CN113382128B - 一种位平面压缩的加密图像可逆信息隐藏方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种位平面压缩的加密图像可逆信息隐藏方法。对于图像拥有者，首先，对原始图像实施中值边缘检测预测以获得预测误差；其次，利用自适应选择方法计算位平面压缩空间；然后，选择可用的位平面进行自适应可变长块编码对图像块进行编码；最后，生成加密连接信息流并发送给信息隐藏者。对于信息隐藏者，其用隐藏秘钥加密秘密信息并将秘密信息嵌入到所腾出的冗余空间以获得含秘图像。对于接收者，若其拥有加密秘钥，可以通过解密获取原始图像；若其拥有隐藏秘钥，则可以用来解密并获取秘密信息；若其同时含有两种秘钥，则可以同时解密原始图像和秘密信息。与其他现有的相关工作比较，本发明提出的方案在嵌入容量具有较为优越的性能。

Description

一种位平面压缩的加密图像可逆信息隐藏方法

技术领域

本发明属于信息安全之图像内容安全领域，具体涉及一种自适应位平面压缩的加密图像的可逆信息隐藏方法。

背景技术

正在全球展开的信息和信息技术革命，正以前所未有的方式对社会变革的方向起着决定作用，其结果必定导致信息社会在全球的实现。首先，在生产活动的范围广泛的工作过程中，引入了信息处理技术，从而使这些部门的自动化达到一个新的水平；其次，电讯与计算机***合而为一，可以在几秒钟内将信息传递到全世界的任何地方，从而使人类活动各方面表现出信息活动的特征；最后，信息和信息机器成了一切活动的积极参与者，甚至参与了人类的知觉活动、概念活动和原动性活动。然而，人们在信息变革时代网络病毒、特洛伊木马和非法组织都对信息的安全构成了严重的威胁。因此，信息在传输过程中的安全性变得尤为重要。

信息隐藏是信息安全研究领域与密码技术紧密相关的一大分支，将秘密信息隐藏到看上去普通的信息(如数字图像)中进行传送，能够有效防止信息泄露。基于数字图像的信息隐藏技术通过略微的修改原始图像的像素值来将信息藏入图像载体，而未经授权的第三方无法察觉图像变化。虽然，经过信息隐藏的载体图像相较于原始图像会有一定程度的失真，但是人的肉眼还是无法轻易发现，能够有效避免吸引非法窃取者的注意。而可逆信息隐藏作为信息隐藏的重要分支被广泛应用在军事、医疗领域。而加密图像的可逆信息隐藏技术为了解决了原始图像暴露的问题，在嵌入秘密信息之前先对原始图像进行加密，进一步对原始图像进行了保护。

为了在保持加密图像安全的情况下，提高加密图像携带秘密信息的能力。本发明提出了一种位平面压缩的加密图像可逆信息隐藏方法。

发明内容

本发明提出了一种位平面压缩的加密图像可逆信息隐藏方法。对于图像拥有者，首先，对原始图像实施中值边缘检测预测以获得预测误差；其次，利用自适应选择方法计算位平面压缩空间；然后，选择可用的位平面进行自适应可变长块编码对图像块进行编码；最后，生成加密连接信息流并发送给信息隐藏者。对于信息隐藏者，其用隐藏秘钥加密秘密信息并将秘密信息嵌入到所腾出的冗余空间以获得含秘图像。对于接收者，若其拥有加密秘钥，可以通过解密获取原始图像；若其拥有隐藏秘钥，则可以用来解密并获取秘密信息；若其同时含有两种秘钥，则可以同时解密原始图像和秘密信息。与其他现有的相关工作比较，本发明提出的方案在嵌入容量具有较为优越的性能。

