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技术

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。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术涉及一种图像加密域的可逆信息隐藏方法。
技术介绍
随着网络的普及和云服务的发展，一方面数字图像数据以密文的形式传输和存储在云端以保护数字图像的内容，另一方面云端需要在密文数字图像中再嵌入隐藏信息为数据管理提供便利。接收者需要提取密文数字图像中的隐藏信息，或者将密文数字图像解密、并去掉隐藏信息，恢复为原始图像。这种密文数字图像中的隐藏信息嵌入和提取及图像的无损恢复，即为图像加密域的可逆数据隐藏(RDH-EI:ReversibleDataHidinginEncryptedImage)。近年来，对图像加密域可逆数据隐藏提出了多种方法。2012年X.Zhang(X.Zhang,Separablereversibledatahidinginencryptedimage,IEEETrans.Inf.ForensicsSecurity,2012,7(2):826-832)首次提出了图像密文域可逆数据隐藏方法。此后研究者从提高算法可逆性、隐藏容量、实用性和安全性等方面提出了多种RDH-EI方法。最近，X.Cao等人(X.Cao,L.Du,X.Wei,D.Meng,X.Guo,Highcapacityreversibledatahidinginencryptedimagesbypatch-levelsparserepresentation,IEEETrans.Cybern.,2016,46(5):1132-1143)提出了一种基于块稀疏编码的RDH-EI方法，该方法利用稀疏编码压缩明文图像块，在加密前预留隐藏空间，进一步扩大了信息隐藏容量和可逆性。不过X.Cao算法的时间复杂度较高且解密图像时需要过完备字典。另外，从提高RDH-EI方法的安全性和实用性的角度，J.Zhou等(J.Zhou,W.Sun,L.Dongetal.,Securereversibleimagedatahidingoverencrypteddomainviakeymodulation,IEEETrans.CircuitsSyst.VideoTechnol.,2016,26(3):441-452)在一文中指出，现有RDH-EI方法在恢复得到高质量原始图像时，接收者除了与加密者共享加密密钥外，还需要与隐藏者共享隐藏密钥。这需要构建相应的密钥管理系统(KMS：KeyManagementSystem)来管理与分享隐藏密钥，不仅需要额外的花费，还可能带来潜在安全风险。为此J.Zhou提出取消隐藏密钥，由加密密钥同时保护图像内容和隐藏信息。取消隐藏密钥无疑降低了密钥管理的代价，不过如果隐藏的“隐藏信息”用于密文图像的快速检索，解密图像后才能提取隐藏信息则不太适用。事实上，隐藏信息的作用决定它被访问的权限。因此，如何根据隐藏信息的访问权限，设计合理的保护方案以协调密钥管理与隐藏信息使用之间的矛盾，是RDH-EI技术走向实用的关键环节之一。另一方面，保护原图像内容的私密性是RDH-EI技术重要目标。现有RDH-EI方法包括X.Cao和J.Zhou最近提出的RDH-EI算法大多采用按位“异或”加密数字图像。异或加密可以很好地保护图像像素值，不过像素位置没有得到有效的保护，存在图像内容信息泄露的风险。例如，如果攻击者得到一幅加密图像及其相应的解密图像，无需加密密钥就能估计出密钥流，此时采用相同密钥的加密图像都存在内容泄露的危险。因此，如何进一步降低加密图像内容被泄密的可能性，是RDH-EI技术必须解决的关键问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供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，该方法传输的图像安全性好，隐藏密钥的管理难度低，隐写容量大，隐藏信息安全性有保障；且其算法实现简单。本专利技术实现其专利技术目的所采用的技术方案为，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＝{xi，j|i＝1，2，...，I，j＝1，2，...，J}划分成M×N个不重叠的图像块Xm，n，Xm，n＝{xp，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Xm,n的纵向序号，其最大值为M；n为图像块Xm,n的横向序号，其最大值为N；p为图像块Xm,n的像素xp,q的行数，q为图像块Xm,n的像素xp,q的列数；P、Q分别为图像块Xm,n的行数、列数；如果图像块Xm,n中的所有像素的最高有效位相同，则块分类标识tm,n的值为0，否则，块分类标识tm,n的值为1，得到块分类矩阵T，T＝{tm,n|m＝1,2…,M,n＝1,2,…,N}；A2、像素类型标示矩阵：初始化图像块Xm,n的块像素类型标示矩阵Cm,n，Cm,n＝{cp,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tm,n＝0，则在该块像素类型标示矩阵Cm,n中基于加密密钥Ke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Cm,n拼接为图像像素类型标示矩阵C＝{Cm,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nc；A3、生成加密图像：块像素类型标示矩阵Cm,n中，如果元素cp,q的值为0，则图像块Xm,n中同一位置的像素xp,q定义为可变像素；否则，图像块Xm,n中同一位置的像素xp,q定义为固定像素；将所有图像块Xm,n中的可变像素拼接为可变像素线性表Lc，同时将所有图像块Xm,n中的固定像素拼接为固定像素线性表Lu；然后，基于加密密钥Ke生成密钥流，分别对可变像素线性表Lc和固定像素线性表Lu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Lc′和加密固定像素线性表Lu′；接着，将加密可变像素线性表Lc′和加密固定像素线性表Lu′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nmax，nmax＝nc-a，将最大嵌入比特数nmax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l2，3，用隐藏密钥K3加密授权信息和私密信息的总比特数l2，3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′本文档来自技高网...

