基于分组密码的图像加密域信息隐藏_张凡.pdf

收稿日期：基金项目：国家自然科学基金（）；北京市教委科研计划（，）；北京印刷学院科研创新团队项目（）；北京印刷学院重点教改项目（）；北京印刷学院科研基础研究一般项目（）；北京印刷学院博士启动金项目（，）。通讯作者：张凡第 卷 第 期.北 京 印 刷 学 院 学 报 年 月 基于分组密码的图像加密域信息隐藏张 凡，丁海洋，秦定武，马光亚（北京印刷学院 信息工程学院，北京）摘 要：提出一种基于分组密码的加密域信息隐藏方法，对图像像素转换之后的数据，高七位采用分组密码 进行加密，最低位利用 算法完成信息隐藏。由于 算法是分组加密，加密过程更加复杂，对图像产生的加密效果更明显；而信息隐藏方面采用最低位的置换，对图像视觉上没有造成影响，可实现秘密信息的隐藏。通过实验证明，算法操作简单，可实行性高，图像解密与信息提取过程互不影响，在接收端对于两者的顺序没有限制，满足可分离要求；除此之外还具有秘密信息能够无损恢复，算法安全性较高等显著优点。关键词：图像加密；信息隐藏；分组密码；中图分类号：.文献标识码：文章编号：（）随着社会的快速发展，网络和电子设备已成为日常生活中必不可少的元素，随之而来的就是越来越多的用户通过公共通信渠道传输数据，因为这种操作相对来说更加快速便捷。但一些不法分子会利用漏洞来窃取公共网络上传输的数据，因此，对于隐私信息的保护成为一个重要的课题。而随着数字化时代的到来，载体信息的形式也逐渐多样化，其中数字图像已发展为一种主要的形式。针对这种情况，图像加密域信息隐藏受到大众的重视，它结合了图像加密算法和信息隐藏技术，不仅能够实现隐私保护，还可对嵌入的秘密信息进行无损恢复，为在公共通信渠道上传输数据提供了一种较为安全的方法。加密图像信息隐藏是将图像加密和信息隐藏结合使用的一种技术。简单来说，发送端实现图像的加密和秘密信息的嵌入，并将隐藏有秘密信息的图像发送给接收端，在这里，加密和隐藏可以分给不同的用户来完成，加密者拥有加密密钥，隐藏者拥有隐藏密钥。那么在接收端，同样也需要这两种密钥才能完成图像解密和信息提取的工作，同时，根据两个操作是否可分离，将算法分为联合算法和可分离算法。两种算法的不同之处在于联合算法要求接收端在完成图像解密的基础上进行信息提取，而分离算法则可以根据不同的密钥来完成相应操作，没有顺序的要求。另一方面，已有的基于置乱的加密图像域信息隐藏方法和使用流密码异或进行加密的可逆信息隐藏，这两种算法都完成了加密域信息隐藏的工作，但也存在一定的缺陷，无论是置乱加密从像素点的位置上进行改动，还是异或操作对像素值完成加密，都能使窃取者通过一定方法获得原 始图像。基于上述情况，本文对加密域的信息隐藏做了进一步研究，采用分组密码的加密方式对载体图像进行加密，并将秘密信息隐藏在像素最低位。分组密码对图像实现加密的原理是在密钥的控制下，将传输的图像二进制数据流当作明文进行数据加密，其特点是在改变像素值的同时破坏了原始图像的纹理特性与统计特性，且加密过程更为复杂，安全性也更强。同时，该算法为可分离算法，使接收方既可以在密文域进行信息提取，也能够在明文域完成该项工作，为在某些情景下接收方不需要了解明文而能够直接提取秘密信息提供了可靠算法。已有工作.算法本文在图像加密阶段采用的是 算法，其DOI:10.19461/ki.1004-8626.2023.03.012分组长度为，每次加密都需要进行 轮迭代。具体过程为加密之前，对明文数据先进行初始置换，将其分为 和 两部分，并将这两部分数据作为第一轮迭代的输入，之后开始加密工作。具体加密公式如下所示：（）（，）（）每一轮加密过程都有轮函数 和对应的轮密钥 参与其中，轮全部结束后，交换最终得到的左右各 数据，并通过逆初始置换得到 密文。解密时可采用同样的步骤，唯一不同的是轮密钥的顺序和加密时是相逆的。.算法在介绍 算法之前，需要对数字图像的构造有一定的了解，通俗来讲，数字图像是由若干个像素点构成的，每一个像素点都有其具体的像素值，用来表示不同的颜色，对于位深度为 的图像像素，其值范围为，。