CN111050021A

CN111050021A - 基于二维码和可逆可视水印的图像隐私保护方法

Info

Publication number: CN111050021A
Application number: CN201911301386.9A
Authority: CN
Inventors: 王�锋; 俞能海; 姚远志; 周赛
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2019-12-17
Filing date: 2019-12-17
Publication date: 2020-04-21

Abstract

本发明公开了一种基于二维码和可逆可视水印的图像隐私保护方法，包括：对原始图像进行去隐私信息处理，生成去隐私信息的图像和隐私信息，并对隐私信息进行加密处理；生成能够链接到加密的隐私信息的统一资源定位符，并将统一资源定位符编码成二维码后，对去隐私信息的图像进行可逆可视水印嵌入，获得载密图像；对于授权的图像接收方，能够从载密图像中提取出嵌入的二维码，进而得到加密的隐私信息，通过解密得到隐私信息，并进行隐私信息融合从而获得原始图像。该方法可以有效实现对隐私信息的访问权限控制，避免隐私泄露。

Description

基于二维码和可逆可视水印的图像隐私保护方法

技术领域

本发明涉及可逆信息隐藏技术领域，尤其涉及一种基于二维码和可逆可视水印的图像隐私保护方法。

背景技术

随着移动智能终端日益完善的拍摄功能和移动互联网的快速发展，采集数字图像并在网络上发布的成本变得更加低廉。用户在互联网中发布和分享自己拍摄的数字图像可以获得较好的用户体验。然而，伴随这类通信行为，用户的个人隐私信息也会面临泄露的风险。在移动通信应用程序(如微信和QQ等)发布图像时，很多用户会选择上传原图以获得视觉质量更好的体验效果。上传的原始图像往往带有拍摄时间、拍摄地点和详细描述等隐私信息，而具有强大计算能力的服务提供商可以根据大数据分析技术对用户进行画像。

因此，使用社交网络和移动通信应用程序发布图像的通信行为伴随着隐私信息泄露问题；然而，目前还没有较为有效的解决方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于二维码和可逆可视水印的图像隐私保护方法，可以有效实现对隐私信息的访问权限控制，避免隐私泄露。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于二维码和可逆可视水印的图像隐私保护方法，包括：

对原始图像进行去隐私信息处理，生成去隐私信息的图像和隐私信息，并对隐私信息进行加密处理；

生成能够链接到加密的隐私信息的统一资源定位符，并将统一资源定位符编码成二维码后，对去隐私信息的图像进行可逆可视水印嵌入，获得载密图像；

对于授权的图像接收方，能够从载密图像中提取出嵌入的二维码，进而得到加密的隐私信息，通过解密得到隐私信息，并进行隐私信息融合从而获得原始图像。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，将原始图像做去隐私信息处理，并将隐私信息处理为对应的二维码以可逆可视水印的方式嵌入至去隐私信息的图像中，使得只有授权的用户才能够得到隐私信息，并获得原始图像，实现对隐私信息的访问权限控制，避免隐私泄露。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于二维码和可逆可视水印的图像隐私保护方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的针对二维码的图像可逆可视水印嵌入方法的流程图；

图3为本发明实施例提供的二维码分区示意图；

图4为本发明实施例提供的实验中作为水印的二维码图像；

图5为本发明实施例提供的实验中使用的载体图像；

图6为本发明实施例提供的对载体图像Lena使用可逆可视水印算法生成的载密图像；

图7为本发明实施例提供的对载体图像Peppers使用可逆可视水印算法生成的载密图像；

图8为本发明实施例提供的载密图像Lena抵抗JPEG图像压缩攻击的鲁棒性；

图9为本发明实施例提供的载密图像Peppers抵抗JPEG图像压缩攻击的鲁棒性。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种基于二维码和可逆可视水印的图像隐私保护方法，用以解决用户在使用移动通信应用程序发布图像时的隐私泄露问题，如图1所示，其主要包括：

