數(shù)字圖像密文域可逆信息隱藏技術(shù)研究

何惜琴

摘要：數(shù)字圖像密文域可逆信息隱藏技術(shù)是確保圖像安全傳輸?shù)年P(guān)鍵，可以避免數(shù)字圖像在網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)倪^程中被篡改、偽造、非法復(fù)制等，本文對數(shù)字圖像密文域可逆信息隱藏技術(shù)進(jìn)行了研究。論文給出了密文域可逆信息隱藏的原理和框架，對密文域可逆信息隱藏性能評價的指標(biāo)主要是圖像質(zhì)量、信息隱藏容量和錯誤率，同時對基于離散余弦變換和離散小波變換的可逆信息隱藏算法進(jìn)行了研究。本論文的研究對數(shù)字圖像密文域可逆信息隱藏具有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：數(shù)字圖像;可逆信息隱藏;密文域

一、密文域可逆信息隱藏概述

（一）密文域可逆信息隱藏原理

云計算平臺的快速發(fā)展以及各種隱私保護(hù)的應(yīng)用使得密文域信息處理受到更為廣泛的關(guān)注，原始多媒體文件常常是以加密的方式放在云端進(jìn)行存儲，對于云端的管理者來講，盡管其并不清楚多媒體文件中所包含的秘密內(nèi)容，但是仍然希望在加密文件中添加輔助的信息，這就必須采用密文域可逆信息隱藏算法。可逆信息隱藏技術(shù)是信息隱藏技術(shù)研究的重要分支，其原理是多媒體文件的擁有者通過嵌入密鑰將保密信息 嵌入到宿主文件 中從而得到載密文件 。載密文件 通過互聯(lián)網(wǎng)平臺進(jìn)行文件的傳輸，在接收端接收方通過擁有的嵌入密鑰從載密文件 中獲得嵌入的保密信息 以及無失真地恢復(fù)宿主文件 。

（二）密文域可逆信息隱藏框架

為了確保信息的安全，多媒體信息的擁有者往往對原始的圖像進(jìn)行加密操作，將實施加密操作后的圖像傳輸給云端服務(wù)器。云端的管理者對加密的多媒體文件添加一些認(rèn)證數(shù)據(jù)信息、時間信息等。對于云端的管理者而言，其沒有多媒體文件的加密密鑰，也就無法獲得秘密內(nèi)容，確保了信息的安全性。接收方根據(jù)多媒體文件擁有者提供的加密密鑰進(jìn)行相應(yīng)的操作就可以獲得秘密內(nèi)容和原始宿主文件。密文域可逆信息隱藏框架如圖1所示。

;;;; 圖1 密文域可逆信息隱藏框架圖

由圖1可知，圖像的擁有者在對原始數(shù)字圖像加密之前需要進(jìn)行圖像的預(yù)處理操作，圖像的預(yù)處理包括明文域可逆信息的隱藏處理、圖像的處理或者不進(jìn)行圖像的預(yù)處理。云端管理者主要是完成對密文多媒體文件的云端管理，如將一些標(biāo)記信息嵌入到密文多媒體文件中去，目前將標(biāo)記信息嵌入到密文多媒體文件的辦法有壓縮密文數(shù)據(jù)等。對于多媒體文件的接收方而言，其擁有密鑰，通過密鑰對載密的多媒體文件進(jìn)行操作，從而獲得信息和載密的解密圖像。

（三）密文域可逆信息隱藏應(yīng)用

密文域可逆信息隱藏在社會生活的許多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，如醫(yī)療領(lǐng)域、軍事通信領(lǐng)域、云管理領(lǐng)域等。在醫(yī)療領(lǐng)域，為了保護(hù)患者的個人隱私，患者的個人病情診斷圖像信息只希望被主治醫(yī)師看到，因此必須對加密后的患者診斷圖像嵌入姓名、年齡等額外的信息，這樣才能更加便于云端管理者對患者的診斷圖像信息進(jìn)行管理。在軍事通信領(lǐng)域，各種軍事信息都是高度機(jī)密的，一旦原始的載體數(shù)據(jù)信息遭受到破壞，那么就很容易引起嚴(yán)重的后果?；诖?，各種軍事信息在進(jìn)行通信傳輸之前必須進(jìn)行加密處理，同時為了更好地對軍事信息進(jìn)行管理，需要在密文圖像中添加一些附加的信息。在云管理領(lǐng)域，信息技術(shù)的快速發(fā)展使得大量的多媒體數(shù)據(jù)被存儲在云端，為了確保自己的數(shù)據(jù)安全性得到保證，多媒體數(shù)據(jù)的擁有者需要對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，同時傳遞給云端的管理者，這使得密文域可逆信息隱藏技術(shù)得到了快速的發(fā)展。

