基于预测误差自适应编码的图像加密可逆数据隐藏 - 杨尧林, 和红杰, 陈帆, 原长琦.pdf
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计 算 机 研 究 与 发 展
DOI
:
１０．７５４４∕issn１０００Ｇ１２３９．２０２１．２０２００１７２
JournalofCom
p
uterResearchandDevelo
p
ment ５８
(
６
):
１３４０ １３５０
,
２０２１
收稿日期
:
２０２０
－
０３
－
１７
;
修回日期
:
２０２０
－
０７
－
２４
基金项目
:
国家自然科学基金项目
(
６１８７２３０３
,
U１９３６１１３
);
四川省科技厅科技创新人才计划项目
(
２０１８RZ０１４３
)
Thisworkwassu
pp
ortedb
y
the NationalNaturalScienceFoundationofChina
(
６１８７２３０３
,
U１９３６１１３
)
andtheScienceand
Technolo
gy
InnovationTalentsPro
g
ramofSichuanScienceandTechnolo
gy
De
p
artment
(
２０１８RZ０１４３
)
．
通信作者
:
陈帆
(
fchen＠ sw
j
tu．edu．cn
)
基于预测误差自适应编码的图像加密可逆数据隐藏
杨 尧 林
１
和 红 杰
１
陈
帆
１
原 长 琦
２
１
(
西南交通大学信息科学与技术学院
成都
６１１７５６
)
２
(
北京电子技术应用研究所
北京
１０００９１
)
(
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g
wr＠foxmail．com
)
ReversibleDataHidin
g
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g
eEncr
yp
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,
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１
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Chen
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６１１７５６
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Instituteo
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１０００９１
)
Abstract Forthesecurit
yp
roblemofexistin
g
schemesintheima
g
eencr
yp
tion
,
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p
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p
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,
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p
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p
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p
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g
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yp
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e
,
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g
e
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yp
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g
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g
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,
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g
and
p
ixel
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yp
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g
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,
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g
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p
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g
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g
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g
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g
e
,
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g
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g
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,
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g
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,
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g
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Com
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g
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,
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g
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g
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y
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０．４９b
pp
,
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y
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g