在这 数据中，位置越靠前的对像素值的影响越大。也就是说，如果我们改动靠前位置的像素值，载体图像发生的变化相对来说也越大，从而就没有实现对载体图像的保护。而 算法正是基于这一特点来实现秘密信息的隐藏，其算法核心是利用图像的最低有效位来完成秘密信息的嵌入。对 数据的最后一位数据按照我们的想法进行变动，不仅可以实现秘密信息的嵌入，对载体图像的影响也不大，即可完成信息隐藏工作。目前的加密域信息隐藏研究工作中对分组加密算法的使用相对较少，其加密过程较为复杂，加密结果无明显规律，有很强的安全性；而 算法作为信息隐藏的基础算法，隐藏过程易于操作，隐藏效果良好。本文算法提出使用分组密码完成加密，是对图像加密的一个改进，结合 隐藏算法，实现了加密过程与隐藏过程的可分离操作，完成了更高要求的加密域的信息隐藏，有一定的研究意义。分组加密隐藏算法本文所提出的算法是基于分组密码来实现密文域信息隐藏的，系统加密和隐藏主要流程如图 所示，图 为解密以及信息提取的主要流程，加密与隐藏的具体步骤如下：（）图像加密前，发送端读取图像所有像素点，并获取像素值数据；图 图像加密及信息隐藏流程图图 图像解密及信息提取流程图（）将读取图像得到的十进制数据进行二进制数据转换；（）转换后的数据分为两部分进行操作，将所有像素点的高七位拼接得到一组一维数据，具体过程见.部分；（）对步骤 得到的一维数据进行 一组的分组，并执行 加密迭代操作；（）对步骤 得到的结果进行 一组的划分，原始图像中的每个像素点的最低位数据重新补回到分组最低位；（）最低位全部补充完毕后，将数据转换为十进制；（）对隐藏的秘密信息进行预处理，具体算法北 京 印 刷 学 院 学 报 年见.部分；（）将预处理之后的信息值隐藏在加密图像中每个像素点的最低位。与上述过程相似，图像解密与信息提取的主要步骤如下：（）接收端收到携秘密信息的加密图像后，读取像素点并获得所有像素值数据；（）对所有数据进行二进制转换；（）将所得到数据的高七位重组，并按 的大小进行分组，具体过程见.部分，对其进行 解密算法；（）对最低位数据进行逆置乱操作；（）针对步骤 得到的解密数据，将该部分数据分为每组为 大小的数据，并将步骤 读取的最低位数据补充到每一组的最后一位；（）所有数据补充为 大小后，进行十进制转换。经过上述步骤，可实现载体图像的加解密以及秘密信息的隐藏和提取，具体算法实现在下文中进行详细介绍。.图像加密分组加密隐藏算法中采用 进行图像加密时，根据分组密码的原理，需要将图像的二进制数据流作为明文数据，然后按其分组长度 进行分组加密，但因为该算法还涉及信息隐藏，所以在分组进行加密之前，按行读取每一个像素。像素在图像中的位置用（，）表示，任意一个灰度图像的像素值，范围都是，则可以把各像素的比特位设为，则有公式（），（）在该算法中，按行依次将每个像素中的高 数据进行拼接，得到一个新的一维数列，对这个数列进行 一组的分组加密，而最低位则用来隐藏秘密信息，在加密阶段并不需要对其进行任何操作，通过这种方法，完成图像加密。简单地说，就是每个像素的高七位加密，最低位隐藏信息，像素点的分组加密具体过程如图 所示。图 图像像素点的分组加密图分组以后，按照 加密算法的过程，将初始密钥设置为，进行 轮迭代，得到最后的加密结果，加密完成后仍是一维数据，将加密得到的新数据重新按照 一组进行分组，同时最低位是用来进行信息隐藏的一位，所以载体图像中每组最低位数据在加密阶段并没有发生任何变化，将它们重新补位到每组数据的最低位，使得新数据重新恢复 大小，这样便可将经过 加密得到的一维数据转换为二维图像数据，自此就完成了图像的加密过程。.信息隐藏在隐藏信息之前，算法对秘密信息进行了预处理操作，保证了更高的安全性。这里采用最经典的 置换，置换过程可用公式（）表示：|（）（）其中，（，）是原图像的像素点坐标，（，）是置乱后新图像的像素坐标，表示图像的大小。