季曉勇 柏森 閆兵

摘 要：文章提出一種基于DCT系數(shù)值排序預(yù)測(cè)的加密域JPEG圖像可逆信息隱藏方案，該方案能夠抵抗針對(duì)JPEG圖像加密的輪廓攻擊方法。區(qū)別于現(xiàn)有加密域JPEG圖像信息隱藏方法，文章利用混沌加密方法置亂JPEG圖像標(biāo)識(shí)符，掩蓋了加密域JPEG圖像中的分塊信息，利用基于DCT系數(shù)值排序預(yù)測(cè)的方法將秘密信息可逆嵌入加密JPEG圖像中。在進(jìn)行信息嵌入和提取的過(guò)程中，基于DCT系數(shù)值排序預(yù)測(cè)的可逆信息隱藏方法無(wú)需利用JPEG圖像的分塊信息，且信息嵌入的效率高，提取準(zhǔn)確。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，文章方案的安全性和嵌入容量都得到很大程度的提升，含密圖像的圖像質(zhì)量也有一定程度的提高。

關(guān)鍵詞：密文圖像；信息隱藏；JPEG；可逆信息隱藏

可逆信息隱藏是一種能夠?qū)⒚孛苄畔⑶度胼d體，在提取秘密信息的同時(shí)可無(wú)損恢復(fù)載體數(shù)據(jù)的一種技術(shù)。它是信息隱藏領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，被廣泛應(yīng)用于軍事、醫(yī)學(xué)、法律等對(duì)原始載體數(shù)據(jù)保真度要求較高的領(lǐng)域，具有重要的學(xué)術(shù)意義和研究?jī)r(jià)值。學(xué)界對(duì)可逆信息隱藏進(jìn)行了深入廣泛的研究，涌現(xiàn)出較多的研究成果。Kalker和Willems提出可逆信息隱藏模型，并基于信息論推算出了信息嵌入量的上界[ 1 ]。Fridrich等人提出將載體數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)損壓縮預(yù)留水印空間的可逆信息隱藏方案[ 2 ]，該方法成為可逆信息隱藏的主要方法之一。Tian將差值擴(kuò)展的方法應(yīng)用到可逆信息隱藏上來(lái)，取得了較好的效果[3]。與Fridrich的方法相比較，Tian的方法直接在像素值上進(jìn)行操作，在嵌入容量上有了較大的提升且無(wú)需做額外的壓縮操作。Ni等人提出基于直方圖平移的可逆信息隱藏方法[4]，該方法同樣基于像素值操作，利用直方圖峰值鄰近值像素進(jìn)行數(shù)據(jù)嵌入，嵌入容量相比無(wú)損壓縮預(yù)留水印空間的方案有所提高。

隨著技術(shù)的發(fā)展，在加密域下的可逆信息隱藏逐漸成為學(xué)界研究的熱點(diǎn)。加密域下的可逆信息隱藏是指載體數(shù)據(jù)在經(jīng)過(guò)加密以后，再進(jìn)行可逆信息隱藏[5]。在某些應(yīng)用場(chǎng)合下，載體數(shù)據(jù)擁有者并不希望載體數(shù)據(jù)內(nèi)容被信息嵌入方知道。例如軍事圖像通過(guò)第三方服務(wù)器傳輸，圖像擁有者并不希望服務(wù)器方知道圖像內(nèi)容，因此擁有者將軍事圖像通過(guò)安全的加密方案進(jìn)行加密，然后傳輸給服務(wù)器。但出于管理或者版權(quán)確認(rèn)的需要，服務(wù)器方要對(duì)該圖像嵌入水印。此時(shí)，就需要用加密域下的可逆信息隱藏方法來(lái)解決這類問(wèn)題。加密域下的可逆信息隱藏方法是在可逆信息隱藏方法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，按載體的不同分為加密域BMP可逆信息隱藏方法和加密域JPEG可逆信息隱藏方法。在[5 - 6]中，Zhang分別提出一種加密域BMP圖像可逆信息隱藏和另一種加密域BMP圖像可分離的可逆信息隱藏方案。Qian提出一種加密域JPEG圖像可逆信息隱藏方案[7]。在[7]中，Qian通過(guò)改變JPEG碼流中每段附加比特的方式進(jìn)行秘密信息的嵌入，利用JPEG圖像的方塊效應(yīng)進(jìn)行信息的提取。但Qian在方案中僅對(duì)JPEG圖像的量化矩陣和附加比特進(jìn)行了加密，被加密的JPEG圖像在用錯(cuò)誤的密鑰解密后會(huì)出現(xiàn)明文圖像的輪廓，即不能抵抗輪廓攻擊[ 8 ]，方案的安全性能受到極大挑戰(zhàn)。

