[发明专利]基于混合加密机制的自适应图像加密域可逆隐藏方法

权利要求书

1.一种基于混合加密机制的自适应图像加密域可逆隐藏方法，包括如下步骤：

A、图像加密

A1、像素类型标识矩阵生成：

用户通过下式算出原始图像X，X＝{x_i,j|i＝1,2,…,I,j＝1,2,…,J}中的像素x_i,j的预测值

其中I为原始图像X的行数，J为原始图像X的列数，x_i,j为原始图像X中第i行，第j列的像素，表示向下取整操作，∪表示集合的并运算；

如果像素x_i,j的最高有效位与像素x_i,j的预测值的最高有效位相同，则像素x_i,j的类型标识p_i,j的值为0；否则，像素x_i,j的类型标识p_i,j的值为1；将所有的类型标识p_i,j拼接，得到像素类型标识矩阵P，P＝{p_i,j|i＝1,2,…,I,j＝1,2,…,J}；

A2、块类型标识矩阵生成：

找出原始图像X的行数I和列数J的公约数，去掉其中的最小公约数和最大公约数,将剩余的公约数作为分块大小值并从小到大依次排列，组成分块大小值序列H，H＝{H₁,H₂…H_k…H_K},其中k为序列H中分块大小值H_k的序号，K为序列H中分块大小值H_k的个数；

用户根据第k个分块大小值H_k，将像素类型标识矩阵P划分成M_k×N_k个不重叠的、大小为H_k×H_k的像素类型标识块P^k,m,n，其中m为大小为H_k×H_k的像素类型标识块P^k,m,n在像素类型标识矩阵P中的横向序号，m＝1,2…,M_k；M_k＝I/H_k；n为大小为H_k×H_k的像素类型标识块P^k,m,n在像素类型标识矩阵P中的纵向序号，n＝1,2,…,N_k；N_k＝J/H_k；r为大小为H_k×H_k的像素类型标识块P^k,m,n中元素的行序号，c为大小为H_k×H_k的像素类型标识块P^k,m,n中元素的列序号；

如果大小为H_k×H_k，横向序号为m,纵向序号为n的像素类型标识块P^k,m,n中的所有元素全为0，则大小为H_k×H_k，横向序号为m,纵向序号为n的像素类型标识块P^k,m,n的块类型标识t_k,m,n的值为0；否则，大小为H_k×H_k，横向序号为m,纵向序号为n的像素类型标识块P^k,m,n的块类型标识t_k,m,n的值为1；

进而将所有大小为H_k×H_k的像素类型标识块P^k,m,n的块类型标识t_k,m,n组成块类型标识矩阵T_k，T_k＝{t_k,m,n|m＝1,2…,M_k,n＝1,2,…,N_k}；

A3、最佳块类型标识矩阵生成：

计算大小为H_k×H_k的像素类型标识块P^k,m,n对应的原始图像隐写容量EC_k，k＝1,2…K；sum(.)表示矩阵中元素值的求和操作；

如k＝k0，即大小为H_k0×H_k0的像素类型标识块P^k0,m,n的对应原始图像隐写容量EC_k0为所有大小为H_k×H_k的像素类型标识块P^k,m,n对应的原始图像隐写容量EC_k,k＝1,2…K中的最大值；则令第k＝k0个分块大小值H_k0为像素类型标识矩阵P的最佳分块大小值H_k0；进而得到最佳分块大小值H_k0对应的最佳块类型标识矩阵T_k0，T_k0＝{t_k0,m,n|m＝1,2…,M_k0,n＝1,2,…,N_k0}；其中t_k0,m,n为大小为H_k0×H_k0，横向序号为m,纵向序号为n的像素类型标识块P^k0,m,n的块类型标识；

A4、加解密用像素类型标识矩阵生成：

如果最佳块类型标识矩阵T_k0中的横向序号为m,纵向序号为n的像素类型标识块P^k0,m,n的块类型标识t_k0,m,n＝0，则用户将大小为H_k0×H_k0，横向序号为m,纵向序号为n的像素类型标识块P^k0,m,n中所有的元素置为0；否则，将大小为H_k0×H_k0横向序号为m,纵向序号为n的像素类型标识块P^k0,m,n中所有元素置为1；再将所有大小为H_k0×H_k0的像素类型标识块P^k0,m,n按其横向序号m,纵向序号n进行拼接，得到重构像素类型标识矩阵P′，P′＝{p′_i,j|i＝1,2,…,I,j＝1,2,…,J}，并根据下式更新重构像素类型标识矩阵P＇中的元素p＇_i,j，得到加解密用像素类型标识矩阵P″,P″＝{p″_i,j|i＝1,2,…,I,j＝1,2,…,J}，

