按需发送的加密图像中的可逆信息隐藏

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应
用 科 学
学 报
第 33 卷
图 1 算法框架 Figure 1 Our framework
2
2.1
图像加密和数据隐藏
图像加密算法
假设一幅8比特灰度图像 I 大小为 M × N ，满足 I (i, j ) ∈ [0, 255], 1 i M, 1 j N . 图像加密之前需要进行下采样，计算残差和数据重组. 对 I 进行下采样得到子图像 IA 、IB 、 IC 、 ID ， 分别满足IA ∈ I (i, j ), i mod 2 = 1, j mod 2 = 1， IB ∈ I (i, j ), i mod 2 = 1, j mod 2 = 0, IC ∈ I (i, j ), i mod 2 = 0, j mod 2 = 1, ID ∈ I (i, j ), i mod 2 = 0, j mod 2 = 0, 计算 3 组差值 dB = IB − IA dC = IC − IA dD = ID − IA (1) (2) (3)
第1期
韩喜玉等：按需发送的加密图像中的可逆信息隐藏
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为一个热门的研究方向， 并应用于很多领域， 如医学图像、 军事图像、 法律取证等. RDH 是一 [1] 个相对成熟的技术， 主要方法有基于无损压缩的可逆信息隐藏 、 基于插值扩展的可逆信息隐 藏[2-4] 、基于直方图平移的可逆信息隐藏[5-6] 、基于像素预测的可逆数据隐藏[7-8] . 随着对个人 隐私保护观念的日益加深， 数据加密变得异常重要， 尤其是云计算[9] 背景下在加密数据中嵌入 信息显得极为重要. 例如在某些情况下，图像持有者需要将一幅图像上传至服务器，但他/她 不愿意公开图像内容，于是加密图像进行隐私保护，以防止图像内容泄露. 另外，服务器希望 在收到的加密图像中嵌入一些有用信息，以方便管理图像，此时就需要引入加密图像中的信 息隐藏概念. 文献 [10] 把加密图像分成若干不重叠的块，块的大小为 s × s；为了能够嵌入信息，根据 信息隐藏密钥将每一块随机分成两个像素集合 S0 和 S1 ；翻转每一个像素集合(S0 或 S1 )中的 像素的最低 3 位有效位(least significant bits, LSB)， 以表示嵌入 1 bit 信息； 翻转 S0 的 3LSBs 成 一 个 新 的 块 H0 ， 翻转 S1 的 3 LSBs 变成 H1 ， 比 较 H 0 和 H1 的 平 滑 度 来 提 取 信 息 和 恢 复 原 始图像. 文献 [11] 对上述方法进行改进，在数据提取和图像恢复时利用像素的空间相关性和 边(side)匹配机制，降低了图像恢复错误率. 文献 [12] 亦提出了一种可分离加密图像中的可逆 信息隐藏方法. 利用奇偶校验矩阵，实现图像的“压缩”并嵌入信息. 文献 [13] 将加密后的图 像分成两部分，其中一部分利用 LDPC 编码进行无损压缩，多余的空间可用来嵌入信息；接 收方利用压缩后的数据和未压缩的原始像素值， 恢复原始图像的内容. 文献 [14] 利用加密图像 的直方图统计特征调整直方图，可以实现数据嵌入. 文献 [15] 在图像加密之前将图像的一部 分像素最低有效位无损嵌入到其他像素中，多余的空间可以进行信息嵌入. 文献 [16] 提出一 种基于预测模型的方法， 图像的一部分像素用其他像素预测， 对残差的调整、 平移可以为信息 隐藏预留空间. 文献 [17] 提出了一种通用的可逆信息隐藏方法， 适用于图像、 视频 、 文件等任 何加密信号. 在假设加密信号仍然有冗余的前提下，将加密后的信号分成若干个不重叠的组， 然后把每组 GRC 码调整成定长编码形式，以嵌入信息. 该方法的每个分组可以嵌入 2 bits 信 息， 提高了嵌入率. 本文提出了一种新的算法，包括图像加密、信息嵌入、数据提取/图像恢复三部分. 主要 有两大优点： 在原始图像无损恢复的前提下大大提高了嵌入率. 根据接收方所持密钥类型提出 了一种新的发送机制，如果接收端含有加密密钥，得到的是加密的子图像；如果只有嵌入密 钥，得到是一段秘密信息；如果两个密钥都存在，得到的是所有数据. 这种按需发送的机制， 使服务器减少了数据传输量.
加密图像中的可逆信息隐藏(reversible data hiding, RDH) 是将信息准确提取后能使原始 图像无损恢复的有效工具. 正是由于秘密信息提取后原始图像内容能够无损恢复，RDH 就成
收稿日期：2014-10-17； 修订日期：2014-12-04 基金项目：国家自然科学基金(No.61103181, No.61472235, No.61202367)；上海自然科学基金(No.14ZR1415100, No.12ZR1443700)； 上 海 市 青 年 科 技 启 明 星 人 才 计 划基 金(No.14QA1401900)； 上 海 市 教 委 创 新 基 金 (No.14YZ020)资助 通信作者：钱振兴，副研究员， 研究方向：信息隐藏、 加密信号处理， E-mail: zxqian@shu.edu.cn
7
(4) (5)
IA (i, j ) =
k=0
IA (i, j, k ) · 2k
式中， k = 0, 1, · · · , 7. 利用密钥 Kenc 生成随机比特流 ri,j,k ， 通过异或操作可以得到加密的子图像 IA IA (i, j, k ) = IA (i, j, k ) ⊗ ri,j,k
S
ci =
t=1
sgn(t)
(8)
1, |Dt − Di | = 0 3 M N. 1 t 4 式中， sgn(t) = 0, 其他 ci 2 1 替换 ci 个i， 得到 V . 令 F = {D1 , D2 , · · · , DS }, 其中 , · · ·, Di , Di 对 D 进行修改， 将 Di D1 , D2 , · · · , DS 与 1, 2, · · · , S 之间存在一一对应关系. 最后重组的信息为 U =(IA ，V ). IA 的 1 长度是公开的， 为 m × n(m = 2 Mj = 1 如果没有密钥 (Kenc , F ), 原始图像的 2 N ). 可以看出， 内容就不会被泄露.
