[發明專利]云存儲開銷小的加密圖像多位平面可逆數據隱藏方法

有效

• 申請號: 201811273206.6
• 申請日: 2018-10-30
• 公開（公告）號: CN109462714B
• 公開（公告）日: 2020-05-12
• 發明（設計）人: 和紅杰;陳帆;董夢瑤
• 申請（專利權）人: 成都優圖有真像信息技術有限公司
• 主分類號: H04N1/32
• 分類號: H04N1/32
• 代理公司: 成都博通專利事務所 51208
• 代理人: 陳樹明

1.一種云存儲開銷小的加密圖像多位平面可逆數據隱藏方法，包括如下步驟：

A、圖像加密

A1、預測誤差像素的生成：

將原始圖像X，X＝{x_i，j|i＝1，2，...，M，j＝1，2，...，N}中的第i行第j列的原始像素x_i，j，按下式變換得到第i行第j列的預測誤差像素x＇_i，j，

式中，||.||代表四舍五入運算，M為原始圖像X的行數，也即i的最大值，N為原始圖像X的列數，也即j的最大值；

由預測誤差像素x＇_i，j得到預測誤差圖像X＇，X＇＝{x＇_i，j|i＝1，2，...，M，j＝1，2，...，N}；

A2、溢出標識列表的生成：

將預測誤差圖像X＇中的第i行第j列的預測誤差像素x′_i，j，按下式規范到[-127，+127]之內，得到第i行第j列的差值像素x″_i，j，

由差值像素x″_i，j得到差值圖像為X″，X″＝{x″_i，j|i＝1，2，...，M，j＝1，2，...，N}；

[-127，+127]范圍之外的預測誤差像素x＇_i，j為被規范的預測誤差像素，其坐標列表記為溢出標識列表Map，Map＝{m_k|m_k＝(s，i，j)，k＝1，2，...，K}；其中s代表符號位，s＝0代表負數，s＝1代表正數；k為被規范的預測誤差像素的序號，K為被規范的預測誤差像素的個數；

將原始圖像X的行數M的二進制表示的位數記為n_M，為向上取整運算；log₂(.)表示以2為底的對數運算；

將原始圖像X的列數N的二進制表示位數記為n_N，

將溢出標識列表Map依次串連成一維向量，得到溢出列表比特流溢出列表比特流的長度記為n_m，n_m＝(n_M+n_N+1)×K；

A3、像素分類矩陣的生成：

將差值圖像X″中取值在區間[-2^y-1+1，2^y-1]內的差值像素x″_i，j，稱為可變像素l_p，即l_p＝x″_i，j∈[-2^y-1+1，2^y-1]；其中，y為嵌入時的不變位數，y＝1，2，...7；p為可變像素的序號；然后，將所有的可變像素l_p串聯成可變像素線性列表L^c，L^c＝{l_p|l_p，p＝1，2，...，P}；P為差值圖像X″中可變像素l_p的個數；

將差值圖像X″中除可變像素l_p外的差值像素x″_i，j稱為不變像素l_u；將差值圖像X″中所有的不變像素l_u串聯為不變像素線性表L^u：

L^u＝{l_u|l_u∈[-127，-2^y-1+1)U(2^y-1，+127]，u＝1，2，...，U}；其中，u為不變像素l_u的序號，U為差值圖像X″中不變像素l_u的個數，U＝M×N-P；

進而得到差值圖像X″的嵌入比特數C：

C＝(8-y)×P-M×N-n_m；其中y為可變像素l_p嵌入加密信息時的不變位數y，其取值為1，2，...7；

將可變像素l_p嵌入加密信息時的不變位數y的不同分別代入上式，得到相應的差值圖像X″的嵌入比特數C，找出這些嵌入比特數C的最大值，記為差值圖像X″的最大嵌入比特數C_max；對應的可變像素l_p嵌入加密信息時的不變位數y的取值記為最大嵌入比特數的不變位數y_max；即：C_max＝(8-y_max)×P-M×N-n_m；

