[发明专利]面向图像内容安全及隐私保护的多层数字面纱设计方法

权利要求书

1.一种面向图像内容安全及隐私保护的多层数字面纱设计方法，其特征在于包括：

一、单层数字面纱生成；所述单层数字面纱分主层面纱和敷层面纱两种；

主层面纱由以下参数生成：给定M×N数字图像矩阵I，将其分成若干m×n图像子块；面纱密度d为面纱网格点占图像整体的百分比，或分别由面纱行列占原图像行列的百分比d1和d2确定，即d＝(d1,d2)；面纱强度参数alpha≥1为面纱网格格点取值的调节参数；生成伪随机序列的种子z＝(z1,z2,z3)；主层面纱生成过程包括以下步骤：

(1)预处理过程

①计算图像分块数Br×Bc

Br＝round(M/m)；Bc＝round(N/n)；若mod(M,m)＝a1≠0，mod(N,n)＝a2≠0，则需要先对图像矩阵分别用0在其下方和右方扩展m-a1行以及n-a2列，得到一个(M+m-a1)×(N+n-a2)矩阵；面纱生成后图像矩阵下方和右方用0扩展m-a1行以及n-a2列可以裁剪掉以保持图像大小前后一致；

②计算Br×Bc个图像子块的均值P和均方差Q

依逐行扫描方式按照常规方法抽取图像各子块，计算每个子块的均值及均方差，并分别保存到P和Q；

③计算更新图像I1

依据模256同余运算法则将原图像I每个子块减去其均值得到更新子块并按其在原图像的对应位置拼装，使其元素值在0～255之间，由此得到更新图像I1；

④子块面纱强度的设置与调节

面纱强度S等于调节参数alpha乘以基准强度，其设置与调节有以下两种处理选项：

a.依据图像每个子块的保护要求，分别指定其基准强度，由此确定S；

b.取每个子块的均方差作为其基准强度，由此确定S；

(2)主层面纱的生成

①依次选取图像子块A_ij，其中：i＝1,2,…,Br；j＝1,2,…,Bc；

②对每个子块，重复本过程，生成相应密度与强度的单层面纱；

按照敷层面纱的生成步骤，生成相应面纱；

③主层面纱生成

根据各子块在原图像的对应位置拼装各子面纱，即得主层面纱；

敷层面纱由以下参数生成：给定数字图像的行列大小分别为M和N；面纱密度d为面纱网格点占图像整体的百分比，或分别由面纱行列占原图像行列的百分比d1和d2确定，即d＝(d1,d2)；面纱强度S为面纱网格格点取值的最大值；伪随机序列种子密钥为z＝(z1,z2,z3)；其生成过程有两种方式，敷层面纱生成过程包括以下步骤：

(1)方式一

①计算随机抽取的网格行列数M1，N1

面纱行数M1＝round(d1*M)；面纱列数N1＝round(d2*N)；

②生成随机网格格点位置

a.采用种子z1生成M个取值范围在1～M的伪随机数，取其前M1个作为网格的行坐标；

b.采用种子z2生成N个取值范围在1～N的伪随机数，取其前N1个作为网格的列坐标；

c.将M1个行坐标与N1个列坐标按笛卡尔积方式展开，得到所有的M1×N1个网格点坐标位置；

③生成数字面纱

采用种子z3和面纱强度S生成由M1×N1个伪随机整数形成的取值范围为1～S的二维M1×N1矩阵，将该矩阵中的值赋给前面生成的M1×N1个网格点，完成单层数字面纱的生成；

(2)方式二

①依据给定面纱密度计算随机抽取的网格点位置

a.采用种子z1按照某种随机分布生成取值范围在(0,1)的M×N随机矩阵R＝[r_ij]_M×N；

b.取面纱密度d1作为阈值T的参数，即令T＝1-d1，则所求网格点位置由矩阵R*＝[r*_ij]_M×N内取值为1的元素确定，其中：若r_ijT，则r*_ij＝0；否则r*_ij＝1；

②生成数字面纱

采用种子z3和面纱强度S生成取值范围为1～S的均匀分布伪随机整数M×N矩阵Vt，则单层数字面纱V＝Vt.*R*，即Vt与网格点矩阵R*的点积(也就是两个矩阵对应元素的乘积)；

二、多层数字面纱生成；多层数字面纱由一个主层面纱及多个敷层面纱，或仅由多个敷层面纱构成；

给定数字图像的行列大小分别为M和N，多层面纱层数为L；每层面纱密度为di＝(di1,di2)，每层面纱强度Si或面纱强度调节参数为alphai，每层选定的种子序列为zi＝(zi1,zi2,zi3),i＝1,2,…,L；则多层数字面纱生成过程包括以下步骤：

(1)初始化

通过简单赋值，生成元素全部为0的M×N面纱矩阵V；

(2)循环L次生成多层面纱

①根据每层面纱规格参数di,Si或alphai,zi，采用上述单层数字面纱生成过程，得到单层面纱矩阵Vi；

②更新面纱矩阵，即V＝Vi+V；

③以i控制本过程中步骤①和②循环L次，其中i＝1,2,…,L；

三、数字面纱安装与解除；

数字面纱的安装：由原图像为I，更新图像为I1，面纱或多层更新面纱为V，可得安装结果为：

①敷层面纱或多层敷层面纱为Iv＝I+V(mod 256)；

②主层面纱或主层+敷层混合面纱为Iv＝I1+V(mod 256)；

数字面纱的解除：对于密钥拥有者，即已知M,N,m,n,L,d,S(alpha),zi(i＝1,2,3),P和Q以及面纱构成方式与类型参数，若基准强度按子块设定，则还需要各子块基准强度设定值，这时数字面纱可以从伪装图像Iv无损解除，得到原始图像I；其中，L为多层面纱层数。

2.根据权利要求1所述的面向图像内容安全及隐私保护的多层数字面纱设计方法，其特征在于所述数字面纱的解除过程包括以下步骤：

(1)对敷层面纱：恢复原始图像I＝Iv-V(mod 256)；

(2)对主层或混合面纱：

①恢复更新图像I1＝Iv-V(mod 256)；

②恢复原始图像I＝I1+P(mod 256)。