由此，本文對(duì)Qian的方案進(jìn)行改進(jìn)，利用抗輪廓攻擊JPEG加密方法替代原有加密策略，使方案在整體安全性上得到提升。再結(jié)合基于DCT系數(shù)值排序預(yù)測(cè)的可逆信息隱藏方法進(jìn)行加密域JPEG圖像的信息嵌入和提取，擴(kuò)大信息嵌入容量并提升含密圖像質(zhì)量，同時(shí)改進(jìn)了Qian方案中存在的信息提取準(zhǔn)確率不高的問(wèn)題。

1 相關(guān)工作

1.1 Qian的方法

Qian的方法中先對(duì)JPEG碼流中的量化矩陣數(shù)據(jù)和附加比特位數(shù)據(jù)進(jìn)行異或加密，得到加密后的JPEG文件。進(jìn)行秘密信息嵌入時(shí)，在待嵌入塊所有附加比特的最后一位異或一位秘密信息完成嵌入。接收方在收到含密的加密域JPEG文件時(shí)，將JPEG圖像解密，在空域利用方塊效應(yīng)提取秘密信息。

在這個(gè)方案中存在2點(diǎn)缺陷：（1）Qian的方法中并沒有對(duì)JPEG文件結(jié)構(gòu)做任何加密，該方法不能抵抗針對(duì)JPEG圖像加密的輪廓攻擊，方法的安全性能受到挑戰(zhàn)。輪廓攻擊[ 8 ]是指利用JPEG圖像中每個(gè)88塊的AC系數(shù)即可顯示原圖像的低分辨率輪廓，公式為：

（2）JPEG圖像自身存在一定的方塊效應(yīng)，在秘密信息的提取過(guò)程中會(huì)對(duì)提取信息的準(zhǔn)確度造成很大影響。Qian在提取秘密信息的時(shí)候定義了方塊效應(yīng)方程，利用嵌入信息JPEG圖像DCT系數(shù)值改變，方塊效應(yīng)程度增加的原理來(lái)判斷圖像中是否含有秘密信息。但JPEG圖像由于存在量化失真，本身就有與壓縮質(zhì)量相關(guān)不同程度的方塊效應(yīng)。因此，Qian的方法在秘密信息的提取方面，還存在準(zhǔn)確度不夠的缺陷。

本文中用置亂JPEG文件標(biāo)識(shí)符的加密方式改進(jìn)Qian的方法。JPEG文件標(biāo)識(shí)符是區(qū)分JPEG圖像分塊的標(biāo)志位，應(yīng)用新的加密方法可抵抗輪廓攻擊。但在Qian的方法中提取秘密信息必須要用到JPEG圖像的分塊信息，所以改進(jìn)后的加密方式顯然不適應(yīng)Qian方法中的可逆信息隱藏方法。本文利用基于DCT系數(shù)值排序預(yù)測(cè)的方法來(lái)進(jìn)行加密域JPEG圖像的可逆信息隱藏。

1.2 基于DCT系數(shù)值排序預(yù)測(cè)可逆信息隱藏方法

2 具體方案

本文方案分為JPEG圖像加密，信息嵌入和信息提取3個(gè)部分。JPEG圖像加密采用置亂JPEG標(biāo)識(shí)符的加密方式，能夠抵抗輪廓攻擊。可逆信息隱藏采用基于DCT系數(shù)值排序預(yù)測(cè)的方式，適用于前面的加密方式，完成信息的嵌入和提取。

2.1 JPEG圖像加密

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及評(píng)價(jià)

本文實(shí)驗(yàn)采用大小為512512的黑白JPEG圖像，依次為L(zhǎng)ena，Baboon，Man，Sailboat，Barbara和Pepper。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為MATLAB 2013（b）。圖2是明文JPEG圖像的內(nèi)容，圖3是加密域JPEG圖像，可以看出，本文的加密方案很好的抵抗了輪廓攻擊。圖4是解密后的含密JPEG圖像，圖5是無(wú)損恢復(fù)后的JPEG圖像。對(duì)比圖2，圖4和圖5可以看出，本文的可逆信息隱藏方法得到的含密圖像在主觀視覺上具有較好圖像質(zhì)量，無(wú)損恢復(fù)的效果也很好。