步骤1、对原始图像进行去隐私信息处理，生成去隐私信息的图像和隐私信息，并对隐私信息进行加密处理。

示例性的，本步骤可以由图像发送方来执行，图像发送方一般是原始图像的采集者。

本步骤的主要流程为：

步骤11、对原始图像进行隐私信息提取，生成去隐私信息的图像和隐私信息。

示例性的，所述隐私信息包括如下信息中的一种或多种：包括拍摄时间、拍摄地点和详细描述；所述详细描述包括原始图像采集者对图像的标注信息。

步骤12、使用加密密钥对隐私信息进行加密。

步骤13、将去隐私信息的图像和加密隐私信息向外发送。

步骤2、生成能够链接到加密的隐私信息的统一资源定位符，并将统一资源定位符编码成二维码后，对去隐私信息的图像进行可逆可视水印嵌入，获得载密图像。

示例性的，本步骤可以由云平台来执行，即云平台为上述步骤13中相关信息的接收方。

本步骤的主要流程为：

步骤21、云平台在存储服务器中管理接收到的加密隐私信息。

步骤22、生成能够链接到加密隐私信息的统一资源定位符。

步骤23、将统一资源定位符编码成二维码，并根据水印密钥将该二维码作为可视水印可逆地嵌入到去隐私信息图像中，获得载密图像。

为了平衡水印的可视性和载密图像的视觉质量，本发明实施例中，使用视觉感知模型选择合适的水印嵌入参数；下面给出一个优选的实施方式：

令x和w分别为8比特表达的载体图像(灰度的载体图像)和水印图像(二值水印图像)像素值，则可视水印嵌入模型表示为：

y＝(1-α')x+αw

其中，y是嵌入可视水印的载密图像像素值，α'∈[0,1]是控制水印嵌入强度的水印嵌入参数。

本发明实施例中，所述的载体图像为去隐私信息的图像，所述的水印图像为二维码。

可视水印可逆地嵌入到载体图像的步骤如图2所示，主要包括：

1)确定二维码分区。

如图3所示，二维码分为空白区域I_B、位置探测区域I_D和其他区域I_R，对三个不同的区域，选择不同的水印嵌入参数。

2)对于空白区域I_B，由于不影响二维码的识别，为了保证载密图像的视觉质量，直接选择水印嵌入参数α^B＝0，空白区域的载密图像像素值等于载体图像像素值：

y_p,q＝x_p,q

其中，(p,q)表示载体图像与载密图像对应于空白区域I_B中的位置点，x、y各自表示相应位置点处载体图像像素值、载密图像像素值。

3)对于位置探测区域I_D和其他区域I_R，将可视水印嵌入建模为嵌入参数在水印可视范围内的最小化嵌入失真问题；其中，对于位置探测区域I_D，需要考虑的二维码像素值范围为w_i,j∈{0,255}；对于其他区域I_R，由于白色像素不用于承担二维码编码信息和纠错信息，仅针对二维码像素为黑色的情况，即w_i,j＝0。在这两个区域下的嵌入失真表示为：

其中，(i,j)表示的是载体图像与载密图像对应于位置探测区域I_D及其他区域I_R中的位置点，ρ表示嵌入失真，x、y各自表示相应位置点处载体图像像素值、载密图像像素值，α表示相应位置点的水印嵌入参数。

本发明实施例中，采用视觉感知模型来评估水印的可视性，调用最小可察觉差值(JND，just noticeable difference)模型，载体图像像素x的最小可察觉差值阈值T_JND(x)表示为：

T_JND(x)＝L_A(x)+M_S(x)-γ·min{L_A(x),M_S(x)}

其中，γ是模型的参数，L_A(x)是亮度自适应可视性阈值，M_S(x)是空域掩模函数；

在嵌入二维码水印时，载体图像像素x的值会发生变化，当变化幅度在最小可察觉差值阈值T_JND(x)范围内时，人类视觉***无法感知到，存在最小的水印嵌入强度α_min，使得嵌入的水印可视，位置探测区域I_D和其他区域I_R的水印嵌入参数范围表示为：

α∈[α_min,1]

根据视觉感知模型，要使嵌入的水印被人眼所察觉，需要使水印嵌入前后的图像像素差值超过最小可察觉差值阈值T_JND(x)，优化目标为保证差值足够大的前提下使得嵌入失真尽可能的小。因此，则水印嵌入参数在可视范围内的最小化嵌入失真问题表示为：

minimizeρ_i,j(x_i,j,y_i,j)

subject to|y_i,j-x_i,j|≥T_JND(x_i,j)

y_i,j＝(1-α_i,j)x_i,j+α_i,jw_i,j

4)为了在提取嵌入的二维码后能够恢复出原始载体图像，将载密图像和载体图像的像素差值构成重构数据包P，表示为：

P＝{δ_m,n|δ_m,n＝y_m,n-x_m,n}

其中，(m,n)表示整个载体图像与载密图像中的位置点；

采用JBIG压缩算法对重构数据包P进行压缩，并使用传统可逆信息算法嵌入压缩后的重构数据包。

步骤3、对于授权的图像接收方，能够从载密图像中提取出嵌入的二维码，进而得到加密的隐私信息，通过解密得到隐私信息，并进行隐私信息融合从而获得原始图像。

本步骤的主要流程为：

步骤31、根据水印密钥提取载密图像中的二维码。

步骤32、根据解码二维码得到的统一资源定位符，从云平台的存储服务器中查询加密的隐私信息。

步骤33、使用加密密钥得到解密后的隐私信息，同时，载密图像中还嵌入了载密图像和载体图像的像素差值构成重构数据包，将重构数据包提取出来后，结合载密图像还原出去隐私信息的图像(也即载体图像)，并进行隐私信息融合从而获得原始图像。

