[发明专利]一种密文域高容量图像可逆数据隐藏方法

权利要求书

1.一种密文域高容量图像可逆数据隐藏方法，其特征在于包括预测错误检测、图像加密、密文域图像可逆数据隐藏、隐秘信息提取和原始图像无损恢复四部分；

在预测错误检测部分中，先将待处理的灰度图像中的所有像素点分为采样像素点和非采样像素点两类；然后利用所有采样像素点的像素值计算每个非采样像素点的预测值；再根据所有非采样像素点的像素值和预测值，将所有非采样像素点分别标记为预测错误的非采样像素点和标记为预测准确的非采样像素点两类，得到标记后的灰度图像；

在图像加密部分中，利用加密密钥生成的第一二值伪随机序列对标记后的灰度图像中的每个像素点进行加密，得到密文域图像；

在密文域图像可逆数据隐藏部分中，先利用数据隐藏密钥生成的第二二值伪随机序列对待嵌入的隐秘信息进行加密，得到加密隐秘信息；然后利用加密隐秘信息对密文域图像中的每个标记为预测准确的非采样像素点进行数据嵌入，得到含隐秘信息的密文域图像；

在隐秘信息提取和原始图像无损恢复部分中，分三种情况：

第一种情况为接收端仅有加密密钥，先利用加密密钥生成的第三二值伪随机序列对含隐秘信息的密文域图像中的每个像素点进行解密，得到解密域图像；然后利用解密域图像中的所有采样像素点的像素值，计算解密域图像中的每个标记为预测准确的非采样像素点的预测值；再根据解密域图像中的采样像素点和标记为预测错误的非采样像素点各自的像素值，获得原始灰度图像中对应像素点的像素值；并根据解密域图像中的标记为预测准确的非采样像素点的像素值和预测值，获得原始灰度图像中对应像素点的像素值；

第二种情况为接收端仅有数据隐藏密钥，先从含隐秘信息的密文域图像中的每个标记为预测准确的非采样像素点中提取出两位嵌入信息，得到隐秘信息；然后利用数据隐藏密钥生成的第四二值伪随机序列对提取的隐秘信息进行解密，得到解密隐秘信息，即得到原始隐秘信息；

第三种情况为接收端既有加密密钥也有数据隐藏密钥，首先，按照第二种情况的过程，以相同的方式提取得到解密隐秘信息即原始隐秘信息；其次，按照第一种情况的过程，以相同的方式无失真地恢复出原始灰度图像；

所述的预测错误检测部分的具体步骤为：

步骤1_1：将待处理的灰度图像中的每个像素点确定为采样像素点或非采样像素点；对于待处理的灰度图像中的任一个像素点，若该像素点的坐标位置为(2n-1,2m-1)，则将该像素点确定为采样像素点；将待处理的灰度图像中除采样像素点外的所有像素点确定为非采样像素点；其中，n和m为正整数，N表示待处理的灰度图像的宽度，M表示待处理的灰度图像的高度，符号为向下取整运算符号；

步骤1_2：采用插值技术，利用待处理的灰度图像中的所有采样像素点的像素值，计算待处理的灰度图像中的每个非采样像素点的预测值；

步骤1_3：对待处理的灰度图像中的每个非采样像素点进行标记，标记为预测错误或预测准确；对于待处理的灰度图像中的任一个非采样像素点，将该非采样像素点的像素值的二进制数的最高比特位取反，得到该非采样像素点的像素值对应的第一修正值；并将该非采样像素点的像素值的二进制数的次高比特位取反，得到该非采样像素点的像素值对应的第二修正值；将该非采样像素点的像素值的二进制数的最高比特位和次高比特位同时取反，得到该非采样像素点的像素值对应的第三修正值；然后计算该非采样像素点的像素值与预测值的差值的绝对值、该非采样像素点的像素值对应的第一修正值与预测值的差值的绝对值、该非采样像素点的像素值对应的第二修正值与预测值的差值的绝对值、该非采样像素点的像素值对应的第三修正值与预测值的差值的绝对值，若该非采样像素点的坐标位置为(x,y)，则将上述4个绝对值依次对应记为I₀(x,y)、I₁(x,y)、I₂(x,y)、I₃(x,y)；再判断I₀(x,y)≥I₁(x,y)或I₀(x,y)≥I₂(x,y)或I₀(x,y)≥I₃(x,y)是否成立，若成立，则将该非采样像素点标记为预测错误，否则，将该非采样像素点标记为预测准确；在待处理的灰度图像中的所有非采样像素点标记完毕后，得到标记后的灰度图像；其中，1≤x≤N，1≤y≤M；