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g
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Ke
y
words reversibledatahidin
g
;
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yp
tion
;
g
rou
p
scramblin
g
;
ada
p
tivecodin
g
;
p
rivac
yp
rotection
摘
要
针对现有算法中加密图像存在安全隐患
,
及选用编码不 佳导致 图像压 缩率较 低的问 题
,
提出了
一种基于预测误差自适应编码的图像加密可逆数据隐藏算法
．
图像加密阶段
,
设计了一种基于误差维持
的图像加密算法
,
首先对
３×３
的图像块做块间置乱和像素调制加密
,
然后根据 图像块 中心像 素值将 非
中心像素分组置乱
．
数据嵌入阶段
,
根据图 像自身 预测误 差分布 自适应 编码
,
使用编 码表对 像素进 行标
记分类后
,
将编码表与附 加 数 据 共 同 隐 藏 在 加密 图像 中生 成携 密加 密图 像
．
实 验 结 果表 明
:
加 密 阶 段
分组置乱操作
,
使原始图像与加密图像中特征值差异块数增多
,
难以确定加密前后图像中各图像块间的
对应关系
,
提高了加密图像的安全性
,
且图像整体的预测误差分布保持不变
;
相较于现有算法
,
平均嵌入
率提高
０．４９b
pp
以上
,
且能无损提取附加数据
、
恢复原始图像
．
关键词
可逆数据隐藏
;
误差维持加密
;
分组置乱
;
自适应编码
;
隐私保护
中图法 分类号
TP３９１
随着计算机的发 展 应用
,
更多 的 用户 选 择把 数
据上传至云端存储
,
云存 储 使数 据 的所 有 权和 管 理
权分离
,
使得云存储中 数 据安 全 以及 个 人隐 私 保护
引起了 人 们 的 关 注
,
加 密 图 像 可 逆 数 据 隐 藏
(
revＧ
ersibledatahidin
g
inencr
yp
tedima
g
e
,
RDHＧEI
)
可为云存储中图像数据的安全 提供技 术支持
[
１Ｇ２
]
．
与
传统 的明 文 域可 逆 数据 隐 藏不 同
,
RDHＧEI
首先 对
图像进行加密
,
在加密图像中实现可逆的数据隐藏
．
其中
,
图像加密有效避免了原始图像内容的泄露
．
同
时
,
密文图像中附加 数 据的 提 取可 用 于图 像 真实 性
认证
,
来源追踪及隐私保护等多种应用场景
[
３Ｇ４
]
．
现有
RDHＧEI
可 分 为
２
类
:
加 密 前 预 留 空 间
(
reservin
g
room beforeencr
yp
tion
,
RRBE
)
[
５Ｇ９
]
和
加密 后 腾 出 空 间
(
vacatin
g
room afterencr
yp
tion
,
VRAE
)
[
１０Ｇ１８
]
．RRBEＧRDHEI
可 利 用 明 文 图 像 像 素
间的相关性提高嵌 入 容量
,
但增 加 了图 像 拥有 者 的
操作难度
,
不仅需要对原始图像进行加密
,
还要在加
密前执行预处理操 作
,
这对 于 普通 用 户来 说 是难 以
实现的
．
而在
VRAEＧRDHEI
中
,
图像拥有 者只需 要
执行图像加密即可
,
减小了图像拥有者的技术需求
．
在已有的
VRAEＧRDHEI
算 法 中
,
根 据 嵌 入方
法的不同可分为
３
类
:
１
)
采用低位翻转
[
１０Ｇ１２
]
,
通过翻
转加密图像像素的最低有效位
(
leastsi
g
nificantbit
,
LSB
)
嵌入附加数据
．
该类算法操作简单
,
可获得较高
的直接解密图像质量
,
但数 据 提取 与 图像 恢 复
２
个
步骤不可分离
,
且图像恢复阶段不能完全可逆
．２
)
采
用传统
RDH
嵌 入 附 加数 据
,
其 中 直 方图 移位
[
１３Ｇ１５
]
应用较广泛
,
通过寻 找像 素 值或 误 差值 的 峰值 点 与
零点值
,
将像素值进行小幅度修改实现信息的嵌入
．
该类算法能够实现完全可逆
,
但嵌入容量相对较小
．
３
)
采用编码无损压缩
,
使用编码表对图像进行压缩
,
从而腾出空间 用 于 嵌 入 附 加 数 据
．
该 类 算 法 嵌 入 容
量较高
,
得到多数学者的关注
．Yi
等人
[
１６
]
提出一种参
数加密域可逆数 据 隐藏
(
p
arametricreversibledata
hidin
g
inencr
yp
tedima
g
es
,
PRDHEI
)
算 法
,
设 计
了
２
种嵌入编码策略
,
在嵌 入 过程 中 选取 嵌 入率 较
高的编码表进 行 标 记 压 缩
．
在 图 像 完 全 恢 复 的 情 况
下
,
平均 嵌 入 率 达
１．１９b
pp
．
为 进 一 步 提 高 嵌入 率
,
Yi
等人
[
１７
]
修改了嵌入过程中使用的编码表
．
在二叉
树逻辑结构的基础 上 实用 化
,
提出 了 参数 二 叉树 标
记
(
p
arametricbinar
y
treelabelin
g
,
PBTL
)
的方法
,
将加密后图像的像素根据预测误差及选取的参数标
记为可嵌入像素和不可嵌入像素
２
种
,
标记后压缩的
空间可用来嵌入秘密信息
．
该算法的平均嵌入率可达
１．６８b
pp
,
相较 于 文 献
[
１６
]
的 嵌 入 率提 高
０．４９b
pp
．
上述
２
种方案对可嵌入像素预测误差的编码长度是
相等的
,
但对分布不均匀的预测误差
,
变长编码要比
定长编码具有 更 高 的压 缩率
．
在
Fu
等 人
[
１８
]
提 出 的
自适应编码策略算 法 中
,
使用 预 先设 定 的哈 夫 曼编
码表对加密后图像 块的最 高有效 位
(
mostsi
g
nificant
bit
,
MSB
)
分 类 标 记
,
平 均 嵌 入 率 可 达
１．８１b
pp
．
该
方案中编码 表 涵 盖了 一个 块中 最 多 存 在
４
种 不 同
MSBs
的情况
,
但对纹理图像
,
包含
４
种
MSBs
以上
的块数是较多的
,
将其 全 部作 为 不可 嵌 入块 将 会导
致嵌入率降低
．
综上所述
,
现有
VRAEＧRDHEI
文献
中使用的编码表大 多 是预 先 设定 的
,
未结 合 图像 自
身的特征
,
因此根据 图 像自 身 像素 值 特征 选 取适 合
的编码策略是提高嵌入容量的一种有效解决方案
．
提高嵌入容量是已有
RDHＧEI
算法研究的主要
内容
,
同时
,
加密算法的安全性也逐渐被研究者们关
注
．
上述算法中
,
文献
[
７Ｇ１２
]
采用了位异或加密方法
,
加密后的熵值较高
,
密文图像类似随机噪声
,
但加密
前后像素位置并未发生变化
,
不能抵抗
Khelifi
[
１９
]
提
出的唯密文攻击
．
为抵抗这类唯密文攻击算法
,
多位
研究者 提 出 块 置 乱 及 相 应 改 进 算 法
[
１３Ｇ１８
]
．
在 文 献
[
１３
]
中
,
采用块内置乱与块间置乱
,
该方法中像素值
并未发生改 变
,
不 能 抵 抗
Li
等 人
[
２０
]
提 出 的 已知 明
文攻击
．
在文 献
[
１６Ｇ１７
]
中
,
块 间 置 乱与 像素 调制 后
虽然像素的位置与 像 素值 均 发生 变 化
,
但块 内 像素
的相对差值依旧会保留
．
在文献
[
１５
]
中
,
块间置乱与
块内异或后由于块内像素进行异或运算的二进制值
序列相同
,
所以块内像素的部分相关性将会保留
,
且
在块间置乱前后
,
加密 图 像块 与 原始 图 像块 是 一一
对应的关系
．
上述加密算法中
,
原始图像与加密图像
１４３１
杨尧林等
:
基于预测误差自适应编码的图像加密可逆数据隐藏
of 11
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