[发明专利]JPEG图像比特流加密域可逆数据隐藏方法

摘要

一种JPEG图像比特流加密域可逆数据隐藏方法，用户在JPEG比特流中根据加密密钥对每个图像块中所有熵编码的扩展位异或加密，并对除最后一个非零交流系数外的其余交流系数进行伪随机置乱，再将所有的图像块熵编码进行伪随机置乱；云端根据隐藏密钥对比特流密文中的交流系数进行直方图平移嵌入额外信息，并可以进行无损提取；接收者根据加密密钥对比特流密文中所有的密文图像块熵编码进行伪随机置乱恢复，然后在每个密文图像块熵编码中进行交流系数置乱恢复和扩展位异或解密，得到与原始JPEG比特流相同的解密比特流。该方法不仅实现了对熵编码的扩展位进行加密，同时也对熵编码的霍夫曼编码进行了加密；其隐写容量大，安全性高。

主权项

1.一种大容量的JPEG图像比特流加密域可逆数据隐藏方法，包括如下步骤：A、JPEG比特流加密A1、交流系数置乱A1.1、比特流数据读取：用户读取大小为H×W的JPEG格式的图像X，获得图像X的原始比特流J，J＝{SOI，JH，ECS1，ECS2，...，ECSn，...，ECSN，EOI}，其中：SOI为图像开始标记符，JH为JPEG头文件，EOI为图像结束标记符；ECS_n为图像中的第n个图像块熵编码，N为图像块熵编码的个数，ECSn＝{DCC，ACC，ACC，...，ACC，...ACC，EOB}；DCC是第n个图像块熵编码的直流系数熵编码，ACC是ECSn中第i个交流系数熵编码，EOB是图像块熵编码结束标记符，I为交流系数熵编码的个数；A1.2、交流系数解码：对原始比特流J中的第n个图像块熵编码ECSn中所有的交流系数熵编码ACC，根据JPEG解码标准进行熵解码，得到第n个图像块熵编码ECSn的交流系数Cn，Cn＝{ACn，1，ACn，2，...，ACn，t，...，ACn，63}，其中ACn，t为第n个图像块熵编码ECSn的交流系数Cn中的第t个交流系数，t＝1，2，...，63；A1.3、交流系数分组：找出第n个图像块熵编码ECSn的交流系数Cn中最后一个非零交流系数，记为ACn，T，其序号为T；用户对第n个图像块熵编码ECSn的交流系数Cn中的前T个交流系数ACn，t依次进行分组：如果交流系数AC_n，t连续为0，则将这些交流系数AC_n，t构成一个分组否则，一个交流系数AC_n，t独立构成一个分组然后，将这些分组依次拼接，得到第n个图像块熵编码ECS_n的系数分组序列B_n，其中r为第n个图像块熵编码ECS_n的交流系数分组的序号，R_n为第n个图像块熵编码ECS_n的交流系数分组的个数；A1.4、交流系数分组序列置乱：在第n个图像块熵编码ECS_n的交流系数分组序列B_n中，对前R_n‑1个交流系数分序列进行分类，如果交流系数分组中的交流系数全为0，记为交流系数为零的分组否则，记为交流系数非零的分组将所有的交流系数非零的分组依次拼接，得到交流系数非零的分组序列其中r’为交流系数非零的分组的序号，r₁为交流系数非零的分组的个数；然后，根据加密密钥K₁对交流系数非零的分组序列B_n，1进行伪随机置乱生成置乱交流系数非零的分组序列将所有的交流系数为零的分组依次拼接，得到交流系数为零的分组序列其中r”为交流系数为零的分组的序号，r₀为交流系数为零的分组的个数；r₀+r₁＝R_n‑1；r₀≤r₁；然后，根据加密密钥K₁对交流系数为零的分组序列B_n，0进行伪随机置乱生成置乱交流系数为零的分组序列将置乱交流系数为零的分组序列中的置乱交流系数为零的分组与置乱交流系数非零的分组序列中前r₀个置乱交流系数非零的分组依次交替拼接，再与置乱交流系数非零的分组序列中后r₁‑r₀个置乱交流系数非零的分组和系数分组序列B_n中最后一个系数分组依次拼接，得到生成置乱交流系数分组序列其中r”’为置乱交流系数分组的序号；A1.5、置乱交流系数生成：最后，用户将置乱交流系数分组序列中所有的交流系数与63‑T个0，依次拼接，生成伪随机置乱系数并通过下式得到置乱交流系数C′_n；A2、系数置乱比特流生成：对置乱交流系数C′_n进行熵编码，得到置乱交流系数熵编码并将第n个图像块熵编码ECS_n中直流系数的熵编码DCC^<n>与置乱交流系数熵编码拼接，组成第n个系数置乱熵编码ECS′_n，将图像开始标记符SOI，JPEG头文件JH，所有的系数置乱熵编码ECS′n以及图像结束标记符EOI依次拼接，得到系数置乱比特流J′，J′＝{SOI，JH，ECS′1，ECS′2，...