本发明的技术方案步骤如下：

一种位平面压缩的加密图像可逆信息隐藏方法，用于在图像拥有者、信息隐藏者及接收者之间进行秘密通讯，其具体步骤如下：

S1：图像拥有者使用中值边缘检测预测对原始图像进行预测以获得预测误差；

S2：图像拥有者使用自适应的可变长块编码方法计算预测误差的所有位平面压缩空间；

S3：根据各个位平面的压缩空间进行位平面自适应压缩，并获得信息流；

S4：根据加密秘钥，对信息流进行加密，并将加密信息流发送给信息隐藏者；

S5：信息隐藏者将加密信息嵌入到可嵌入空间中，以获得含秘加密图像并发送给接收者；

S6：接收者从收到的含秘加密图像中提取秘密信息和恢复原始图像。

作为优选，所述S1中，图像拥有者使用中值边缘检测预测对原始图像进行预测以获得预测误差的方法如下：

S11：将大小为M×N的原始图像I_o的首行和首列像素作为种子像素来预测其他像素，公式如下：

其中，x_(i,j)表示原始图像I_o在坐标(i,j)上的像素值，而

为在坐标(i,j)上的预测值，max()表示取括号中元素的最大值；

S12：图像拥有者在获得像素的预测值之后，计算预测误差，公式如下；

其中，ex_(i,j)表示在坐标(i,j)上的预测误差值；

S13：将预测误差值划分成9个位平面，其中8个位平面为数值位平面，另外1个位平面为符号位平面，公式如下：

式中：

表示向下取整，/>

表示预测误差ex_(i,j)的第k个数值位平面，es_(i,j)为预测误差ex_(i,j)的符号位平面。

作为优选，所述S2中，图像拥有者使用自适应的可变长块编码方法计算预测误差的所有位平面压缩空间的方法如下：

S21：将预测误差的数值位平面切分为三个层级的块，最高的第一个层级的块大小为W_o×W_o，第二个层级的块大小为W_o/2×W_o/2，最低的第三个层级的块大小为W_o/4×W_o/4；预测误差的数值位平面首先被全部切分为第一个层级的块，然后对每一个块进行平滑度判断，若平滑度不满足要求则将当前的块切分为4个下一层级的块，对新产生的块也进行平滑度判断，若平滑度不满足要求则也需要切分为4个下一层级的块；所述平滑度判断的方法为：若任意一个层级的块内比特值为1的粗糙比特个数n¹高于该层级的平滑度门槛值，则将其切为低一级的块；每一个层级的平滑度门槛T计算公式如下：

其中，(W)²表示当前计算的层级的块大小；

统计最终划分完毕的数值位平面中三个层级的块数量，并确定每个层级的块所需的块间标记信息长度，属于第一个层级的块用1个比特记录块间标记信息，其他层级的块用2个比特记录块间标记信息，进而统计得到每个数值位平面的块间标记信息总长度b₁；

S22：基于划分完毕的不同大小的图像块，分别统计其块内的粗糙比特个数n¹，若其个数n¹为零，则分配1个比特用于后续记录其块类型；若n¹介于零与该块对应层级的平滑度门槛值之间，则分配2个比特用于后续记录其块类型，并记录其内部结构信息；若n¹大于该块对应层级的平滑度门槛值，则用2个比特记录其块类型，并记录块内所有原始比特信息；最终统计得到每个数值位平面中用于后续记录块类型的块内标记信息总长度b₂；

S23：根据块间标记信息的长度b₁，块内标记信息的长度b₂和内部结构信息流I_s的长度s，计算出每个数值位平面的可用空间S_k，公式如下：

S_k＝M×N-b₁-b₂-s。

作为优选，所述内部结构信息由p比特的n¹的二进制信息和

比特的n¹个粗糙比特的相对位置信息构成，p和q_i的计算公式如下：

式中:z_i-1表示第i-1个粗糙比特位的索引位置。

作为优选，所述S3中，根据各个位平面的压缩空间进行位平面自适应压缩，并获得信息流的方法如下：

S31：根据数值位平面的可用空间S_k，获得位平面标识信息g_k，其公式如下：

其中，g_k＝1标识该数值位平面为可用位平面，g_k＝0标识该数值位平面为不可用位平面；

S32：对于可用位平面(ex^k,g_k＝1)内的块，若属于第一个层级的块由“0”标记形成块间标记信息，而第二个层级的块和第三个层级的块依次由“10”和“11”标记形成块间标记信息，每个块均完成标记后生成块间标记流l_b，对于不可用位平面(ex^k,g_k＝0)，保留整个位平面；

S33：对于可用位平面(ex^k,g_k＝1)内的所有层级的块，统计其块内比特值为1的粗糙比特个数n¹，若n¹个数为零则由“0”标记形成块内标记信息，若n¹介于零与门槛值之间则由“10”标记形成块内标记信息，若n¹大于门槛值则由“11”标记，每个块均完成标记后生成块内标记流l_sb；

S34：对于块内标记流l_sb中标记为“10”的块，将n¹值转化为p比特的二进制信息流，并将n¹比特的相对位置信息t_i转化为q_i比特的二进制信息流，对于块内标记流l_sb中标记为“11”的块，记录所有的原始块内二进制信息，其中相对位置信息t_i的公式如下：

式中，z_i为块内第i个粗糙比特位的索引位置。

作为优选，所述S4中，根据加密秘钥，对信息流进行加密，并将加密信息流发送给信息隐藏者的方法如下：

S41：将生成块间标记流l_b、块内标记流l_sb、内部结构信息流I_s、位平面标识信息g_k、符号位平面es_(i,j)、种子像素以及不可用位平面(ex^k,g_k＝0)组合成长度为c的连接信息流I_c；