所述的图像加密部分的具体步骤为：

步骤2_1：利用加密密钥生成一个第一二值伪随机序列；其中，第一二值伪随机序列的长度为大于或等于N×M×8，N表示待处理的灰度图像的宽度，M表示待处理的灰度图像的高度；

步骤2_2：将标记后的灰度图像中当前待处理的像素点定义为当前像素点；

步骤2_3：从第一二值伪随机序列中取出第p位至第p+7位信息；然后利用取出的8位信息对当前像素点的像素值的二进制数的8位比特位进行按位异或加密，以完成当前像素点的加密；其中，p的初始值为1，1≤p≤N×M×8-7；

步骤2_4：令p＝p+8，并将标记后的灰度图像中下一个待处理的像素点作为当前像素点，然后返回步骤2_3继续执行，直至标记后的灰度图像中的所有像素点加密完毕，得到密文域图像；其中，p＝p+8中的“＝”为赋值符号；

所述的密文域图像可逆数据隐藏部分的具体步骤为：

步骤3_1：利用数据隐藏密钥生成一个第二二值伪随机序列；然后利用第二二值伪随机序列中的每位信息对待嵌入的隐秘信息中的每位信息进行按位异或加密，得到加密隐秘信息；其中，第二二值伪随机序列的长度等于Q，Q表示待嵌入的隐秘信息的长度，Q≥2F，F表示密文域图像中标记为预测准确的非采样像素点的总个数；

步骤3_2：将密文域图像中当前待处理的像素点定义为当前像素点；从加密隐秘信息中取出第q位至第q+1位信息，并定义为当前嵌入信息；其中，q的初始值为1，1≤q≤Q-1；

步骤3_3：判断当前像素点是否为标记为预测准确的非采样像素点，如果是，则利用当前嵌入信息对当前像素点进行数据嵌入，若当前像素点的坐标位置为(x,y)，则将当前像素点经数据嵌入后的像素值记为I′_cur(x,y)，然后令q＝q+2，再执行步骤3_4；否则，对当前像素点不进行数据嵌入，然后执行步骤3_4；其中，1≤x≤N，1≤y≤M，W(q)表示加密隐秘信息中的第q位，W(q+1)表示加密隐秘信息中的第q+1位信息，B_cur,(x,y)(k)表示当前像素点的像素值的二进制数的第k位比特位，q＝q+2中的“＝”为赋值符号；

步骤3_4：将密文域图像中下一个待处理的像素点作为当前像素点，将加密隐秘信息中的第q位至第q+1位信息作为当前嵌入信息，然后返回步骤3_3继续执行，直至密文域图像中的所有像素点处理完毕，得到含隐秘信息的密文域图像；

所述的隐秘信息提取和原始图像无损恢复部分分三种情况：

第一种情况为接收端仅有加密密钥，具体步骤为：

步骤4A_1：利用加密密钥生成一个第三二值伪随机序列；其中，第三二值伪随机序列的长度为大于或等于N×M×8；

步骤4A_2：将含隐秘信息的密文域图像中当前待处理的像素点定义为当前像素点；

步骤4A_3：从第三二值伪随机序列中取出第p位至第p+7位信息；然后利用取出的8位信息对当前像素点的像素值的二进制数的8位比特位进行按位异或解密，以完成当前像素点的解密；其中，p的初始值为1，1≤p≤N×M×8-7；