，ECS′N，EOI}；A3、系数置乱熵编码异或加密：在系数置乱比特流J′的第n个系数置乱熵编码ECS′n中，ECS′n＝{DCC，ACC，，ACC，，...ACC′，EOB}，直流系数置乱的熵编码DCC，DCC＝[DCH，DCA]由直流系数置乱霍夫曼编码DCH和直流系数置乱扩展位DCA组成；交流系数置乱熵编码ACC′，ACC′＝[ACH′，ACA′]，由交流系数置乱霍夫曼编码ACH和交流系数置乱扩展位ACA组成，i＝1，2，...，I；第n个系数置乱熵编码ECS′n中，提取直流系数置乱熵编码DCC的扩展位DCA和所有交流系数置乱熵编码ACC′的扩展位ACA′，组成第n个块扩展位Ln，Ln＝{DCA，ACA′，ACA′，...，ACA′}；然后，将所有的块扩展位Ln依次拼接得到比特流扩展位L，L＝{L1，L2，...，Ln，...LN}；用户使用加密密钥K1对比特流扩展位L按位异或加密，生成比特流扩展位密文L′，L′＝{L′1，L′2，...，L′n，...，L′N}；A4、比特流密文生成：将第n个系数置乱熵编码ECS′n中的直流系数置乱霍夫曼编码DCH和第n个块扩展位密文L′n，L′n＝{DCA′，ACA″，ACA"，...，ACA″，...ACA"}中的直流系数置乱扩展位密文DCA′进行拼接，得到第n个系数置乱熵编码ECS′n中直流系数熵编码密文DCC′，DCC′＝[DCH，DCA′]；然后，将系数置乱熵编码ECS′n中的交流系数的霍夫曼编码ACH和块扩展位密文L′n中第i个交流系数的扩展位密文ACA"进行依次重组，得到系数置乱熵编码ECS′n中第i个交流系数熵编码密文ACC″，ACC"＝[ACH，ACA″]，i＝1，2，...，I；最后，将第n个系数置乱熵编码ECS′n中直流系数熵编码密文DCC′和I个交流系数熵编码密文ACC″依次拼接，得到第n个图像块熵编码密文ECS″n，ECS″n＝{DCC′，ACC″，ACC″，...ACC″，EOB}；所有的图像块熵编码密文ECS″n依次拼接组成熵编码密文序列E″，E″＝{ECS″1，ECS″2，...，ECS″N}；将图像开始标记代码SOI，JPEG头文件JH，熵编码密文序列E″以及图像结束标记代码EOI依次拼接，得到比特流密文J″，J″＝{SOI，JH，ECS″1，ECS″2，...，ECS″N，EOI}；A5、图像块熵编码密文置乱：在比特流密文J″中，用户根据加密密钥K₁对熵编码密文序列E″中的图像块熵编码密文ECS″_n进行伪随机置乱得到初始块置乱熵编码密文序列E^*，并将图像开始标记符SOI，JPEG头文件JH，块置乱熵编码密文序列E^*以及图像结束标记符EOI依次拼接，得到初始块置乱比特流J^*，A6、块置乱比特流生成：在初始块置乱比特流J^*中，将第n个初始块置乱熵编码数据中的直流系数熵编码DCC^*<n>进行熵解码，得到第n个初始块置乱熵编码数据的直流系数D_n；将所有初始块置乱熵编码数据的直流系数D_n依次拼接，得到初始块置乱比特流J^*的直流系数序列D，D＝{D₁，D₂，...，D_n，...D_N}；然后，对直流系数序列D进行差分脉冲调制编码，得到差分脉冲调制编码直流系数序列D^c，然后，将差分脉冲调制编码序列D^c中的直流系数进行熵编码，得到初始块置乱直流系数熵编码并替换初始块置乱熵编码数据中的直流系数熵编码DCC^*<n>，得到块置乱熵编码所有的块置乱熵编码依次拼接组成块置乱熵编码序列E¹，最后，将图像开始标记代码SOI，JPEG头文件JH，块置乱熵编码序列E¹以及图像结束标记代码EOI依次拼接，得到块置乱比特流J₁，并上传到云端；B、信息隐藏在上传到云端的块置乱比特流J₁中，云端根据直方图平移方法，将额外信息U分段在块置乱熵编码中的交流系数中，从前至后依次进行信息隐藏；分段隐藏额外信息后的块置乱熵编码记为携密图像块熵编码最后，将图像开始标记代码SOI，JPEG头文件JH，所有的携密图像块熵编码以及图像结束标记代码EOI依次拼接，得到携密比特流J_m，C、信息提取在携密比特流Jm中，云端根据进行B步骤中的直方图平移方法的逆操作，提取出额外信息U，对携密比特流Jm中的交流系数进行恢复，得到置乱比特流J1；最后，云端将置乱比特流J1发送给接收者；D、JPEG比特流解密D1、初始块置乱比特流恢复：接收者首先在块置乱比特流J₁中提取第n个块置乱熵编码中的直流系数熵编码并进行熵解码，得到第n个块置乱熵编码数据的直流系数然后，将所有的块置乱熵编码的直流系数进行拼接，得到块置乱比特流J₁的差分脉冲调制编码直流系数序列D^c；对差分脉冲调制编码直流系数序列D^c进行差分脉冲调制解码，得到初始块置乱比特流J^*的直流系数序列D，D＝{D₁，D₂，...，D_n，...D_N}；将第n个初始块置乱熵编码数据的直流系数D_n进行熵编码，得到第n个初始块置乱熵编码数据的直流系数熵编码DCC^*<n>，并替换块置乱熵编码数据中的直流系数熵编码得到初始块置乱熵编码数据将所有的初始块置乱熵编码数据进行拼接，得到初始块置乱熵编码密文序列E^*，最后，将图像开始标记符SOI，JPEG头文件JH，初始块置乱熵编码密文序列E*以及图像结束标记符EOI依次拼接，得到初始块置乱比特流J*；D2、置乱恢复比特流密文：接收者根据加密密钥K₁对初始块置乱比特流J^*中初始熵编码密文序列E^*，进行置乱恢复，得到图像块熵编码密文序列E″，E″＝{ECS″₁，ECS″₂，...，ECS″_N}；并将图像开始标记符SOI，JPEG头文件JH，图像块熵编码密文序列E″以及图像结束标记符EOI依次拼接，恢复得到比特流密文J″，J″＝{SOI，JH，ECS″1，ECS″2，...，ECS″N，EOI}；D3、图像块熵编码密文异或解密：在第n个图像块熵编码密文ECS"n中，将其中的直流系数的扩展位DCA′和交流系数的扩展位ACA"，组成第n个图像块熵编码密文ECS"n的块扩展位密文L′n；然后，将比特流密文J″中的所有块扩展位密文L′n依次拼接，得到比特流扩展位密文L′，L′＝{L′1，L′2，...，L′N}；接收者使用加密密钥K1对比特流扩展位密文L′按位异或解密，得到比特流扩展位L；D4、系数置乱比特流恢复：将第n个图像块熵编码密文ECS"n的直流系数的霍夫曼编码DCH和块扩展位Ln中直流系数的扩展位DCA进行重组，得到第n个图像块熵编码ECS′n中直流系数的熵编码DCC，DCC＝[DCH，DCA]；然后，将第n个图像块熵编码密文ECS"n的交流系数的霍夫曼编码ACH和块扩展位Ln中交流系数的扩展位ACA′进行重组，得到第n个图像块熵编码ECS′n中第i个交流系数的熵编码ACC′，ACC′＝[ACH，ACA′]，i＝1，2，...，I；最后将直流系数的熵编码DCC和I个交流系数的熵编码ACC′依次拼接，得到图像块熵编码ECS′n；最后，将图像开始标记代码SOI，JPEG头文件JH，所有的图像块熵编码ECS′n以及图像结束标记代码EOI依次拼接，得到系数置乱比特流J′，J′＝{SOI，JH，ECS′1，ECS′2，...，ECS′N，EOI}；D5、交流系数置乱恢复：将系数置乱比特流J′，J′＝{SOI，JH，ECS′1，ECS′2，...，ECS′N，EOI}替换为原始比特流J，J＝{SOI，JH，ECS1，ECS2，...，ECSn，...，ECSN，EOI}，将替换后的原始比特流J进行A1.2步骤至A1.5步骤的操作得到第n个置乱交流系数C′n，最后，将第n个置乱交流系数C′n替换为第n个图像块熵编码ECSn的交流系数Cn；D6、原始比特流恢复：将D5步骤得到的第n个图像块熵编码ECS_n的交流系数C_n进行霍夫曼编码，得到第n个图像块熵编码ECS_n中交流系数的原始编码并与第n个图像块熵编码ECS_n中直流系数的熵编码DCC^<n>组成原始图像块熵编码ECS_n；将图像开始标记符SOI，JPEG头文件JH，所有的原始图像块熵编码ECSn以及图像结束标记符EOI依次拼接，得到原始比特流J，J＝{SOI，JH，ECS1，ECS2，...，ECSN，EOI}。