S42：根据加密秘钥K_e对生成的连接信息流I_c进行加密，得到加密连接信息流，公式如下：

式中：

r^h分别为加密连接信息流e_c、原始连接信息流I_c以及加密秘钥K_e的第h位，/>

表示异或操作；

S43：图像拥有者将加密连接信息流发送给信息隐藏者。

作为优选，所述S5中，信息隐藏者将加密信息嵌入到可嵌入空间中，以获得含秘加密图像并发送给接收者的方法如下：

S51：根据接收到的加密连接信息流的长度计算出可用嵌入空间M×N×8-c；

S52：根据信息隐藏秘钥K_h对原始秘密信息S_secret实施加密，得到加密秘密信息；

S53：将加密的秘密信息嵌入到位平面的可用空间，生成含秘加密图像；

S54：信息隐藏者将含秘加密图像发送给接收者。

作为优选，所述S6中，接收者从收到的含秘加密图像中提取秘密信息和恢复原始图像的方法如下：

S61：若接收者拥有图像加密秘钥K_e，则读取加密连接信息流e_c并解密出原始的连接信息流I_c，分解信息流得到块间标记流l_b、块内标记流l_sb、内部结构信息流I_s、位平面标识信息g_k、符号位平面es_(i,j)以及可用位平面(ex^k，g_k＝0)，从而恢复预测误差位平面，并根据种子像素信息恢复原始图像I_o；

S62：若接收者拥有信息隐藏秘钥K_h，取出加密的秘密信息并解码，获得秘密信息S_secret；

S63：若接收者同时拥有信息隐藏秘钥K_h和图像加密秘钥K_e，则同时使用S61和S62提取秘密信息S_secret及恢复原始图像I_o。

一种位平面压缩的加密图像可逆信息隐藏方法，用于在图像拥有者、信息隐藏者及接收者之间进行秘密通讯，其具体步骤如下：

S1：图像拥有者使用中值边缘检测预测对原始图像进行预测以获得预测误差；

S2：图像拥有者使用自适应选择方法计算位平面压缩空间；

S3：根据各个位平面的压缩空间进行位平面自适应压缩，并获得信息流；

S4：根据加密秘钥，对信息流进行加密，并将加密信息流发送给信息隐藏者；

S5：信息隐藏者将加密信息嵌入到可嵌入空间中，以获得含秘加密图像并发送给接收者；

S6：接收者从收到的含秘加密图像中提取秘密信息和恢复原始图像。

作为优选，所述S1中，图像拥有者使用中值边缘检测预测对原始图像进行预测以获得预测误差的方法如下：

S11：将大小为M×N的原始图像I_o的首行和首列像素作为种子像素来预测其他像素，公式如下：

其中，x_(i,j)表示原始图像I_o在坐标(i,j)上的像素值，而

为对应位置上的预测值。

S12：图像拥有者在获得像素的预测值之后，计算预测误差，公式如下；

其中，ex_(i,j)表示在坐标(i,j)上的预测误差值。

S13：将预测误差值划分成9个位平面，其中8个位平面为数值位平面，另外1个位平面为符号位平面，公式如下：

作为优选，所述S2中，图像拥有者使用自适应选择方法计算位平面压缩空间的方法如下：

S21：对于数值位平面，根据其平滑度将其切分为三个层级的块，第一个层级的大小为W_o×W_o，而第二个层次块和第三个层次块的大小依次为W_o/4×W_o/4和W_o/16×W_o/16，若较高层级块内比特值为1的粗糙比特个数n¹高于门槛值则将其切为下一个层次块，属于第一层级的块即用1个比特记录，否则由2个比特记录，得到每个位平面的块间标记信息的长度b₁，判断平滑度的门槛的公式如下：

其中，若第一个层级块中的粗糙比特个数大于门槛值则将其切分成4个第二层级块，若第二个层级块中任一个块内粗糙比特个数大于门槛值则全部切分为第三个层次块。此外，平滑度门槛值公式中的W根据块的大小不同而取不同值。

S22：基于划分好的不同大小的图像块，分别统计其块内的粗糙比特个数n¹，若其个数为零则用1个比特进行记录其块类型，若其介于零与门槛值之间则用2个比特进行记录其块类型，并记录其内部结构信息s，若其大于门槛值则则用2个比特进行记录其块类型，并记录块内所有原始比特信息，得到每个位平面的块内标记信息的长度b₂；

其中，内部结构信息计算公式如下，其由p比特的n¹的二进制信息和

比特的n¹个粗糙比特的相对位置信息构成，公式中的T和W根据块大小不同取值不同，且由于上一步骤已经进行分块，所以粗糙比特个数大于门槛值的情况仅发生在第三级块。

S23：根据块间标记信息的长度b₁，块内标记信息的长度b₂和内部结构信息流I_s的长度，计算出每个数值位平面可用空间S_k，公式如下：

S_k＝M×N-b₁-b₂-s

作为优选，所述S3中，根据各个位平面的压缩空间进行位平面自适应压缩，并获得信息流的方法如下：

S31：根据数值位平面的可用空间S_k，获得位平面标识信息g_k，其公式如下：

其中，g_k＝1标识该位平面为可用位平面，g_k＝0标识该位平面为不可用位平面；

S32：对于可用位平面ex^k，g_k＝1内的块，若属于第一个层级的块由“0”标记，而第二个层次块和第三个层次块的大小依次由“10”和“11”标记，生成块间标记流_b，对于不可用位平面ex^k，g_k＝0，保留整个位平面；