二、密文域可逆信息隱藏性能評價

（一）圖像質(zhì)量

對多媒體文件的處理在一定程度上會導(dǎo)致圖像的失真，即一些重要信息的丟失，密文域可逆信息隱藏性能評價可以采用圖像質(zhì)量評價指標(biāo)。所謂圖像質(zhì)量主要是用于評價圖像經(jīng)過各種處理操作之后和原始圖像相比感知的質(zhì)量。對圖像質(zhì)量的評價主要是從兩個角度，即主觀的角度和客觀的角度。從主觀的角度來講，其是通過人眼去觀察，如果圖像在經(jīng)過處理之后，其失真的程度通過人的肉眼無法察覺到，那么就認(rèn)為其具有比較好的圖像質(zhì)量。從客觀的角度來講，主要有均方差、峰值信噪比等衡量指標(biāo)。

均方差是最為常見、最為簡單的衡量圖像質(zhì)量的指標(biāo)，對于一個大小為的原始圖像A，在原始圖像A中嵌入秘密信息得到圖像，那么通過計算兩幅圖像像素之間的均方差對圖像相對于原始圖像A的改變程度進(jìn)行評價。如果均方差的計算結(jié)果數(shù)值比較大，那么說明圖像的質(zhì)量發(fā)生了明顯的改變。均方差MSE的計算公式為：

（1）

式中，為原始圖像A的像素值，為圖像的像素值， M為圖像的高度，N為圖像的寬度。

峰值信噪比PSNR是衡量圖像質(zhì)量的另外一個常見指標(biāo)，其值越大表明圖像的失真程度越低，其值越小表明圖像的失真程度越高。峰值信噪比的計算公式為：

（2）

峰值信噪比的大小和均方差之間具有一定的關(guān)系，均方差越小，其峰值信噪比數(shù)值越大，即隱藏的秘密信息不可見性越好。峰值信噪比在一定程度上反映了圖像在信息隱藏前后的變化。大量的試驗結(jié)果表明，單純的通過峰值信噪比對圖像的質(zhì)量進(jìn)行判斷往往無法達(dá)到和人的視覺感知相一致的目的，有可能存在峰值信噪比數(shù)值較大但是圖像的失真度更高的感覺。造成出現(xiàn)這種情況的原因是人的肉眼對誤差的敏感并不是絕對的，肉眼對圖像感知的效果受到多種因素的影響，因此在實際的應(yīng)用過程中，對圖像質(zhì)量的判斷要通過峰值信噪比和人的肉眼視覺進(jìn)行綜合判斷。

（二）信息隱藏容量

信息隱藏容量是衡量密文域可逆信息隱藏技術(shù)好壞的重要指標(biāo)，圖像在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)倪^程中，信息隱藏容量越多，通信速率越快，但是信息隱藏容量越大往往會導(dǎo)致圖像的失真度越高。在進(jìn)行信息隱藏的過程中必須以保證比較高的圖像質(zhì)量為前提。信息隱藏率是衡量信息隱藏容量的表達(dá)式，其計算公式為：

（3）

式中，S為秘密信息的大小，N為原始圖像像素個數(shù)大小。

（三）錯誤率

錯誤率是衡量密文域可逆信息隱藏技術(shù)好壞的另一重要指標(biāo)，是指所提取信息的錯誤率。為了獲得比較高的信息隱藏容量，往往需要將原始的圖像劃分為多個圖像塊。劃分的圖像塊數(shù)量越多，其隱藏的秘密信息越多，同時劃分圖像的塊數(shù)越小導(dǎo)致提取信息的錯誤風(fēng)險越高。大量的試驗結(jié)果表明，如果劃分圖像的塊數(shù)小于32×32，那么提取信息就會存在很高的錯誤率。在進(jìn)行信息隱藏的過程中必須選擇合適的隱藏算法才能有效地消除錯誤率。