A5、异或分类置乱加密：

在加解密用像素类型标识矩阵P″中，如果元素p″_i,j的值为0，则将原始图像X中同一位置的像素x_i,j定义为可变像素；否则，将原始图像X中同一位置的像素x_i,j定义为固定像素；原始图像X中所有可变像素组成可变像素线性表同时将原始图像X中所有的固定像素组成固定像素线性表

然后，用户根据随机数R生成密钥流，分别对可变像素线性表和固定像素线性表依次做“按位异或解密”和“置乱解密”，得到加密的可变像素线性表L^c和加密固定像素线性表L^u；接着，将加密可变像素线性表L^c和加密固定像素线性表L^u拼接，得到加密图像X′，X′＝{x′_i,j|i＝1,2,...,I,j＝1,2,…,J}；

A6、关键信息组成：

用户根据随机数R从最佳块类型标识矩阵T_k0中选取元素，组成对称待加密线性表T_a，其长度为n_a，最佳块类型标识矩阵T_k0中的剩余元素组成公钥待加密线性表T_b，其长度为n_b；

再将随机数R用二进制表示，得到长度为n_R的随机数序列R_bin；将像素类型标识矩阵的最佳分块大小值H_k0用二进制表示，得到长度为的最佳分块大小值序列将随机数序列R_bin，公钥待加密线性表T_b和像素类型标识矩阵的最佳分块大小值序列拼接得到长度为n_C，的公钥待加密信息C，其中||为拼接操作；最后，将公钥待加密信息C和对称待加密线性表T_a拼接组成关键信息E，E＝C||T_a，关键信息E的长度为n_E，n_E＝n_C+n_a；

A7、关键信息加密：

使用随机数R异或加密对称待加密线性表T_a，得到长度为l_a的对称加密线性表T_a′；

用户用接收端的长度为n_key的公钥K_p将公钥待加密信息C分为α组进行加密，其中将加密后α组密文串接组成长度为l_C的公钥加密信息C′；

串接公钥加密信息C′和对称加密线性表T_a′，得到关键信息密文E′，E′＝C′||T_a′，关键信息密文E′的长度为l_E，l_E＝l_C+l_a；

A8、关键信息密文隐藏：

用户统计加解密用像素类型标识矩阵P″中元素p″_i,j值为0的元素个数，记为

然后计算加密图像X＇的总像素个数的最小二进制表示的位数a，进而得到加密图像X＇的最大嵌入比特数n_max，

将关键信息密文E＇嵌入到加密可变像素线性表L^c的后l_E个像素即至像素的最高有效位中得到嵌入关键信息密文E′后的加密可变像素线性表L^c′；接着，将嵌入关键信息密文E′后的加密可变像素线性表L^c′和加密固定像素线性表L^u拼接，得到隐藏关键信息密文的加密图像X″，X″＝{x″_i,j|i＝1,2,...,I,j＝1,2,…,J}；

A9、加密图像生成：

用户计算出隐藏关键信息密文的加密图像X″的最大嵌入比特数N_max，N_max＝n_max-l_E，再将隐藏关键信息密文的最大嵌入比特数N_max的二值编码替换嵌入关键信息密文E′后，加密可变像素线性表L^c′的前a个像素即至像素的最高有效位，得到首部替换后的加密可变像素线性表拼接首部替换后的加密可变像素线性表与加密固定像素线性表L^u，得到上传的加密图像Y，Y＝{y_i,j|i＝1,2,…,I,j＝1,2,…,J}；

最后将上传的加密图像Y传送给云端；

B、信息隐藏

云端将上传的加密图像Y按行扫描得到一维加密像素数组L^Y，L^Y＝{y_i′|i′＝1,2,…,I×J},i′为一维加密像素数组L^Y中像素y_i′的序号；

将待隐藏的额外信息S用信息隐藏密钥K进行对称加密，得到长度为l_S的额外信息密文S′；提取一维加密像素数组L^Y的前a个像素即y₁至y_a像素的最高有效位，即提取到上传的加密图像Y的最大嵌入比特数N_max；如果最大嵌入比特数N_max不小于额外信息密文S＇的长度l_s，则将额外信息密文S′嵌入一维加密像素数组L^Y中y_a+1至像素的最高有效位，得到含额外信息密文的一维加密像素数组