S33：对于可用位平面ex^k，g_k＝1内的所有层级的块，统计其块内其值为1的粗糙比特个数n¹，若其个数为零则由“0”标记，若其介于零与门槛值之间则由“10”标记，若其大于门槛值则由“11”标记，生成块内标记流l_sb；

S34：对于块内标记流l_sb中标记为“10”的块，将n¹值转化为p比特的二进制信息流，并将n¹比特的相对位置信息t_i转化为q_i比特的二进制信息流，对于块内标记流l_sb中标记为“11”的块，记录所有的原始块内二进制信息，相对位置信息t_i的公式如下：

其中，z_i为块内的索引位置。

作为优选，所述S4中，根据加密秘钥，对信息流进行加密，并将加密信息流发送给信息隐藏者的方法如下：

S41：将生成块间标记流l_b，块内标记流l_sb，内部结构信息流I_s，位平面标识信息g_k，符号位平面es_(i，j)，种子像素，不可用位平面ex^k，g_k＝0组合成长度为c的连接信息流I_c；

S42：根据加密秘钥K_e对生成的连接信息流I_c进行加密，公式如下：

S43：将加密连接信息流发送给信息隐藏者。

作为优选，所述S5中，信息隐藏者将加密信息嵌入到可嵌入空间中，以获得含秘加密图像并发送给接收者的方法如下：

S51：根据接收到的加密连接信息流的长度计算出可用嵌入空间M×N×8-c；

S52：根据信息隐藏秘钥K_h对原始秘密信息S_secret实施加密，得到加密秘密信息；

S53：将加密的秘密信息嵌入到可用空间，生成含秘加密图像；

S54：将含秘加密图像发送给接收者。

作为优选，所述S6中，接收者接收者从收到的含秘加密图像中提取秘密信息和恢复原始图像的方法如下：

S61：若接收者拥有图像加密秘钥K_e，取出加密的连接信息流I_c，分解信息流；根据块间标记流l_b，块内标记流l_sb，内部结构信息流I_s，位平面标识信息g_k，符号位平面es_(i，j)，可用位平面ex^k,g_k＝0恢复预测误差位平面，并根据种子像素信息恢复原始图像I_o；

S62：若接收者拥有信息隐藏秘钥K_h，取出加密的秘密信息并解码，获得秘密信息S_secret；

S63：若接收者同时拥有信息隐藏秘钥K_h和图像加密秘钥K_e，则同时使用S61和S62提取秘密信息S_secret及恢复原始图像I_o。

相对于现有技术，本发明的优点和有益效果在于：

本发明在确保加密图像安全的前提下，提出了一种位平面压缩的加密图像可逆信息隐藏方法，存在的有益效果主要如下：(1)充分发挥预测误差位平面的特性，进行压缩；(2)使用自适应的方法进行块切分，有利于发挥图像块的特性；(3)与其他现有的相关工作比较，本发明的方案存在较为优越的性能，具有高隐藏容量。

附图说明

图1中值边缘检测预测示意图；

图2为自适应可变长编码法编码示意图；

图3连接信息流I_c；

图4为Lena和Baboon的不同效果图；

图5为Lena和Baboon的不同效果之直方图；

图6为本发明与相关方法作用在五张测试图像的比较(每张测试图像中的7条柱从左到右分别代表Puteaux et al.[1]、Yi et al.[2]、Chen et al.[3]、Wu et al.[4]、Yinet al.[5]、Yin et al.[6]、本发明方法Proposed scheme一共7种方法)；

图7为本发明与相关方法作用在两个数据库的比较(每个数据库中的7条柱从左到右分别代表Puteaux et al.[1]、Yi et al.[2]、Chen et al.[3]、Wu et al.[4]、Yin etal.[5]、Yin et al.[6]、本发明方法Proposed scheme一共7种方法)；

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图实例对本发明做进一步详细描述，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图，对本发明的具体实施方案做进一步详细描述：