dD ). 图 2 得到最终的残差 D =(dB , dC ， dD ， dC 、 将 dB 、 dC 、 dD 分 别 转 化 成 一 维 行 向 量 dB 、 是最常见图像 Lena、Airplane 等 D 的统计. 横坐标表示 D 的值，为了方便，统计−50 和+50 之 间 的 残 差 值；纵坐 标表 示 每 个 残 值 对 应 的 数 目. 从 图 2 中 可 以 看 出，对 于 较 平 滑 的 图 像(Lena、Airplane)，其残差分布较集中，且残差值为“ 0”和“−1”的较多. 正是由于这种数 据的冗余性， 信息隐藏者可以对其压缩， 用来嵌入数据. 获得残差后对图像进行重组，首先根据文献 [12] 的流密码对 IA 进行加密，则 IA 的每一 个像素 IA (i, j ) 分解为 IA (i, j, 0), IA (i, j, 1), · · ·, IA (i, j, 7) IA (i, j, k ) = IA (i, j )/2k mod 2
1
总体方案
本文的算法框架如图 1 所示. 在发送端， 对原始图像进行下采样， 获得 4 幅子图像并且计 算残差. 加密包括子图像加密和残差的映射(将残差映射成连续排列的整数). 在服务器端，得 到一组加密数据后对残差进行熵编码，压缩得到的冗余空间可用来嵌入数据. 信息隐藏密钥 主要用于打乱秘密数据的排列顺序. 在接收端， 如果只含有一个加密密钥， 接收者只能收到一幅加密子图像， 于是可以根据加 密密钥无损恢复原始子图像；在只持有加密密钥的前提下，接收者实际上是想近似获得原始 图像内容. 如果持有信息隐藏密钥， 服务器会发送含有隐秘数据的信息段， 此时可以根据嵌入 密钥准确提取信息；如果持有两种密钥， 那么接收方可以获得所有的数据， 原始图像可以无损 恢复， 且隐秘信息也可完整提取. 与传统的加密图像中的可逆信息隐藏算法不同的是：在只含 有一种密钥(加密密钥或信息隐藏密钥)的情况下发送所有的数据. 若采用本文提出的按需发 送机制， 则可以减少数据传输量.
Reversible Data Hiding in Encrypted Images Transmitted on Demand
HAN Xi-yu, QIAN Zhen-xing, ZHANG Xin-peng, JIANG Fei
School of Communication and Information Engineering, Shanghai University, Shanghai 200444, China Abstract: This paper proposes a new method of reversible data hiding in encrypted images. The sender down-samples the original image and calculates the residuals to generate two sets of objects: sub-images and residuals. These are encrypted with an encryption key and sent to the server. The server applies arithmetic coding on the encrypted residuals to generate spatial redundancy, and then hides extra data using the embedding key. With the key, the receiver obtains different versions of the data transmitted by the server. Unlike the conventional methods, a transmission-on-demand mechanism is used, which can effectively reduce the amount of transmitted data on the server. With the image perfectly recovered, the data embedding rate is greatly improved. Keywords: reversible data hiding, encryption, data hiding, arithmetic coding
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(6ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ (7)
IA (i, j ) =
k=0
IA (i, j, k ) × 2k
第1期
韩喜玉等：按需发送的加密图像中的可逆信息隐藏
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然后将 IA 转化成一行比特流，记为 IA . 对 D 进行统计得到参数C 和V . 假设 D (长度为 3 参数 C = {c1 , c2 , · · · , cS }, ci 为残差值 4 M N )中共有 S 个互不相同的残差值 D1 , D2 , · · · , DS ； Di (1 i S )的数目
第 33 卷 第 1 期
2015年1月
应
用 科 学
学 报
Vol. 33 No. 1
Jan. 2015
JOURNAL OF APPLIED SCIENCES — Electronics and Information Engineering
DOI: 10.3969/j.issn.0255-8297.2015.01.006
按需发送的加密图像中的可逆信息隐藏
韩喜玉， 钱振兴， 张新鹏， 姜 飞
上海大学 通信与信息工程学院，上海 200444 摘 要： 提出了一种新的加密图像中的可逆信息隐藏算法. 发送方对图像进行下采样并计算 残差，得到子图像和残差两部分数据，再使用加密密钥对两部分数据分别进行加密后发送给 服务器端. 服务器端对残差部分的加密数据进行算术编码，产生冗余空间并使用嵌入密钥隐 藏额外数据. 接收端根据持有密钥的情况，从服务器端获取不同的数据版本. 与以往方法相 比，所提出的按需传输数据的新机制可有效减少服务器传送的数据量，且在图像可无损恢复 的前提下大大提高了数据嵌入率. 关键词：可逆数据隐藏；加密；信息隐藏；算术编码 中图分类号：TN911.73 文章编号：0255-8297(2015)01-0050-09