信息预处理的加密域大容量可逆图像信息隐藏_李喜艳.pdf

第 40 卷第 3 期计算机应用与软件Vol.40 No 32023 年 3 月Computer Applications and SoftwareMar 2023信息预处理的加密域大容量可逆图像信息隐藏李喜艳1周清雷1，2刘征1，3*1(解放军信息工程大学数学工程与先进计算国家重点实验室河南 郑州 450001)2(郑州大学信息工程学院河南 郑州 450001)3(河南牧业经济学院信息工程学院河南 郑州 450001)收稿日期:2020 06 15。李喜艳，副教授，主研领域:数字图像信息隐藏。周清雷，教授。刘征，讲师。摘要采用数独变换和 Arnold 变换对原始图像加密，完全保留了图像的冗余空间。嵌入过程中，利用 DES加密算法对信息进行了压缩预处理，平均压缩了 1 5 倍;采用最高有效位算法将压缩后的信息嵌入载密图像。接收者采用异或运算提取出秘密信息，同时根据误差值完全恢复载体图像。实验表明，提出的方法不仅能够实现大容量信息可逆隐藏，而且还能完全重构载体图像，是一种可以广泛应用的加密域信息隐藏方法。关键词加密域信息隐藏数独Arnold DES 算法最高有效比特位重构中图分类号TP391文献标志码ADOI:10 3969/j issn 1000-386x 2023 03 054HIGH CAPACITY EVESIBLE DATA HIDING IN ENCYPTED IMAGESBY INFOMATION PEPOCESSINGLi Xiyan1Zhou Qinglei1，2Liu Zheng1，3*1(State Key Laboratory of Mathematical Engineering and Advanced Computing，PLA Information Engineering University，Zhengzhou 450001，Henan，China)2(School of Information Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，Henan，China)3(School of Information on Engineering，Henan University of Animal Husbandry and Economy，Zhengzhou 450001，Henan，China)AbstractIn this paper，the cover image was encrypted by jointly using Sudoku and Arnold chaos encryption Theencrypted images retained the vacated room In the embedding phase，we used DES algorithm to preprocess theinformation，and the binary bit strings were compressed by a factor of 1 5 The compressed information were embeddedinto the encrypted image by most significant bit(MSB)algorithm The receiver extracted the information by XOoperator，and reconstructed the original image with error The experimental results prove that the proposed method notonly can realize DHEI，but can also reconstruct the cover image completely，which is a widely used method onDHEIKeywordsEncryption domainData hidingSudokuArnold DES algorithmMost significant biteconstruction0引言数字图像可逆信息隐藏是信息安全领域的一个研究方向，其理论背景涉及信号处理、密码学等多个学科。信息隐藏不仅可以保证传输载体不引起第三方的注意，还可以在网络上安全地传输秘密信息，因此，在医学、军事、法律等领域有着广泛的应用。目前可逆信息隐藏方法主要分为四类:基于无损压缩、基于差值扩展、基于误差扩展和基于直方图平移。基于无损压缩的方法1 3 通过压缩原始图像，得到可嵌入数据的空间，这类方法通常嵌入量较低，很难实现大容量数据的隐藏。Tian4 提出的差值扩展方法具有里程碑意义，通过扩展相邻像素的差值实现数据的嵌入，相比传统的无损压缩方法嵌入容量显著提高。差值扩展的思想不断在改进，Alatter5 提出利用 n 个344计算机应用与软件2023 年像素组成像素向量，进而产生 n 1 个待扩展差值，嵌入容量进一步提升。在差值扩展的基础上，专家学者们提出了更高效的差值扩展方法，即预测误差扩展方法。Thodi 等6 利用目标像素的上下文环境计算出预测值，然后通过扩展预测误差实现数据嵌入。Li 等7 提出的基于像素排序的预测方法成为了近几年的研究热点之一，由于数据嵌入操作没有改变像素排列顺序，确保了算法的可逆性，另一个明显的优点是预测准确率较高。Qu 等8 充分利用了像素排序块内的 k 个最大值和最小值，进一步提高了嵌入容量。文献 6 8的方法都是以像素块为单位，实现数据的嵌入。文献 9 引入了传统的目标像素上下文的概念，不再以像素块为嵌入单位，提出了以目标像素为单位的新型嵌入方法。直方图平移算法10 12 也是典型的一类算法，通过移动灰度直方图实现数据嵌入，对像素修改的最大值为 1，总的来说，计算复杂度低，保真度高，但是嵌入容量很有限。