CN112529974A - 一种二值图像的彩色视觉密码共享方法和装置 - Google Patents

一种二值图像的彩色视觉密码共享方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种二值图像的彩色视觉密码共享方法和装置。该方法包括：确定二值图像S以及(k,n)阈值存取结构的最小授权集；从最小授权集中任意选择一个元素，记作Q；对Q中元素所对应的共享份进行赋值；输出n份共享份。本发明设计的(k,n)阈值彩色视觉密码共享方法，不仅没有尺寸扩张，而且还提高了重构图像的视觉质量。

Description

一种二值图像的彩色视觉密码共享方法和装置
技术领域
本发明涉及多媒体信息安全技术领域，更具体地，涉及一种二值图像的彩色视觉密码共享方法和装置。
背景技术
视觉密码(Visual Cryptography，VC)共享技术是将一幅二值图像按像素进行编码得到若干个类随机噪声的子图像(也称为共享份)，从单个共享份中不能得到有关秘密图像的任何信息。视觉密码技术的解密方式非常简单，只需将一定数目的共享份打印至透明胶片上并进行物理叠加，然后通过人类视觉***就可以直接辨认出秘密图像。由于视觉密码共享技术的理论安全性和解密方式的便捷性，其应用前景非常广阔。尺寸扩张和对比度是评价视觉密码共享方法的两个主要指标，尺寸扩张是指共享份与秘密图像的尺寸大小比例，对比度是指重构图像相对于秘密图像的视觉质量。较大的尺寸扩张会增加共享份的存储空间和传输负担，较低的对比度会影响人类视觉***对重构图像的辨别。
为了减小共享份的尺寸扩张，不少学者对减小尺寸扩张的视觉密码共享方法进行了深入的研究，提出了多种方法，例如，基于概率的视觉密码共享方法和基于随机网格的视觉密码共享方法。又如，二值图像的彩色视觉密码共享方法(简称CBW-VCS)，该方法是对一幅二值图像进行编码生成若干个彩色共享份，但是该方法需要设计编码矩阵，而且具有尺寸扩张的问题。为此，有学者提出了基于随机网格的彩色视觉密码共享方法(简称RG-CBW-VCS)。该方法虽然实现了无尺寸扩张，但其重构图像的视觉质量较差，有待进一步提高。
传统的视觉密码方法都是基于两个布尔基矩阵完成的，设计基矩阵是传统方法的难点。为了避免设计基矩阵，有学者提出了一种基于随机网格的(k，n)阈值视觉密码共享方法，简记为(k，n)-RGVCS，具体步骤如下：
输入：大小为H×W的秘密图像S。
输出：n个共享份S1，S2，…，Sn。
(1)对于秘密图像S的每个像素S(h，w)，重复步骤2-4，其中1≤h≤H，1≤w≤W。
(2)随机从集合{0，1}中取n个值，分别记为v1，…，vn。如果
Figure BDA0002815876870000021
转步骤3；否则，从{1，2，…，k}中任取一个数i，令vi＝1-vi。
(3)对v1，…，vn进行置换操作得到
Figure BDA0002815876870000022
(4)将
Figure BDA0002815876870000023
分配给对应的共享份
Figure BDA0002815876870000024
其中{i1，…，in}＝{1，2，…，n}。
(5)得到n个共享份(或随机网格)S1，…，Sn。
在秘密图像恢复阶段，只需从n个共享份中任意选择k个共享份，然后将这k个共享份打印在透明胶片上，最后对它们进行物理上的叠加便可解密出秘密图像。在图像的加密和解密阶段，存在信息损失，重构图像的视觉质量较低。
此外，论文″Random grid based color visual cryptography scheme forblack and white secret images with general access structures″(SignalProcessing：Image Communication 75(2019)100-110，Xiaotian Wu和Zhao-Rong Lai)，首先将随机网格的概念扩展到彩色像素域，并定义了彩色像素域的异或运算。然后，基于彩色像素域的随机网格，提出了一种二值图像的彩色视觉密码共享方法；该方法不仅适用于一般存取结构，同时也适用于广义的一般存取结构。然而，由于该方法采用随机网格进行图像共享，因此重构图像的视觉质量尚有提升的空间。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种二值图像的彩色视觉密码共享方法和装置，针对(k，n)RG-CBW-VCS，进一步提高了重构图像的视觉质量。
根据本发明的第一方面，提供一种二值图像的彩色视觉密码共享方法。该方法包括：确定二值图像S以及(k,n)阈值存取结构的最小授权集；从最小授权集中任意选择一个元素，记作Q；对Q中元素所对应的共享份进行赋值；输出n份共享份。
根据本发明的第二方面，提供一种二值图像的彩色视觉密码共享装置。该装置包括：输入单元，其用于输入二值图像S以及(k,n)阈值存取结构的最小授权集；元素选择单元，其用于从最小授权集中任意选择一个元素，记作Q；赋值单元，其用于对Q中元素所对应的共享份进行赋值；输出单元，其用于输出n份共享份。
与现有技术相比，本发明的优点在于，针对(k,n)阈值存取结构，本发明设计了一种彩色视觉密码共享方法和***，可以有效地提高重构图像的视觉质量，并保持了无尺寸扩张和***书设计的优点。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1是根据本发明一个实施例的二值图像的彩色视觉密码共享方法的流程图；
图2是根据本发明一个实施例的实验结果。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
参见图1所示，本发明提供的二值图像的彩色视觉密码共享方法总体包括：步骤S110，输入二值图像S以及(k，n)阈值存取结构的最小授权集；步骤S120，从最小授权集中任意选择一个元素，记作Q；步骤S130，对Q中元素所对应的共享份进行赋值；步骤S140，输出n个彩色共享份。具体过程如下：