步骤4A_4：将含隐秘信息的密文域图像中下一个待处理的像素点作为当前像素点，然后返回步骤4A_3继续执行，直至含隐秘信息的密文域图像中的所有像素点处理完毕，得到解密域图像；

步骤4A_5：采用与步骤1_2中相同的插值技术，利用解密域图像中的采样像素点的像素值，计算解密域图像中的每个标记为预测准确的非采样像素点的预测值；

步骤4A_6：无失真恢复出原始灰度图像，将原始灰度图像中坐标位置为(x,y)的像素点的像素值记为I_org(x,y)，若解密域图像中坐标位置为(x,y)的像素点为采样像素点或标记为预测错误的非采样像素点，则令I_org(x,y)＝I_jm(x,y)；若解密域图像中坐标位置为(x,y)的像素点为标记为预测准确的非采样像素点，则令令令令令I_pre(x,y)表示解密域图像中坐标位置为(x,y)的像素点的预测值，当与I_pre(x,y)的差值的绝对值小于与I_pre(x,y)的差值的绝对值且小于与I_pre(x,y)的差值的绝对值且小于与I_pre(x,y)的差值的绝对值时令当与I_pre(x,y)的差值的绝对值小于与I_pre(x,y)的差值的绝对值且小于与I_pre(x,y)的差值的绝对值且小于与I_pre(x,y)的差值的绝对值时令当与I_pre(x,y)的差值的绝对值小于与I_pre(x,y)的差值的绝对值且小于与I_pre(x,y)的差值的绝对值且小于与I_pre(x,y)的差值的绝对值时令当与I_pre(x,y)的差值的绝对值小于与I_pre(x,y)的差值的绝对值且小于与I_pre(x,y)的差值的绝对值且小于与I_pre(x,y)的差值的绝对值时令其中，1≤x≤N，1≤y≤M，I_jm(x,y)表示解密域图像中坐标位置为(x,y)的像素点的像素值，均为引入的中间变量，B_jm,(x,y)(k)表示解密域图像中坐标位置为(x,y)的像素点的像素值的二进制数的第k位比特位，I_org(x,y)＝I_jm(x,y)、中的“＝”为赋值符号；

第二种情况为接收端仅有数据隐藏密钥，具体步骤为：

步骤4B_1：将含隐秘信息的密文域图像中当前待处理的像素点定义为当前像素点；

步骤4B_2：判断当前像素点是否为标记为预测准确的非采样像素点，如果是，则对当前像素点进行嵌入信息的提取，若当前像素点的坐标位置为(x,y)，且提取出的两位嵌入信息分别为第q位和第q+1位，对应记为和则有然后令q＝q+2，再执行步骤4B_3；否则，对当前像素点不进行处理，然后执行步骤4B_3；其中，1≤x≤N，1≤y≤M，q的初始值为1，1≤q≤Q-1，符号为向下取整运算符号，I′_ew,cur(x,y)表示当前像素点的像素值，mod()为求模操作函数，q＝q+2中的“＝”为赋值符号；

步骤4B_3：将含隐秘信息的密文域图像中下一个待处理的像素点作为当前像素点，然后返回步骤4B_2继续执行，直至含隐秘信息的密文域图像中的所有像素点处理完毕，提取得到隐秘信息；

步骤4B_4：利用数据隐藏密钥生成一个第四二值伪随机序列；然后利用第四二值伪随机序列中的每位信息对提取的隐秘信息中的每位信息进行按位异或解密，得到解密隐秘信息，即得到原始隐秘信息；其中，第四二值伪随机序列的长度等于Q；

第三种情况为接收端既有加密密钥也有数据隐藏密钥，具体步骤为步骤4B_1至步骤4B_4及步骤4A_1至步骤4A_6的结合。