三、基于頻域的可逆信息隱藏算法

（一）基于離散余弦變換的可逆信息隱藏算法

DCT（離散余弦變換）是實數(shù)域內(nèi)的變換，原始信號經(jīng)過DCT變換所得到的依舊是實數(shù)域內(nèi)信號，其計算量比較小。對于絕大多數(shù)的數(shù)字圖像，經(jīng)過DCT變換之后能量集中在低頻部分。因此，為了獲得比較高的數(shù)字圖像，可以將秘密信息隱藏在高頻部分。基于DCT的可逆信息隱藏算法首先是將原始的數(shù)字圖像均勻劃分為若干個部分，然后將圖像進(jìn)行DCT變換，將原始圖像由空間域轉(zhuǎn)變到頻域，最后對其進(jìn)行量化、編碼、輸出。在對原始的圖像進(jìn)行DCT變換之后，其系數(shù)值主要是集中在0值附近，同時波動的范圍比較小?；谶@一特征，DCT系數(shù)可以通過比較少的比特數(shù)來表示。圖像的能量主要是集中在圖像的低頻部分，即不為零的系數(shù)集中在一起，因此可以有效地對圖像進(jìn)行壓縮處理，獲得更多的空余空間來隱藏秘密的信息。在進(jìn)行圖像處理的過程中只要對圖像的低頻部分不做任何的改變，那么就可以保證比較高的圖像質(zhì)量?；陔x散余弦變換的可逆信息隱藏算法是將秘密信息隱藏在原始圖像的中頻部分，這樣可以達(dá)到不影響圖像質(zhì)量，同時又不會被輕易破壞的目的。

（二）基于離散小波變換的可逆信息隱藏算法

小波變換是一種至關(guān)重要的圖像處理技術(shù)，對圖像進(jìn)行小波變換可以將圖像分為低頻部分和高頻部分，這兩個部分分別表示了圖像的重要信息和不重要的信息。原始圖像進(jìn)行一次小波變換形成了四個區(qū)域，分別為LL區(qū)域、LH區(qū)域、HL區(qū)域和HH區(qū)域，其中LL區(qū)域為最低頻部分，包含了圖像最重要的信息;HH區(qū)域為最高頻部分，包含了圖像最不重要的信息。為了有效實現(xiàn)對圖像可逆信息的隱藏，用于隱藏秘密信息的小波系數(shù)必須滿足兩個條件，即圖像處理和噪聲干擾都不會過多的改變小波系數(shù)，在嵌入高容量的同時必須確保比較高的圖像質(zhì)量?；陔x散小波變換的可逆信息隱藏算法是將秘密信息隱藏在LH區(qū)域、HL區(qū)域以及HH區(qū)域，通過修正這三個非低頻區(qū)域的小波系數(shù)來達(dá)到信息隱藏的目的。

四、結(jié)論

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多媒體技術(shù)的快速發(fā)展使得數(shù)字圖像通過網(wǎng)絡(luò)傳播變得非常普遍，但是在借助網(wǎng)絡(luò)傳播的過程中面臨圖像被篡改、偽造等安全問題，確保數(shù)字圖像的安全傳輸至關(guān)重要。本文對數(shù)字圖像密文域可逆信息隱藏技術(shù)進(jìn)行研究，分析了密文域可逆信息隱藏的原理與框架，對密文域可逆信息隱藏性能評價的指標(biāo)主要是圖像質(zhì)量、信息隱藏容量以及錯誤率，同時對基于離散余弦變換的可逆信息隱藏算法和基于離散小波變換的可逆信息隱藏算法進(jìn)行了研究。本論文的研究對更加客觀全面地了解數(shù)字圖像密文域可逆信息隱藏具有一定的參考價值。

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福建省教育廳項目，JAT190888基于密文域的圖像可逆信息隱藏算法研究。