位比特流可变像素不变位比特流每y_max个比特分为一组，将每组中高8‑y_max位补0构成8比特二进制值组；最后将每个8比特二进制值组转化成十进制值，再将这些十进制值串联，还原得到编码后的可变像素线性列表L’_max；读取不变二进制比特流Y中第n_c×y_max+1比特至末尾，还原得到不变像素比特流将不变像素比特流每8比特为一组合成十进制像素，将每个8比特二进制值组转化成十进制值，再将这些十进制值串联，还原得到修改后的不变像素线性列表为L^u′；由编码后的可变像素线性列表L’_max通过A6步的逆操作，得到最大嵌入比特数的可变像素线性列表由修改后的不变像素线性列表为L^u′通过A7步的逆操作，得到最大嵌入比特数的不变像素线性列表D3、恢复原始图像将最大嵌入比特数的不变像素线性列表与最大嵌入比特数的可变像素线性列表依据像素分类标识矩阵T中0与1的位置，恢复得到差值图像X″，X″＝{x″_i，j|i＝1，2，...，M，j＝1，2，...，N｝；将差值图像X″中的差值像素x″i，j，根据溢出矩阵Map，Map＝{mk|mk＝(s，i，j)，k＝1，2，...，K｝，得到预测误差像素x’i，j，；进而得到预测误差图像预测误差图像X′，X′＝{x′i，j|i＝1，2，...，M，j＝1，2，...，N}；对预测误差图像X′进行A1步的逆操作，得到原始图像X。