在本发明的一个较佳实施例中，提供了一种位平面压缩的加密图像可逆信息隐藏方法，该方法用于在图像拥有者、信息隐藏者及接收者之间进行秘密通讯，其具体步骤如下：

S1：图像拥有者使用中值边缘检测预测对原始图像进行预测以获得预测误差。

在本实施例中，图像拥有者使用中值边缘检测预测对原始图像进行预测以获得预测误差的方法如下：

S11：将大小为M×N的原始图像I_o的首行和首列像素作为种子像素来预测其他像素，公式如下：

其中，x_(i，j)表示原始图像I_o在坐标(i,j)上的像素值，而

为在坐标(i，j)上的预测值，max()表示取括号中元素的最大值。

S12：图像拥有者在获得像素的预测值之后，计算预测误差，公式如下；

其中，ex_(i，j)表示在坐标(i,j)上的预测误差值。

S13：将预测误差值划分成9个位平面，其中8个位平面为数值位平面，另外1个位平面为符号位平面，公式如下：

式中：

表示向下取整，/>

表示预测误差ex_(i,j)的第k个数值位平面，es_(i,j)为预测误差ex_(i,j)的符号位平面。

此实施例中，选择大小为512×512的灰阶图像作为原始I_o；将原始图像的首行和首列像素作为种子像素来预测其他像素，其进行中值边缘检测预测的过程如图1所示。

S2：图像拥有者使用自适应的可变长块编码方法计算所有位平面压缩空间。

在本实施例中，图像拥有者使用自适应块选择方法和和可变长块编码方法计算所有位平面压缩空间的方法如下：

S21：将预测误差的数值位平面切分为三个层级的块，最高的第一个层级的块大小为W_o×W_o，第二个层级的块大小为W_o/2×W_o/2，最低的第三个层级的块大小为W_o/4×W_o/4；预测误差的数值位平面首先被全部切分为第一个层级的块，然后对每一个块进行平滑度判断，若平滑度不满足要求则将当前的块切分为4个下一层级的块，对新产生的块也进行平滑度判断，若平滑度不满足要求则也需要切分为4个下一层级的块；所述平滑度判断的方法为：若任意一个层级的块内比特值为1的粗糙比特个数n¹高于该层级的平滑度门槛值，则将其切为低一级的块。

也就是说，上述的切块过程是迭代进行的，若第一个层级块中的粗糙比特个数大于第一个层级对应的平滑度门槛值则将其切分成4个第二层级块，若第二个层级块中任一个块内粗糙比特大于第二个层级对应的平滑度门槛值则全部切分为第三个层次块。每一个层级的平滑度门槛T计算公式如下：

其中，(W)²表示当前计算的层级的块大小。因此，平滑度门槛值计算公式中的W需要根据所计算的块的大小不同而取不同值。

统计最终划分完毕的数值位平面中三个层级的块数量，并确定每个层级的块所需的块间标记信息长度，属于第一个层级的块用1个比特记录块间标记信息，其他层级的块用2个比特记录块间标记信息，进而所有块加和后，即可统计得到每个数值位平面的块间标记信息总长度b₁。

S22：基于划分完毕的不同大小的图像块，分别统计其块内的粗糙比特个数n¹，若其个数n¹为零，则分配1个比特用于后续记录其块类型；若n¹介于零与该块对应层级的平滑度门槛值之间，则分配2个比特用于后续记录其块类型，并记录其内部结构信息；若n¹大于该块对应层级的平滑度门槛值，则用2个比特记录其块类型，并记录块内所有原始比特信息；最终所有块加和后，即可统计得到每个数值位平面中用于后续记录块类型的块内标记信息总长度b₂。

其中，内部结构信息由p比特的n¹的二进制信息和

比特的n¹个粗糙比特的相对位置信息构成，p和q_i的计算公式如下：

式中:z_i-1表示第i-1个粗糙比特位的索引位置。

上述公式中的T和W根据块大小不同即层级不同而取值不同，且由于上一步骤已经进行分块，所以粗糙比特个数大于所对应层级的平滑度门槛值的情况仅发生在第三级块。

S23：根据块间标记信息的长度b₁，块内标记信息的长度b₂和内部结构信息流I_s的长度s，计算出每个数值位平面的可用空间S_k，公式如下：

S_k×M×N-b₁-b₂-s。

需要注意的是，在本步骤中，块间标记信息仅确定了长度，但具体的块间标记信息尚未真实记录。

此实施例中，对于数值位平面，根据其平滑度将其切分为三个层级的块，第一个层级的大小为16×16，而第二个层次块和第三个层次块的大小依次为8×8和4×4，若第一层级的块内粗糙比特个数n¹高于第一层次门槛值31，则将其切为4个第二个层次块，若任一第二层级的块内粗糙比特个数n¹高于第二层次门槛值10，则将全部第二层次块切为16个第三个层次块，属于第一层级的块即用1个比特记录，否则由2个比特记录，得到每个位平面的块间标记信息的长度b₁。

S3：根据各个位平面的压缩空间进行位平面自适应压缩。

在本实施例中，根据各个位平面的压缩空间进行位平面自适应压缩的方法如下：

S31：根据数值位平面的可用空间S_k，获得位平面标识信息g_k，其公式如下：

其中，g_k＝1标识该数值位平面为可用位平面，g_k＝0标识该数值位平面为不可用位平面。

S32：对于可用位平面(ex^k,g_k＝1)内的块，若属于第一个层级的块由“0”标记形成块间标记信息，而第二个层级的块和第三个层级的块依次由“10”和“11”标记形成块间标记信息，每个块均完成标记后生成块间标记流l_b，对于不可用位平面(ex^k,g_k＝0)，保留整个位平面。

S33：对于可用位平面(ex^k,g_k＝1)内的所有层级的块，统计其块内比特值为1的粗糙比特个数n¹，若n¹个数为零则由“0”标记形成块内标记信息，若n¹介于零与门槛值之间则由“10”标记形成块内标记信息，若n¹大于门槛值则由“11”标记，每个块均完成标记后生成块内标记流l_sb。