云服务的发展对数字图像可逆信息隐藏提出了新的要求，即数字图像加密域可逆信息隐藏。个人隐私保护的需求、大容量信息隐藏的需求，使得加密域可逆信息隐藏的研究成了一个热点。数字图像加密域可逆信息隐藏的实现过程中涉及到三方:所有者，管理者和接收者。各种方法都努力实现两个目标:管理者能够嵌入大容量的信息;接收者能够完全重构原始图像和提取嵌入信息。前期的研究中，一般从三个角度进行优化:(1)优化加密过程;(2)优化隐藏过程;(3)两者兼顾。在文献 13，18，20 22，24 25中，所有者充分利用编码方法增加图像的冗余空间，但是也造成了接收者不能完全重构原始载体图像。在文献 14 16，19，26 中，管理者充分利用加密图像的冗余空间，这种策略往往不能实现大容量的嵌入。文献 25针对所有者的工作提出了两种方法，能够实现大容量的嵌入，图像品质较佳。在文献 17，23中图像品质较好，但是不能兼得大容量的嵌入。数字图像加密域可逆信息隐藏根据所有者加密策略的不同，可以分为两类:加密后的冗余空间(vacatingroom after encryption，VAE)和加密前的冗余空间(reserving room before encryption，BE)。VAE 的策略是在加密后对图像进行各种处理，获取足够的冗余空间嵌入秘密信息，这类方法的嵌入容量比 BE 类方法要小些，但是可以实现载体图像的完全恢复。BE 的策略是先对原始图像进行各种预处理获得更多冗余空间，然后进行加密得到加密图像。这类方法的嵌入容量较大，但是不能实现载体图像的完全恢复。通过大量文献的阅读可以发现两个问题:(1)图像的冗余空间是有限的，虽然有很多的压缩方法，但是实现大容量的信息隐藏还是不够明显;(2)嵌入容量和完全重构不能兼顾。为了真正地实现加密域大容量信息隐藏，本文延续 VAE 的策略，实现大容量的信息隐藏，并且实现原始图像的完全重构。以往很多方法中采用加密方法之后，加密图像冗余空间很有限，本文方法将原始图像分成互不重叠的块，对块进行数独变换27，然后对变换后的图像进行 Arnold 变换28，不仅达到了加密置乱的效果，同时保留了原始图像的冗余度。为了实现大容量的信息隐藏，管理者对信息进行密码学中的 S 盒29 变换，为实现嵌入容量提高 1 5 倍做铺垫。管理者将预处理过的秘密信息嵌入加密图像像素值的最高有效位，每个像素嵌入 1 bit 信息。接收者根据隐藏密钥提取出秘密信息，然后经过 S 盒逆变换，得到最原始秘密信息，根据加密密钥重构原始图像，实现原始图像的完全重构。1基于信息预处理的 DHEI目前很少有可以兼顾大容量信息嵌入(1 bpp 左右)和高视觉质量(大于 50 dB)的方法，在很多时候，使用的方法大都是基于误差扩展、直方图转换的。最低有效平面位的方法是经典的信息隐藏方法，但是在加密域信息隐藏中，加密图像很难检测出是否嵌入了秘密信息。另外，最高有效平面位方法比最低有效平面位的方法更容易计算预测值，所以在加密域的信息隐藏中，较多使用 MSB。基于已有的编码方法中图像的冗余空间很难再有大的突破，为了实现加密域大容量信息隐藏，在加密前或后对图像像素值进行了处理。本文做了三个工作，算法流程如图 1 所示，(1)对原始载体图像进行数独变换和 Arnold 变换得到加密图像，保留原始图像冗余空间的同时安全性也得到了保证。(2)在信息隐藏之前对流文件进行 S 盒压缩变换，使得秘密信息进行无损压缩。云管理者将预处理过的信息使用 MSB 方法嵌入加密图像中。(3)接收者根据密钥等信息提取出秘密信息，并解压恢复载密信息内容，同时将完全恢复原始图像。(a)所有者第 3 期李喜艳，等:信息预处理的加密域大容量可逆图像信息隐藏345(b)管理者(c)接收者图 1算法流程加密过程实现如下:输入:原始图像 I(M N)。输出:载密图像 Pe(M N)。1对载体图像计算像素预测值。2对输入载体图像进行 2 2 分块。3对所有子块进行 Arnold 变换。4对 Arnold 变换的图像进行 3 3 分块。5对所有子块进行数独变换，对于不含在任何子块中的像素不做处理。隐藏过程实现如下:输入:载密图像 Pe(M N)。输出:载密加密图像 Pem(M N)。1对秘密信息采用 S 盒变换进行预处理，将相应的 S 盒行号和预处理后的数据分别安全储存，以备后续处理。2采用 MSB 嵌入方法，将预处理后的信息嵌入到载密图像中去获得载密加密图像。3S 盒的行号通过专门的安全通道传输。接收者的工作过程如下:输入:载密加密图像 Pem(M N)。输出:提取的秘密信息，重构的原始载体图像。1对载密加密图像进行进行 3 3 分块，所有子块进行数独逆变换，不在任何子块中的像素不做处理。2对数独逆变换后的图像进行 2 2 分块，所有子块进行 Ar-nold 逆变换。3利用像素预测值重构原始载体图像。4采用式(4)对加密载体图像进行运算，得到提取的秘密信息。5对提取的信息进行分组，根据相应 S 盒的行号进行逆变换，获得最终的秘密信息。1 1图像加密所有者为了保护文件的版权内容，将载体图像 I(M N)进行了加密。首先对原始图像 I(M N)进行 Arnold变换生成图像 IA(M N)，然后被分割成互不重叠的3 3 子块，最后根据数独矩阵的映射关系对每个子块进行置乱。先前的 DHEI 方法中，采用传统加密方法加密的载体图像只有很少量的冗余空间。为了避免冗余空间的减少，本文采用 Arnold 变换和数独变换对载体图像加密，充分保存了冗余空间。所有者经历了两个步骤进行加密载体图像:1)Arnold 变换;2)数独映射。图 2 是一个数独问题以及对应的解决方案，图 3是 Lena 图像的加密处理效果图。(a)数独问题(b)数独解决方案图 2数独问题及解决方案(a)原图(b)Arnold 置乱图(c)加密图图 3Lena(512 512)图像1)预测误差检测。采用 MSB 替换方法将信息嵌入到图像中，会造成像素值的最高位缺失。在解码阶段，秘密信