输入：一幅大小为H×W的二值图像S，以及(k，n)阈值存取结构的最小授权集合Γ0＝{Q1，…，Qm}，其中
Figure BDA0002815876870000048
输出：n份彩色共享份S1，…，Sn。
步骤S11，对于秘密图像S的每个像素S(h，w)，重复步骤S12-17，其中1≤h≤H，1≤w≤W。
步骤S12，从Γ0中任意选择一个元素Qj＝{i1，…，ik}，其中{i1，…，ik}是参与者的编号，以及1≤j≤m。
步骤S13，从颜色集合
Figure BDA0002815876870000049
中任意选择(k-1)个，并分配给彩色像素
Figure BDA0002815876870000041
其中，颜色集合中符号对应预定的颜色类型，例如，R表示红色，B表示蓝色，
Figure BDA00028158768700000410
表示白色等。
步骤S14，通过
Figure BDA0002815876870000042
得到彩色像素rk，其中
Figure BDA0002815876870000043
表示布尔异或运算。
步骤S15，将这k个彩色像素
Figure BDA0002815876870000044
分别分配给对应的k个共享份
Figure BDA0002815876870000045
步骤S16，对于剩下的(n-k)个彩色像素
Figure BDA0002815876870000046
其值分别从
Figure BDA0002815876870000047
中随机取得，其中{q1，…，qn-k}＝{1，2，…，n}-{i1，…，ik}。
可选地，
Figure BDA0002815876870000051
都赋于白色像素。
步骤S17，将这(n-k)个彩色像素
Figure BDA0002815876870000052
分别分配给对应的(n-k)个共享份
Figure BDA0002815876870000053
步骤S18，得到n份彩色共享份S1,…,Sn。
在上述过程中，步骤S13和S14中计算彩色像素
Figure BDA0002815876870000054
的方式，结合步骤S16中对彩色像素
Figure BDA0002815876870000055
的赋值，使本发明有效提高了重构图像的视觉质量，并且，在无需设计基矩阵的情况下，得到了无尺寸扩张的共享份。
为进一步验证本发明的可行性，使用含有字母“SIAT”的图像作为(2,4)RG-CBW-VCS的实验对象，实验结果如图2所示，其中(a)是秘密图像，(b)-(e)是共享份，(f)-(k)是任意2个共享份的重构图像，(l)-(o)是任意3个共享份的重构图像，(p)是全部共享份的重构图像。由图1的实验模拟结果可知，本发明能够获得较高质量的重构图像。
此外，本发明与现有技术(Random grid based color visual cryptographyscheme for black and white secret images with general access structures)的对比度比较结果如下表1。
表1本发明与现有技术的对比度比较结果
Figure BDA0002815876870000056
由表1可知，本发明的对比度明显提高了，因此有效提高了重构图像的视觉质量。
综上，针对二值图像的彩色视觉密码共享方法，本发明得到无尺寸扩张的共享份，无需设计共享矩阵，并且提高了重构图像的视觉质量。本发明的彩色图像视觉密码共享方法可用于身份认证、数字水印等。
本发明可以是***、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本发明的各个方面的计算机可读程序指令。
计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是――但不限于――电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所使用的计算机可读存储介质不被解释为瞬时信号本身，诸如无线电波或者其他自由传播的电磁波、通过波导或其他传输媒介传播的电磁波(例如，通过光纤电缆的光脉冲)、或者通过电线传输的电信号。
这里所描述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到各个计算/处理设备，或者通过网络、例如因特网、局域网、广域网和/或无线网下载到外部计算机或外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光纤传输、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或者网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并转发该计算机可读程序指令，以供存储在各个计算/处理设备中的计算机可读存储介质中。
用于执行本发明操作的计算机程序指令可以是汇编指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、或者以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码，所述编程语言包括面向对象的编程语言—诸如Smalltalk、C++等，以及常规的过程式编程语言—诸如“C”语言或类似的编程语言。计算机可读程序指令可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络—包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。在一些实施例中，通过利用计算机可读程序指令的状态信息来个性化定制电子电路，例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA)，该电子电路可以执行计算机可读程序指令，从而实现本发明的各个方面。