根據最大嵌入比特數C_max對應的差值圖像X″中的差值像素x″_i，j是否是可變像素l_p，得到差值像素x″_i，j的分類元素t_i，j，

即分類元素t_i，j的值為1，則差值圖像X″中對應位置的像素x″_i，j為可變像素l_p，否則，差值圖像X″中對應位置的像素x″_i，j為不變像素；

進而得到最大嵌入比特數像素分類矩陣T_max：

T_max＝{t_i，j|i＝1，2，...，M，j＝1，2，...，N}；

A4、分類壓縮向量的生成：

將最大嵌入比特數像素分類矩陣T_max，分成個4×4的二進制塊T_S，S為二進制塊T_S的序號；然后采用基于二進制塊壓縮的方法將二進制塊T_S壓縮成二進制壓縮塊T′_S，二進制壓縮塊T′_S的長度l_s的計算如下式：

其中，G-I表示全為1的二進制塊T_S，Bad表示無法壓縮的的二進制塊T_S，G-II表示其他二進制塊T_S；其中q_e為其他二進制塊G-II中第e個像素0的位置占用的比特數，r為其他二進制塊G-II中像素0的個數，v為其他二進制塊G-II中像素0的個數r占用的比特數；∑.為求和運算；

最后將所有的二進制壓縮塊T′_S依序串聯成一維的分類壓縮向量分類壓縮向量的長度L由下式確定：

A5、最大嵌入比特數的修正：

根據分類壓縮向量的長度L，得到修正后的最大嵌入比特數C＇_max為：C＇_max＝(8-y_max)×P-L-n_m，即C＇_max＝C_max+M×N-L；

A6、可變像素的編碼：

將差值圖像X″中與最大嵌入比特數C_max對應的可變像素線性列表L^c，命名為最大嵌入比特數的可變像素線性列表

將最大嵌入比特數的可變像素線性列表中的可變像素l_p按下式進行編碼得到編碼后的可變像素l′_p：

將所有的編碼后的可變像素l′_p串聯得到編碼后的可變像素線性列表L′_max；

A7、不變像素的處理：

將差值圖像X″中與最大嵌入比特數C_max對應的不可變像素線性列表L^u，命名為最大嵌入比特數的不變像素線性列表

對最大嵌入比特數的不變像素線性列表中的不變像素像素L^u按下式進行符號位修改，得到修改后的不變像素l＇_u，

進而得到修改后的不變像素線性列表為，L^u′＝{l＇_u|u＝1，2，...，U}；

A8、不變比特流的生成：

將每個不變像素l＇_u轉換成8比特的二進制序列，并將所有不變像素的二進制序列串聯起來構成不變像素比特流

將A6步的編碼后的可變像素線性列表L′_max中的編碼后的可變像素l′_p轉換成8比特的二進制序列，并取出二進制序列中與編碼后的可變像素l′_p不變位對應的二進制值，將所有的編碼后的可變像素l′_p不變位對應的二進制值串聯起來構成可變像素不變位比特流

將不變像素比特流與可變像素不變位比特流串聯構成不變比特流Y：

A9、固定列不變生成初始加密圖像：

根據密鑰K_e對不變二進制比特流Y依次進行DES加密、置亂加密，得到加密不變二進制比特流Y’；再將加密不變二進制比特流Y’按8比特為一組生成一個十進制加密像素，進而得到加密不變像素序列L^u″；將加密不變像素序列L^u″組合構成M_x×N大小的初始加密圖像X^b′，X^b＇＝{x^b＇_i，j|i＝1，2，...M_x，j＝1，2，...，N}；M_x的值為加密不變像素序列L^u″的長度除以原始圖像X的列數N的商，且M_x＜M；

A10、加密圖像的生成：

用戶再根據密鑰K_e對分類壓縮向量做異或加密，得到加密分類壓縮向量

根據用戶設定的嵌入比特數w，生成長度為w的一維全0向量，并根據密鑰K_e對該一維全0向量按位異或，得到長度為w比特的隨機序列Rw；再將加密分類壓縮向量A2步的溢出矩陣比特序列隨機序列Rw串聯，得到串聯序列；并根據密鑰K_e對串聯序列置亂，隨后，在置亂后的串聯序列的末尾串聯20比特全0序列，并將設定的嵌入比特數w的二進制數替換末尾的20比特全0序列，得到加密圖像比特流B；

最后，將加密圖像比特流B以每8比特為一組生成一個十進制像素值；進而得到加密像素序列；再將加密像素序列與A9步的初始加密圖像X^b＇串聯得到加密圖像序列，將加密圖像序列合成大小為M＇_x×N的加密圖像X^b″；X^b″＝{x^b″_i，j|i＝1，2，...，M_x，j＝1，2，...，N}；M＇_x的值為加密圖像序列的長度除以原始圖像X的列數N的商，且M＇_x＜M；最后將加密圖像X^b″傳送給云端；