本節(jié)主要從3個(gè)方面將本文方法與Qian的方法及其他方法進(jìn)行對(duì)比，分別為嵌入容量，含密圖像質(zhì)量和提取信息準(zhǔn)確率。在比較嵌入容量時(shí)，由于同類方法極少，故將Zhang的加密域BMP圖像可逆信息隱藏方法及Hong的加密域BMP圖像可逆信息隱藏方法[ 1 2 ]加入比較中。

表1為各方法嵌入容量對(duì)比。從表中可以看出，本文方法在嵌入容量上具有明顯優(yōu)勢(shì)，Qian的方法因?yàn)槭窃诩用躂PEG碼流的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)部分進(jìn)行信息嵌入，因此其嵌入容量一定，與載體內(nèi)容無(wú)關(guān)。從表中可以發(fā)現(xiàn)Qian方法的嵌入容量明顯較小。本文根據(jù)載體圖像的內(nèi)容進(jìn)行數(shù)據(jù)嵌入，嵌入容量跟載體圖像內(nèi)容相關(guān)，嵌入容量隨著圖像細(xì)節(jié)增加而增加。

圖6是Lena，Baboon和Barbara分別用本文方法和Qian的方法得到的含密JPEG圖像質(zhì)量的比較圖。圖中橫軸Q為JPEG圖像壓縮質(zhì)量因子，縱軸PSNR為含密圖像與明文圖像的峰值信噪比。從圖中可以看出，在同等壓縮質(zhì)量下，本文方法的含密JPEG圖像質(zhì)量?jī)?yōu)于由Qian的方法得到的含密圖像。

由于JPEG圖像自身存在方塊效應(yīng)，對(duì)Qian方法的秘密信息提取造成了一定影響，Qian方法的信息提取準(zhǔn)確率在85%～95%之間，提取的秘密信息不是100%的準(zhǔn)確。在本文方法中，基于DCT值排序預(yù)測(cè)的可逆信息隱藏方法在提取信息的過(guò)程中基于的是整數(shù)值的比較，不存在干擾項(xiàng)，所以本文方法的信息提取準(zhǔn)確率為100%，準(zhǔn)確度要優(yōu)于Qian的方法。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出一種基于DCT系數(shù)值排序預(yù)測(cè)的加密域JPEG圖像可逆信息隱藏方案，該方案改進(jìn)了Qian加密域JPEG圖像可逆信息隱藏方法[7]中存在的不能抵抗輪廓攻擊的缺陷，并提升了信息隱藏的嵌入容量和提取準(zhǔn)確度，含密圖像的圖像質(zhì)量也優(yōu)于Qian的方法。本文從分析Qian方法中的缺陷原因出發(fā)，通過(guò)混沌加密方法置亂JPEG圖像標(biāo)識(shí)符的加密方式使加密域JPEG圖像能夠抵抗輪廓攻擊。通過(guò)基于DCT系數(shù)值排序預(yù)測(cè)的可逆信息隱藏方法對(duì)加密域JPEG圖像進(jìn)行信息嵌入和提取。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，本文方法在安全性能和嵌入性能方面均有很大程度的提高。

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Reversible Data Hiding Scheme for Encrypted JPEG Image Based on DCT Coefficient-Value-Ordering Predictor

Ji Xiaoyong， Bai Sen， Yan Bing

（Chongqing Communication Institute of the Chinese Peoples Liberation Army， Chongqing 400035， China）

Abstract： A DCT coefficient-value-ordering （DVO） predictor based reversible data hiding （RDH） scheme for encrypted JPEG images is proposed in this work and it is able to resist sketch attack. Unlike the existing RDH method for JPEG images in encrypted domain， the information of dividing encrypted JPEG image into 88 blocks is masked in the proposed scheme and then， a secret message is embedding into the JPEG image in encrypted domain by DVO predictor based method. The DVO predictor based RDH method is processed with DCT coefficients so that the block information of encrypted JPEG is not used in data hiding and data extracting. Simulation results show that the safety performance of the proposed scheme is improved and the embedding capacity of the proposed scheme is enlarged. The PSNR of the stego-image is also higher than the existing encrypted JPEG RDH method.

Key words： encrypted image； information hiding； JPEG； reversible data hiding