经过 置换后，秘密信息已看不出原始内容，接着进行下一步隐藏操作，隐藏算法利用的是 算法，只对每个像素点的最低位进行了改动，将加密图像像素最低位的值替换为置乱后的秘密信息的值，改动 的值，在视觉上不会产生任何变化，一定程度上保护了秘密信息，而提取时也只需要将对应改动位置上的值提取出来进行逆置乱和重组，便可完成秘密信息的提取工作，操作相对简单。经过替换，完成了秘密信息的隐藏，发送端将经过加密和信息嵌入的图像发给接收端。发送端的工作就全部结束，但整体工作并未停止，接收端收到发送端发来的消息时，需要进行秘密信息的提取以及图像的解密，因为该算法是可分离的，所以接收端在知道 算法的初始密钥的前提下，无论是先解密图像再提取秘密信息，还是先提取信息再解密，都可得到对应的正确结果，由此可知，该算法对接收端的要求相对较低，也从另一方面反映了算法方案的可实行性和通用性。实验结果与分析通过进行大量的实验验证，本文算法均取得很好效果，在完成图像加密以及秘密信息嵌入的基础上，能够实现正确解密以及秘密信息的精准提取。本文仅以、四幅第 期张 凡，丁海洋，秦定武，等：基于分组密码的图像加密域信息隐藏 的灰度图像为原始图像进行实验说明，具体图像如图 所示，而隐藏的秘密信息选择为如图 所示的 大小的图像。所有实验均在 系统平台进行仿真实现。图 原始图像图 秘密信息图.算法有效性验证具体实验情况如图所示，利用本文的加密算法对图（）（）的原始图像进行加密得到的加密图像如图（）（）所示。图 中的四幅图像分别表示的是在加密图像中隐藏秘密信息之后的结果图，图 和图 的（）（）分别对应的是解密图像和提取的秘密信息。图 加密图像图 信息嵌入图像 由于该算法为可分离算法，因此图像解密与信息提取两者互不影响，既能够先解密图像，然后在明文中提取秘密信息，也可以直接在密文中提取秘密信息，之后再进行解密操作。进一步通过实验证明，图 和图 表示的结果是先进行解密再完成信息提取，而图 和图 则是改变了操作先后顺序的结果图，从结果中我们可以看出，该算法对操作顺序确实没有限制，都可得到正确的实验结果，表明该方案改善了联合框架的不足之处，在加密域信息隐藏方面取得了一定的进步。同时，从上述实验结果图也可看出，该算法的加密图像以及嵌入秘密信息后的图像都是杂乱无北 京 印 刷 学 院 学 报 年图 解密图像图 信息提取图像图 信息提取图像图 解密图像章的，说明达到了加密操作以及信息嵌入的理想状态，在一定程度上保护了载体图像和秘密信息，同时，提取出的秘密信息及解密图像从肉眼上观察皆无明显差别，因此验证了本文算法的正确性，同时也表明算法可实现加密域信息隐藏的主要内容。.统计结果及性能分析（）正确性该算法的正确性包括载体图像的正确解密和秘密信息的精准提取。从上述实验结果可发现无论何种顺序，载体图像的解密皆为正确的，未出现乱码及错误情况；同时，对提取出的秘密信息进行第 期张 凡，丁海洋，秦定武，等：基于分组密码的图像加密域信息隐藏质量评价时采用了归一化互相关指数，其计算公式为 ，（，）（）其中，和，分别是原始秘密信息和提取的秘密信息对应位置上的像素值。其数值意义为两者越接近，则数值越接近。同时根据表 计算的结果，可知该算法能够完全恢复秘密信息，即精准提取秘密信息。（）安全性算法的安全性证明主要在于加密之后图像的不可识别，本文在加密阶段采用了过程较为复杂的 算法，加密之后的图像通过肉眼已无法分辨其原始内容。同时，在原始载体图像以及加密图像上进行直方图统计的实验后，可得到如图 和图 的（）（）所示的结果图，两者对比可看出，加密后的图像分布更均匀，统计特性没有原图明显，说明加密改变了图像像素之间的相关性，对原图造成混乱，从而达到理想的加密效果，因此本文算法有一定的安全性。图 原图像直方图统计图 加密图像直方图统计表 秘密信息提取的效果性能指数图像 值表 图像的（）对比图像文献.文献.本文算法.（）透明性除安全性之外，还对算法的其他性能进行了评估分析。透明性表示秘密信息在载体图像中的可见