S34：对于块内标记流l_sb中标记为“10”的块，将n¹值转化为p比特的二进制信息流，并将n¹比特的相对位置信息t_i转化为q_i比特的二进制信息流，对于块内标记流l_sb中标记为“11”的块，记录所有的原始块内二进制信息，其中相对位置信息t_i的公式如下：

式中，z_I为块内第I个粗糙比特位的索引位置。

此实施例中，进行位平面自适应压缩的过程如图2。如图所述，粗糙比特个数n¹为32大于第一层级块门槛值31，故进一步切分为4个第二层级块；由于第二层级块中有一个块的粗糙比特个数n¹为11大于第二层级块门槛值31，故进一步切分为16个第三层级块，在块间标记流上记录“11”。以第一个第三层级块为例，其内部含有3个粗糙比特等于门槛值，故在块内标记流中记录“10”。之后，用p＝2来记录3个粗糙比特，用q₁＝4,q₂＝4和q₃＝3个比特来表示粗糙比特的相对距离t₁＝6,t₂＝4和t₃＝2的二进制形式。

S4：根据加密秘钥，对信息流进行加密，并将加密信息流发送给信息隐藏者。

在本实施例中，根据加密秘钥，对信息流进行加密，并将加密信息流发送给信息隐藏者的方法如下：

S41：将生成块间标记流l_b、块内标记流l_sb、内部结构信息流I_s、位平面标识信息g_k、符号位平面es_(i,j)、种子像素以及不可用位平面(ex^k,g_k＝0)组合成长度为c的连接信息流I_c；

S42：根据加密秘钥K_e对生成的连接信息流I_c进行加密，得到加密连接信息流，公式如下：

式中：

r^h分别为加密连接信息流e_c、原始连接信息流I_c以及加密秘钥K_e的第h位，/>

表示异或操作；

S43：图像拥有者将加密连接信息流发送给信息隐藏者。

此实施例中，生成连接信息流I_c的过程如图3所示。

S5：信息隐藏者将加密信息嵌入到可嵌入空间中，以获得含秘加密图像并发送给接收者。

在本实施例中，信息隐藏者将加密信息嵌入到加密图像的冗余空间中，以获得含秘加密图像并发送给接收者的方法如下：

S51：根据接收到的加密连接信息流的长度计算出可用嵌入空间M×N×8-c；

S52：根据信息隐藏秘钥K_h对原始秘密信息S_secret实施加密，得到加密秘密信息；

S53：将加密的秘密信息嵌入到位平面的可用空间，生成含秘加密图像；

S54：信息隐藏者将含秘加密图像发送给接收者。

S6：接收者从收到的含秘加密图像中提取秘密信息和恢复原始图像。

在本实施例中，接收者接收者从收到的含秘加密图像中提取秘密信息和恢复原始图像的方法如下：

S61：若接收者拥有图像加密秘钥K_e，则读取加密连接信息流e_c并解密出原始的连接信息流I_c，分解信息流得到块间标记流l_b、块内标记流l_sb、内部结构信息流I_s、位平面标识信息g_k、符号位平面es_(i,j)以及可用位平面(ex^k,g_k＝0)，从而恢复预测误差位平面，并根据种子像素信息恢复原始图像I_o；

S62：若接收者拥有信息隐藏秘钥K_h，取出加密的秘密信息并解码，获得秘密信息S_secret；

S63：若接收者同时拥有信息隐藏秘钥K_h和图像加密秘钥K_e，则同时使用S61和S62提取秘密信息S_secret及恢复原始图像I_o。

本实施例中，按照前述的步骤S1～S6图像所有者获得加密图像、信息隐藏者获得含秘图像以及接收者接收到含秘图像并从中提取秘密信息和原始图像。其具体的结果展示如下：

i.安全分析

图4以Lena和Baboon为例，给出了其相应的仿真结果。其中图4(b)和图4(c)为加密图像、图4(e)和图4(f)为含秘加密图像的视觉效果图。显然，这四张图都很好的将原始图像的信息和秘密信息隐蔽起来，使得无法察觉到任何有用的信息。此外，图5(a)和图5(d)为原始图像的直方图信息，与其直方图分布不同的是，图5(b)、图5(c)、图5(e)和5(f)所示的直方图分布呈现出均匀分布，表明恶意窃取者无法通过分析加密图像及含秘图像获取到原始图像信息和秘密信息。最后，表1展示了加密图像和含秘图像的熵值，由表1可以看出熵值都接近于8，这进一步验证了本发明具有非常高的安全性。

表1为不同图像的熵值

ii.性能分析

在确保加密图像安全的前提下，本发明统计了以第一层级块为标准单位不同层级块的分布情况，由表2可见本方法具有相当好的压缩性能，绝大多数的图像块都属于第一层级块仅需要1个比特进行压缩。最后，还可以观察到，纹理较为简单的图像能够实现更高压缩情况，纹理较为复杂的图像则较低。