本发明实施例中，非授权的用户即使获得嵌入二维码的载密图像，也无法得到与图像关联的隐私信息。

为了验证本发明提出的基于二维码和可逆可视水印的图像隐私保护方法的有效性，对针对二维码的图像可逆可视水印方法进行性能测试，并对该方案的安全性进行评估。

将针对二维码的图像可逆可视水印算法在MATLAB R2016a中实现，并选取Huang等人为QR码设计的可逆隐藏算法、Mohammad等人提出的块截断编码水印算法和Yao等提出的基于加密图像的可逆可视水印算法作对比。实验中二维码水印的编码信息为“Universityof Science and Technology of China”，左右两个二维码的尺寸分别为128×128和256×256，如图4所示。选取标准测试图像库里的六张图片作为测试图像，如图5所示，图像名称依次为Jetplane、Lena、Living room、Mandril、Peppers、Woman，并使用峰值信噪比PSNR和结构化相似度SSIM评价载密图像的视觉质量。

为了测试水印的可视性，分别为对载体图像Lena、Peppers使用可逆可视水印算法，结果如图6和图7所示。图6与图7中，(a)部分为Huang等人算法的结果，(b)部分为Mohammad等人算法的结果，(c)部分为Yao等人算法的结果，(d)部分为本发明的结果。从图6与图7可知，使用Mohammad等和Yao等提出的图像可逆可视水印算法在载体图像中嵌入水印后，无法识别嵌入的二维码。在使用Huang等提出的图像可逆可视水印生成的载密图像中，嵌入的二维码虽然可以被正确识别，但是嵌入的二维码完全地掩盖了水印嵌入区域的图像内容。本发明提出的算法致力于解决水印的可视性和载密图像的视觉质量之间的均衡分析问题，嵌入的二维码既可以被正确识别，同时也不会完全掩盖水印嵌入区域的图像内容，可以较好地兼顾水印的可视性和载密图像的视觉质量，为授权用户得到隐私信息提供必要的前提条件。

为了客观评价载密图像的视觉质量，分别对六张载体图像嵌入二维码尺寸为128×128、256×256的可逆可视水印，生成的载密图像的客观质量如表1和表2所示。粗体数字表示相应的图像可逆可视水印算法可以取得最好的载密图像质量。本发明提出的图像可逆可视水印算法在大多数情况下可以取得最好的载密图像视觉质量。

表1当载体图像为Lena且二维码的尺寸为128×128时使用不同可逆可视水印算法生成载密图像的客观质量

表2当载体图像为Peppers且二维码的尺寸为256×256时使用不同可逆可视水印算法生成载密图像的客观质量

图像隐私保护方案的安全性包括加密安全性和可视水印安全性。

本发明构建了图像发送方、云平台和图像接收方之间的数据安全流转通道，有效降低了隐私泄露的风险。对于图像发送方，需要对原始图像进行去隐私信息处理，并根据加密密钥对隐私信息进行加密，降低了与云平台通信过程中的隐私泄露。对于云平台，隐私信息处于加密状态，云平台在没有加密密钥的情况下无法得到解密的隐私信息。即使获得嵌入二维码的载密图像，由于没有正确的加密密钥，非授权用户无法得到与图像关联的隐私信息。

水印的鲁棒性是十分有益的性质。基于本发明实施例的方案，进行抵抗JPEG图像压缩攻击的鲁棒性测试。

图8描述了当载体图像为Lena且嵌入的二维码的尺寸为128×128时生成的载密图像抵抗JPEG图像压缩攻击特性的鲁棒性，QF(quality factor)为JPEG压缩的质量因子。其中，(a)QF＝85，PSNR＝27.589dB，二维码尺寸为128×128，可识别；(b)QF＝65，PSNR＝27.376dB，二维码尺寸为128×128，可识别；(c)QF＝45，PSNR＝27.213dB，二维码尺寸为128×128，可识别；(d)QF＝25，PSNR＝26.967dB，二维码尺寸为128×128，可识别。

图9描述了当载体图像为Peppers且嵌入的二维码的尺寸为256×256时生成的载密图像抵抗JPEG图像压缩攻击特性的鲁棒性。其中，(a)QF＝85，PSNR＝20.914dB，二维码尺寸为256×256，可识别；(b)QF＝65，PSNR＝20.858dB，二维码尺寸为256×256，可识别；(c)QF＝45，PSNR＝20.832dB，二维码尺寸为256×256，可识别；(d)QF＝25，PSNR＝20.819dB，二维码尺寸为256×256，可识别。

实验表明，本发明提出的图像隐私保护方案具有抵抗JPEG图像压缩的鲁棒性，在一定程度的恶意攻击环境下仍然可以发挥作用。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可以通过软件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims

1.一种基于二维码和可逆可视水印的图像隐私保护方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于二维码和可逆可视水印的图像隐私保护方法，其特征在于，所述隐私信息包括如下信息中的一种或多种：包括拍摄时间、拍摄地点和详细描述；

所述详细描述包括原始图像采集者对图像的标注信息。

3.根据权利要求1所述的一种基于二维码和可逆可视水印的图像隐私保护方法，其特征在于，所述生成能够链接到加密的隐私信息的统一资源定位符，并将统一资源定位符编码成二维码后，对去隐私信息的图像进行可逆可视水印嵌入，获得载密图像的执行主体包括云平台；

云平台先将加密的隐私信息存储在存储服务器中，再生成能够链接到加密的隐私信息的统一资源定位符。

4.根据权利要求1所述的一种基于二维码和可逆可视水印的图像隐私保护方法，其特征在于，授权的图像接收方提取出嵌入的二维码后，通过解码能够得到统一资源定位符，从而得到加密的隐私信息。

5.根据权利要求1所述的一种基于二维码和可逆可视水印的图像隐私保护方法，其特征在于，

令x和w分别为8比特表达的载体图像和水印图像像素值，则可视水印嵌入模型表示为：

y＝(1-α')x+αw

其中，y是嵌入可视水印的载密图像像素值，α'∈[0,1]是控制水印嵌入强度的水印嵌入参数；

所述的载体图像为去隐私信息的图像，所述的水印图像为二维码。

6.根据权利要求1或5所述的一种基于二维码和可逆可视水印的图像隐私保护方法，其特征在于，可逆可视水印嵌入的步骤包括：

确定二维码分区，二维码分为空白区域I_B、位置探测区域I_D和其他区域I_R，对三个不同的区域，选择不同的水印嵌入参数；

对于空白区域I_B，选择水印嵌入参数α^B＝0，空白区域的载密像素值等于载体像素值：

y_p,q＝x_p,q

其中，(p,q)表示载体图像与载密图像对应于空白区域I_B中的位置点，x、y各自表示相应位置点处载体图像像素值、载密图像像素值；所述的载体图像即为去隐私信息的图像；

对于位置探测区域I_D和其他区域I_R，将可视水印嵌入建模为嵌入参数在水印可视范围内的最小化嵌入失真问题；其中，对于位置探测区域I_D，二维码像素范围为w_i,j∈{0,255}；对于其他区域I_R，仅针对二维码像素为黑色的情况，即w_i,j＝0，在这两个区域下的嵌入失真表示为：

其中，(i,j)表示的是载体图像与载密图像对应于位置探测区域I_D及其他区域I_R中的位置点，ρ表示嵌入失真，x、y各自表示相应位置点处载体图像像素值、载密图像像素值，α表示相应位置点的水印嵌入参数；

采用视觉感知模型来评估水印的可视性，调用最小可察觉差值模型，载体图像像素值x的最小可察觉差值阈值T_JND(x)表示为：

T_JND(x)＝L_A(x)+M_S(x)-γ·min{L_A(x),M_S(x)}

在嵌入二维码水印时，载体图像像素值x会发生变化，当变化幅度在最小可察觉差值阈值T_JND(x)范围内时，人类视觉***无法感知到，存在最小的水印嵌入强度α_min，使得嵌入的水印可视，位置探测区域I_D和其他区域I_R的水印嵌入参数范围表示为：

α∈[α_min,1]

根据视觉感知模型，要使嵌入的水印被人眼所察觉，需要使水印嵌入前后的图像像素差值超过最小可察觉差值阈值T_JND(x)，则水印嵌入参数在可视范围内的最小化嵌入失真问题表示为：

minimize ρ_i,j(x_i,j,y_i,j)

subject to|y_i,j-x_i,j|≥T_JND(x_i,j)

y_i,j＝(1-α_i,j)x_i,j+α_i,jw_i,j

将载密图像和载体图像的像素差值构成重构数据包P，表示为：

P＝{δ_m,n|δ_m,n＝y_m,n-x_m,n}

其中，(m,n)表示整个载体图像与载密图像中的位置点；

7.根据权利要求1所述的一种基于二维码和可逆可视水印的图像隐私保护方法，其特征在于，所述对于授权的图像接收方，能够从载密图像中提取出嵌入的二维码，进而得到加密的隐私信息，通过解密得到隐私信息，并进行隐私信息融合从而获得原始图像包括：

对于授权的图像接收方根据水印密钥提取载密图像中的二维码；

根据解码二维码得到的统一资源定位符，进而得到加密的隐私信息；

使用加密密钥得到解密后的隐私信息，同时，载密图像中还嵌入了载密图像和载体图像的像素差值构成重构数据包，将重构数据包提取出来后，结合载密图像还原出去隐私信息的图像，并进行隐私信息融合从而获得原始图像。