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系统与方法技术方案

本发明专利技术公开了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及系统。在图像发送端，图像拥有者通过设计的图像分割算法将图像分割为三个部分：黑色部分、白色部分和灰色部分。采用预测误差扩展和多直方图平移相结合的方式利用灰色部分对黑色部分进行预测，通过自适应的可逆信息隐藏算法将白色部分的最低有效位嵌入到图像的黑色部分，再通过加密秘钥生成加密图像；信息隐藏者通过隐藏秘钥对图像进行秘密信息的嵌入。在图像接收端，接受者既可以先提取秘密信息再恢复原始图像也可以先恢复原始图像再提取秘密信息，实现秘密信息和原始图像的可逆性。本发明专利技术具有隐秘性好，嵌入容量大等优点。

A Reversible Information Hiding System and Method in Image Encryption Domain Based on Image Segmentation and Image Spatial Relevance

The invention discloses an image encryption domain reversible information hiding method and system based on image segmentation and image spatial correlation. At the image sending end, the image owner divides the image into three parts: the black part, the white part and the gray part through the designed image segmentation algorithm. The grey part is used to predict the black part by combining prediction error expansion with multi-histogram translation. The lowest significant bit of white part is embedded into the black part of the image by adaptive reversible information hiding algorithm, and then the encrypted image is generated by encrypting the secret key. The information hider embeds the secret information of the image by hiding the secret key. At the image receiving end, the receiver can either extract secret information before restoring the original image, or restore the original image before extracting secret information to realize the reversibility of secret information and the original image. The invention has the advantages of good concealment and large embedding capacity.

【技术实现步骤摘要】
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系统与方法
本专利技术涉及一种图像加密域信息隐藏技术，属于可逆信息隐藏与图像处理

技术介绍
作为信息安全领域的重要分支，信息隐藏技术在新世纪以来获得了迅猛发展，尤其是在数字版权、秘密通信等领域都得到了具体应用。可逆数据隐藏技术由于能够实现对载体对象的可逆恢复和具有较高的嵌入容量等特点得到了广泛的发展。在此基础上，为了进一步保证图像的秘密性，提出了基于图像加密域的可逆信息隐藏算法。密文域可逆信息隐藏作为加密域信号处理技术与信息隐藏技术的重要结合点，对于数据处理过程中的信息安全可以起到双重保险的作用，尤其随着云服务的推广，可逆信息隐藏是实现云环境下隐私保护的研究重点之一。衡量算法性能的标准有两个，一是信息嵌入容量，二是失真度。在相同的嵌入容量的基础下图像的失真度越低代表着图像的完整性越好，图像的篡改操作越不容易被发现。加解密过程与信息嵌入提取过程在密文域可逆算法中交叉存在并且互相制约，造成密文域可逆信息隐藏的诸多技术难点，主要分为以下四点：一是实现嵌入后密文的无失真解密及载体恢复的完全可逆；二是密文数据中的大容量嵌入；三是信息提取与解密过程的可分离；四是保证嵌入过程的安全性或信息的不可检测性等。上述难点的主要原因：一方面，当前的信息隐藏技术极大地依赖载体的编码技术、所属的媒体类型或者变换域的属性，而嵌入信息的过程必然要对载体数据特征进行重新量化与修改，但是加密会使明文内容呈现出最大的无规律性与不确定性，原有特征难以被提取与利用。另一方面，现代加密算法要求明文的极小改变也将扩散到整个密文空间，使得嵌入过程中修改的加密数据越多，解密结果失真就会越大，因此要在保证解密没有失真的情况下进行信息嵌入，或提升嵌入容量的难度较大。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供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系统与方法，旨在降低信息隐藏系统的失真度，提高加密图像的隐蔽性。本专利技术为了解决以上技术问题，而采用以下技术手段：本专利技术首先提出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系统，该系统包括加密图像生成模块，信息嵌入模块，信息提取与图像重建模块，其中：所述加密图像生成模块，被配置以执行以下动作：图像拥有者将原始图像分割为互不重叠的黑色部分、灰色部分与白色部分。利用灰色部分的像素对黑色部分像素进行预测，生成预测误差直方图，采用多直方图平移的方式将白色部分像素的最低有效位嵌入到黑色部分中，生成待加密图像，利用加密密钥生成加密流序列对待加密图像进行加密，生成加密图像，并将其发送至信息嵌入模块。所述信息嵌入模块，被配置以执行以下动作：信息嵌入者利用信息嵌入密钥将待嵌入秘密信息进行加密，将加密后的秘密信息替换图像白色部分的最低有效位完成秘密信息的嵌入，生成带标识的加密图像，并将其发送至信息提取和图像重建模块。所述信息提取与图像重建模块，被配置以执行以下动作：图像接收者利用秘密信息提取和图像解密的独立性可分别对接收图像进行先信息提取后图像解密的操作或者先图像解密后信息提取的操作，完成原始图像和秘密信息的可逆性保障。本专利技术还提出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。进一步的，本专利技术所提出的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，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。进一步的，本专利技术所提的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，所述步骤102是根据菱形预测进行像素值预测的：其中v1,v2,v3,v4代表像素值x的上下左右的相邻像素值。进一步的，本专利技术所提的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，所述步骤103中区域复杂度是由x的相邻像素值生成的：CMi＝|v1-v3|+|v2-v4|(2)选取3个阈值满足：将CMi分为4个间隔I0＝[0,s0],I1＝[s0+1,s1],I2＝[s1+1,s2],I3＝[s2+1,s3]，CMi落在对应的区间CMi就会被更新为j，生成四个预测误差直方图。进一步的，本专利技术所提的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，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，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},an＝-bn-1；b、对于n∈{0,1,2,3},bn∈{0,1…,7,∞}；c、b0≤b1≤b2≤b3。进一步的，本专利技术所提的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，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)bn,n∈{0,1,2,3}；4)sn,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Saux比特，记录本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。...

【技术特征摘要】
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。2.根据权利要求1所述的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，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。3.根据权利要求2所述的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，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。4.根据权利要求2所述的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，所述步骤103中区域复杂度是由x的相邻像素值生成的：CMi＝|v1-v3|+|v2-v4|(2)选取3个阈值满足：将CMi分为4个间隔I0＝[0，s0]，I1＝[s0+1，s1]，I2＝[s1+1，s2]，I3＝[s2+1，s3]，CMi落在对应的区间CMi就会被更新为j，生成四个预测误差直方图。5.根据权利要求2所述的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，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}，an＝-bn-1；b、对于n∈{0，1，2，3}，bn∈{0，1...，7，∞}；c、b0≤b1≤b2≤b3。6.根据权利要求2所述的一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：张毅锋，宋畅，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32