【技术保护点】
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＝{xi，j|i＝1，2，...，I，j＝1，2，...，J}划分成M×N个不重叠的图像块Xm，n，Xm，n＝{xp，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Xm,n的纵向序号，其最大值为M；n为图像块Xm,n的横向序号，其最大值为N；p为图像块Xm,n的像素xp,q的行数，q为图像块Xm,n的像素xp,q的列数；P、Q分别为图像块Xm,n的行数、列数；如果图像块Xm,n中的所有像素的最高有效位相同，则块分类标识tm,n的值为0，否则，块分类标识tm,n的值为1，得到块分类矩阵T，T＝{tm,n|m＝1,2…,M,n＝1,2,…,N}；A2、像素类型标示矩阵：初始化图像块Xm,n的块像素类型标示矩阵Cm,n，Cm,n＝{cp,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tm,n＝0，则在该块像素类型标示矩阵Cm,n中基于加密密钥Ke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Cm,n拼接为图像像素类型标示矩阵C＝{Cm,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nc；A3、生成加密图像：块像素类型标示矩阵Cm,n中，如果元素cp,q的值为0，则图像块Xm,n中同一位置的像素xp,q定义为可变像素；否则，图像块Xm,n中同一位置的像素xp,q定义为固定像素；将所有图像块Xm,n中的可变像素拼接为可变像素线性表L...

【技术特征摘要】
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＝{xi，j|i＝1，2，...，I，j＝1，2，...，J}划分成M×N个不重叠的图像块Xm，n，Xm，n＝{xp，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Xm,n的纵向序号，其最大值为M；n为图像块Xm,n的横向序号，其最大值为N；p为图像块Xm,n的像素xp,q的行数，q为图像块Xm,n的像素xp,q的列数；P、Q分别为图像块Xm,n的行数、列数；如果图像块Xm,n中的所有像素的最高有效位相同，则块分类标识tm,n的值为0，否则，块分类标识tm,n的值为1，得到块分类矩阵T，T＝{tm,n|m＝1,2…,M,n＝1,2,…,N}；A2、像素类型标示矩阵：初始化图像块Xm,n的块像素类型标示矩阵Cm,n，Cm,n＝{cp,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tm,n＝0，则在该块像素类型标示矩阵Cm,n中基于加密密钥Ke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Cm,n拼接为图像像素类型标示矩阵C＝{Cm,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nc；A3、生成加密图像：块像素类型标示矩阵Cm,n中，如果元素cp,q的值为0，则图像块Xm,n中同一位置的像素xp,q定义为可变像素；否则，图像块Xm,n中同一位置的像素xp,q定义为固定像素；将所有图像块Xm,n中的可变像素拼接为可变像素线性表Lc，同时将所有图像块Xm,n中的固定像素拼接为固定像素线性表Lu；然后，基于加密密钥Ke生成密钥流，分别对可变像素线性表Lc和固定像素线性表Lu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Lc′和加密固定像素线性表Lu′；接着，将加密可变像素线性表Lc′和加密固定像素线性表Lu′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nmax，nmax＝nc-a，将最大嵌入比特数nmax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l2，3，用隐藏密钥K3加密授权信息和私密信息的总比特数l2，3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+...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈帆，和红杰，尹帮旭，鄢舒，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川,51