这里参照根据本发明实施例的方法、装置(***)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本发明的各个方面。应当理解，流程图和/或框图的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合，都可以由计算机可读程序指令实现。
这些计算机可读程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理装置的处理器，从而生产出一种机器，使得这些指令在通过计算机或其它可编程数据处理装置的处理器执行时，产生了实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的装置。也可以把这些计算机可读程序指令存储在计算机可读存储介质中，这些指令使得计算机、可编程数据处理装置和/或其他设备以特定方式工作，从而，存储有指令的计算机可读介质则包括一个制造品，其包括实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的各个方面的指令。
也可以把计算机可读程序指令加载到计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上，使得在计算机、其它可编程数据处理装置或其它设备上执行一系列操作步骤，以产生计算机实现的过程，从而使得在计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上执行的指令实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作。
附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的***、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或指令的一部分，所述模块、程序段或指令的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的***来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。对于本领域技术人员来说公知的是，通过硬件方式实现、通过软件方式实现以及通过软件和硬件结合的方式实现都是等价的。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种二值图像的彩色视觉密码共享方法，包括：
确定二值图像S以及(k，n)阈值存取结构的最小授权集；
从最小授权集中任意选择一个元素，记作Q；
对Q中元素所对应的共享份进行赋值；
输出n份共享份。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于大小为H×W的二值图像S，以及(k，n)阈值存取结构的最小授权集合Γ0＝{Q1，...，Qm}，执行以下步骤，以输出n份彩色共享份S1，...，Sn，其中
Figure FDA0002815876860000011
k、n均为大于等于2的整数：
步骤S1，对于图像S的每个像素S(h，w)，重复步骤S2-S7，其中1≤h≤H，1≤w≤W；
步骤S2，从Γ0中任意选择一个元素Qj＝{i1，...，ik}，其中{i1，...，ik}是参与者的编号，1≤j≤m；
步骤S3，从颜色集合
Figure FDA00028158768600000112
中任意选择(k-1)个，并分配给彩色像素
Figure FDA0002815876860000012
步骤S4，通过
Figure FDA0002815876860000013
得到彩色像素rk，其中
Figure FDA0002815876860000014
表示布尔异或运算；
步骤S5，将获得的k个彩色像素
Figure FDA0002815876860000015
分别分配给对应的k个共享份
Figure FDA0002815876860000016
步骤S6，对于剩下的(n-k)个彩色像素
Figure FDA0002815876860000017
其值分别从
Figure FDA0002815876860000018
中随机取得，其中{q1，...，qn-k}＝{1，2，...，n}-{i1，...，ik}；
步骤S7，将这(n-k)个彩色像素
Figure FDA0002815876860000019
分别分配给对应的(n-k)个共享份
Figure FDA00028158768600000110
3.根据权利要求2所述的方法，其中，对步骤S6中的
Figure FDA00028158768600000111
都赋于白色像素。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括对加密的S图像根据以下步骤进行解密：
从n份共享份中任意选择k个共享份；
将该k个共享份打印在透明胶片上；
将所打印的k个共享份进行物理上的叠加，进而解密出秘密图像。
5.一种二值图像的彩色视觉密码共享装置，包括：
输入单元：用于输入二值图像S以及(k，n)阈值存取结构的最小授权集；
元素选择单元：用于从最小授权集中任意选择一个元素，记作Q；
赋值单元：用于对Q中元素所对应的共享份进行赋值；
输出单元：用于输出n份共享份。
6.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中，该程序被处理器执行时实现根据权利要求1至4中任一项所述方法的步骤。
7.一种计算机设备，包括存储器和处理器，在所述存储器上存储有能够在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1至4中任一项所述的方法的步骤。
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