表2为不同层级块出现的次数

iii性能比较

图6和图7分别比较了本发明与其他相关方法[1-6]在五张典型灰度图像以及两种图像数据库所提供的图像的平均净隐藏容量。从图6可以发现，本发明提供的方法(Proposed)全部优于其他方法。此外，如图7所示，对于数据库BOWS-2和BOSSBase的实验结果，本发明可以实现分别为3.755bpp和3.657bpp的嵌入量，分别大于次优的方案0.394bpp和0.162bpp。

上述对比的方法具体做法参见以下参考文献：

[1]P.Puteaux and W.Puech,“An efficient msb prediction-based methodfor high-capacity reversible data hiding in encrypted images,”IEEETransactions on Information Forensics and Security,vol.PP,no.99,pp.1–1,2018.

[2]S.Yi and Y.Zhou,“Separable and reversible data hiding in encryptedimages using parametric binary tree labeling,”IEEE Transactions onMultimedia,vol.21,no.1,pp.51–64,2018.

[3]K.Chen and C.-C.Chang,“High-capacity reversible data hiding inencrypted images based on extended run-length coding and block-based msbplane rearrangement,”Journal of Visual Communication and ImageRepresentation,vol.58,pp.334–344,2019.

[4]Y.Wu,Y.Xiang,Y.Guo,J.Tang,and Z.Yin,“An improved reversible datahiding in encrypted images using parametric binary tree labeling,”IEEETransactions on Multimedia,pp.1–1,2019.

[5]Z.Yin,Y.Xiang,and X.Zhang,“Reversible data hiding in encryptedimages based on multi-msb prediction and huffman coding,”IEEE Transactions onMultimedia,2019.

[6]Z.Yin,Y.Peng,and Y.Xiang,“Reversible data hiding in encryptedimages based on pixel prediction and bit-plane compression,”IEEE Transactionson Dependable and Secure Computing,2020.

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种位平面压缩的加密图像可逆信息隐藏方法，用于在图像拥有者、信息隐藏者及接收者之间进行秘密通讯，其特征在于，具体步骤如下：

S1：图像拥有者使用中值边缘检测预测对原始图像进行预测以获得预测误差；

S2：图像拥有者使用自适应的可变长块编码方法计算预测误差的所有位平面压缩空间；

S3：根据各个位平面的压缩空间进行位平面自适应压缩，并获得信息流；

S4：根据加密秘钥，对信息流进行加密，并将加密信息流发送给信息隐藏者；

S5：信息隐藏者将加密信息嵌入到可嵌入空间中，以获得含秘加密图像并发送给接收者；

S6：接收者从收到的含秘加密图像中提取秘密信息和恢复原始图像；

所述S2中，图像拥有者使用自适应的可变长块编码方法计算预测误差的所有位平面压缩空间的方法如下：

S21：将预测误差的数值位平面切分为三个层级的块，最高的第一个层级的块大小为W_o×W_o，第二个层级的块大小为W_o/2×W_o/2，最低的第三个层级的块大小为W_o/4×W_o/4；预测误差的数值位平面首先被全部切分为第一个层级的块，然后对每一个块进行平滑度判断，若平滑度不满足要求则将当前的块切分为4个下一层级的块，对新产生的块也进行平滑度判断，若平滑度不满足要求则也需要切分为4个下一层级的块；所述平滑度判断的方法为：若任意一个层级的块内比特值为1的粗糙比特个数n¹高于该层级的平滑度门槛值，则将其切为低一级的块；每一个层级的平滑度门槛T计算公式如下：

其中，(W)²表示当前计算的层级的块大小；

统计最终划分完毕的数值位平面中三个层级的块数量，并确定每个层级的块所需的块间标记信息长度，属于第一个层级的块用1个比特记录块间标记信息，其他层级的块用2个比特记录块间标记信息，进而统计得到每个数值位平面的块间标记信息总长度b₁；

S22：基于划分完毕的不同大小的图像块，分别统计其块内的粗糙比特个数n¹，若其个数n¹为零，则分配1个比特用于后续记录其块类型；若n¹介于零与该块对应层级的平滑度门槛值之间，则分配2个比特用于后续记录其块类型，并记录其内部结构信息；若n¹大于该块对应层级的平滑度门槛值，则用2个比特记录其块类型，并记录块内所有原始比特信息；最终统计得到每个数值位平面中用于后续记录块类型的块内标记信息总长度b₂；

S23：根据块间标记信息的长度b₁，块内标记信息的长度b₂和内部结构信息流I_s的长度s，计算出每个数值位平面的可用空间S_k，M×N为原始图像I_o的尺寸，公式如下：