B、信息隱藏

云管理者得到加密圖像X^b″，并在加密圖像X^b″中嵌入預設的秘密信息S＇；云管理者再將加密圖像X^b″按列串聯成一維向量，并將一維向量中的所有加密像素值轉換成二進制，得到二進制加密圖像比特流Q；同時讀取二進制加密圖像比特流Q末尾的20比特二進制值，并將20比特二進制值轉換為十進制數，得到嵌入比特數w；

用秘密信息S＇替換二進制加密圖像比特流Q的倒數第20+w比特至倒數21比特，得到含有秘密信息的二進制加密圖像比特流Q’，再將含有秘密信息的二進制加密圖像比特流Q’重新按8比特為一組合成十進制像素值序列；將十進制像素值序列構生成含秘密信息的加密圖像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圖像X″＇，首先將X″＇按列串聯成一維向量，并將一維向量中的所有加密像素值轉換成二進制比特序列，還原出含有秘密信息的二進制加密圖像比特流Q’；讀取含有秘密信息的二進制加密圖像比特流Q’末尾20比特的二進制值，再將末尾20比特的二進制值轉換為十進制數，得到嵌入比特數w；讀取含有秘密信息的二進制加密圖像比特流Q’的倒數第20+w比特至倒數第21比特，得到云管理者嵌入的秘密信息S＇；

D、圖像解密及恢復

D1、提取像素分類矩陣T及溢出像素標記矩陣Map：

接收者讀取含有秘密信息的二進制加密圖像比特流Q’的倒數第20+w+n_m比特至倒數第21+w比特的二進制值，并將其依次轉換為十進制數，還原得到溢出像素標記列表Map；

讀取含有秘密信息的二進制加密圖像比特流Q’的倒數第20+w+n_m+L比特至倒數21+w+nm比特的二進制值，還原得到壓縮后的加密分類壓縮向量對壓縮后的加密分類壓縮向量根據秘鑰K_e按位異或置亂解密，得到壓縮后的分類壓縮向量對壓縮后的分類壓縮向量進行基于二進制塊壓縮的解壓操作，解壓得到個4×4的二進制塊T_S，再將這些二進制塊T_S依序重組，得到最大嵌入比特數像素分類矩陣T_max；

D2、圖像解密

讀取含有秘密信息的二進制加密圖像比特流Q’中的第1比特至倒數第21+w+n_m+L比特，還原得到加密不變二進制比特流Y’；對加密不變二進制比特流Y’根據加密密鑰Ke進行置亂解密及DES解密得到不變二進制比特流Y；讀取不變二進制比特流Y的前P×y_max比特，還原得到可變像素不變位比特流

可變像素不變位比特流每y_max個比特分為一組，將每組中高8-y_max位補0構成8比特二進制值組；最后將每個8比特二進制值組轉化成十進制值，再將這些十進制值串聯，還原得到編碼后的可變像素線性列表L′_max；

讀取不變二進制比特流Y中第P×y_max+1比特至末尾，還原得到不變像素比特流將不變像素比特流每8比特為一組合成十進制像素，將每個8比特二進制值組轉化成十進制值，再將這些十進制值串聯，還原得到修改后的不變像素線性列表為L^u＇；

由編碼后的可變像素線性列表L′_max通過A6步的逆操作，得到最大嵌入比特數的可變像素線性列表

由修改后的不變像素線性列表為L^u′通過A7步的逆操作，得到最大嵌入比特數的不變像素線性列表

D3、恢復原始圖像

將最大嵌入比特數的不變像素線性列表與最大嵌入比特數的可變像素線性列表依據像素分類標識矩陣T中0與1的位置，恢復得到差值圖像X″，X″＝{x″_i，j|i＝1，2，...，M，j＝1，2，...，N}；

將差值圖像X″中的差值像素x″_i，j，根據溢出矩陣Map，Map＝{m_k|m_k＝(s，i，j)，k＝1，2，...，K}，得到預測誤差像素x’_i，j，；

進而得到預測誤差圖像預測誤差圖像X＇，X＇＝{x＇_i，j|i＝1，2，...，M，j＝1，2，...，N}；

對預測誤差圖像X＇進行A1步的逆操作，得到原始圖像X。