将含额外信息密文的一维加密像素数组按行扫描还原为矩阵，即生成含额外信息密文的加密图像Z，Z＝{z_i,j|i＝1,2,…,I,j＝1,2,…,J}；

C、图像解密

C1、提取关键信息密文：

接收端从云端接收到含额外信息密文的加密图像Z，＝＝{z_i,j|i＝1,2,…,I,j＝1,2,…,J}，再按行扫描还原得到含额外信息密文的一维加密像素数组提取含额外信息密文的一维像素数组中前a个像素的最高有效位，即y₁至y_a像素的最高有效位，提取得到最大嵌入比特数N_max；提取至像素的最高有效位，即得到长度为l_E的关键信息密文E′；

C2、解密关键信息密文：

用私钥K_s解密关键信息密文E＇中长度为l_C的公钥加密信息C′得到公钥待加密信息C；利用随机数R解密关键信息密文E′中长度为l_a的对称加密线性表T_a′得到对称待加密线性表T_a；

C3、组成最佳块类型标识矩阵：

将对称待加密线性表T_a和公钥待加密线性表T_b拼接，还原得到最佳分块大小值H_k0对应的最佳块类型标识矩阵T_k0，T_k0＝{t_k0,m,n|m＝1,2…,M_k0,n＝1,2,…,N_k0}；

C4、生成初始解密图像：

接收端执行步骤A4的加解密用像素类型标识矩阵生成操作，得到加解密用像素类型标识矩阵P″,P″＝{p″_i,j|i＝1,2,…,I,j＝1,2,…,J}；

然后，接收端将含额外信息密文的加密图像Z按行扫描，还原得到含额外信息密文的一维加密像素数组将其中的前个像素，组成含额外信息密文的加密可变像素线性表其余像素组成含额外信息密文的加密固定像素线性表对含额外信息密文的加密可变像素线性表依次做“置乱解密”和“按位异或解密”，得到解密可变像素线性表对含额外信息密文的加密固定像素线性表依次做“置乱解密”和“按位异或解密”，得到解密固定像素线性表

建立初始解密图像D′，D′＝{d′_i,j|i＝1,2,…,I,j＝1,2,…,J}，其中所有像素d′_i,j均为1；如果加解密用像素类型标识矩阵P″中的元素p″_i,j＝0，且为第β个为0的元素，则将初始解密图像D＇中第i行，第j列的像素d′_i,j的替换为解密可变像素线性表中的第β个元素；如果加解密用像素类型标识矩阵P″中的元素p″_i,j＝1，且为第γ个为1的元素，将初始解密图像D′中位置的像素d′_i,j的替换为解密可变像素线性表中的第γ个元素；

C5、恢复解密图像：

按从上至下，从左至右的顺序对初始解密图像D＇中第i行，第j列初始解密像素d＇_i,j进行如下的操作：

计算初始解密图像D＇中第i行，第j列初始解密像素d′_i,j的预测值若像素类型标识矩阵P′中，第i行，第j列的元素p′_i,j的值为1，则用第i行，第j列解密像素d′_i,j的预测值的最高有效位更新解密像素d′_i,j的最高有效位，否则解密像素d′_i,j保持不变；

当第I行，第J列的初始解密像素d′_I,J完成以上操作，令d_i,j＝d′_i,j，初始解密图像D′成为解密图像D，D＝{d_i,j|i＝1,2,…,I,j＝1,2,…,J}，d_i,j为解密图像D中第i行，第j列解密像素；

C6、生成含额外信息密文的明文图像：

用含额外信息密文的加密图像Z的最高有效位平面替换解密图像D的最低有效位平面，则得到含额外信息密文的明文图像W，W＝{w_i,j|i＝1,2,…,I,j＝1,2,…,J}；

D、额外信息提取

D1、明文域额外信息提取：

按行扫描含额外信息密文的明文图像W，得到含额外信息密文的明文一维像素数组L^W，L^W＝{w_i|i＝1,2,…,I×J}，并提取w_a+1至像素的最低有效位，得到额外信息密文S′；再用信息隐藏密钥K对称解密额外信息密文S′，得到额外信息S；

D2、密文域额外信息提取：

按行扫描含额外信息密文的加密图像Z，得到含额外信息密文的一维像素数组并提取y_a+1至像素的最高有效位，得到额外信息密文S′；用信息隐藏密钥K对称解密额外信息密文S′，得到额外信息S。