S_k＝M×N-b₁-b₂-s。

2.根据权利要求1所述的位平面压缩的加密图像可逆信息隐藏方法，其特征在于，所述S1中，图像拥有者使用中值边缘检测预测对原始图像进行预测以获得预测误差的方法如下：

S11：将大小为M×N的原始图像I_o的首行和首列像素作为种子像素来预测其他像素，公式如下：

其中，x_(i,j)表示原始图像I_o在坐标(i,j)上的像素值，而

为在坐标(i,j)上的预测值，max()表示取括号中元素的最大值；

S12：图像拥有者在获得像素的预测值之后，计算预测误差，公式如下；

其中，ex_(i,j)表示在坐标(i,j)上的预测误差值；

S13：将预测误差值划分成9个位平面，其中8个位平面为数值位平面，另外1个位平面为符号位平面，公式如下：

式中：

表示向下取整，/>

表示预测误差ex_(i,j)的第k个数值位平面，es_(i,j)为预测误差ex_(i,j)的符号位平面。

3.根据权利要求2所述的位平面压缩的加密图像可逆信息隐藏方法，其特征在于，所述内部结构信息由p比特的n¹的二进制信息和

比特的n¹个粗糙比特的相对位置信息构成，p和q_i的计算公式如下：

式中:z_i-1表示第i-1个粗糙比特位的索引位置。

4.根据权利要求3所述的位平面压缩的加密图像可逆信息隐藏方法，其特征在于，所述S3中，根据各个位平面的压缩空间进行位平面自适应压缩，并获得信息流的方法如下：

S31：根据数值位平面的可用空间S_k，获得位平面标识信息g_k，其公式如下：

其中，g_k＝1标识该数值位平面为可用位平面，g_k＝0标识该数值位平面为不可用位平面；

S32：对于可用位平面(ex^k，g_k＝1)内的块，若属于第一个层级的块由“0”标记形成块间标记信息，而第二个层级的块和第三个层级的块依次由“10”和“11”标记形成块间标记信息，每个块均完成标记后生成块间标记流l_b，对于不可用位平面(ex^k，g_k＝0)，保留整个位平面；

S33：对于可用位平面(ex^k，g_k＝1)内的所有层级的块，统计其块内比特值为1的粗糙比特个数n¹，若n¹个数为零则由“0”标记形成块内标记信息，若n¹介于零与门槛值之间则由“10”标记形成块内标记信息，若n¹大于门槛值则由“11”标记，每个块均完成标记后生成块内标记流l_sb；

S34：对于块内标记流l_sb中标记为“10”的块，将n¹值转化为p比特的二进制信息流，并将n¹比特的相对位置信息t_i转化为q_i比特的二进制信息流，对于块内标记流l_sb中标记为“11”的块，记录所有的原始块内二进制信息，其中相对位置信息t_i的公式如下：

式中，z_i为块内第i个粗糙比特位的索引位置。

5.根据权利要求4所述的位平面压缩的加密图像可逆信息隐藏方法，其特征在于，所述S4中，根据加密秘钥，对信息流进行加密，并将加密信息流发送给信息隐藏者的方法如下：

S41：将生成块间标记流l_b、块内标记流l_sb、内部结构信息流I_s、位平面标识信息g_k、符号位平面es_(i，j)、种子像素以及不可用位平面(ex^k，g_k＝0)组合成长度为c的连接信息流I_c；

S42：根据加密秘钥K_e对生成的连接信息流I_c进行加密，得到加密连接信息流，公式如下：

式中：

r^h分别为加密连接信息流e_c、原始连接信息流I_c以及加密秘钥K_e的第h位，

表示异或操作；

S43：图像拥有者将加密连接信息流发送给信息隐藏者。

6.根据权利要求5所述的位平面压缩的加密图像可逆信息隐藏方法，其特征在于，所述S5中，信息隐藏者将加密信息嵌入到可嵌入空间中，以获得含秘加密图像并发送给接收者的方法如下：

S51：根据接收到的加密连接信息流的长度计算出可用嵌入空间M×N×8-c；

S52：根据信息隐藏秘钥K_h对原始秘密信息S_secret实施加密，得到加密秘密信息；

S53：将加密的秘密信息嵌入到位平面的可用空间，生成含秘加密图像；

S54：信息隐藏者将含秘加密图像发送给接收者。

7.根据权利要求6所述的位平面压缩的加密图像可逆信息隐藏方法，其特征在于，所述S6中，接收者从收到的含秘加密图像中提取秘密信息和恢复原始图像的方法如下：

S61：若接收者拥有图像加密秘钥K_e，则读取加密连接信息流e_c并解密出原始的连接信息流I_c，分解信息流得到块间标记流l_b、块内标记流l_sb、内部结构信息流I_s、位平面标识信息g_k、符号位平面es_(i，j)以及可用位平面(ex^k，g_k＝0)，从而恢复预测误差位平面，并根据种子像素信息恢复原始图像I_o；

S62：若接收者拥有信息隐藏秘钥K_h，取出加密的秘密信息并解码，获得秘密信息S_secret；

S63：若接收者同时拥有信息隐藏秘钥K_h和图像加密秘钥K_e，则同时使用S61和S62提取秘密信息S_secret及恢复原始图像I_o。

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