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^(guò)程中被篡改、偽造、非法復(fù)制等，本文對(duì)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(duì)密文域可逆信息隱藏性能評(píng)價(jià)的指標(biāo)主要是圖像質(zhì)量、信息隱藏容量和錯(cuò)誤率，同時(shí)對(duì)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(duì)數(shù)字圖像密文域可逆信息隱藏具有一定的參考價(jià)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(jì)算平臺(tái)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(chǔ)，對(duì)于云端的管理者來(lái)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?？赡嫘畔㈦[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(guò)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(guò)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行文件的傳輸，在接收端接收方通過(guò)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(wú)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(duì)原始的圖像進(jìn)行加密操作，將實(shí)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(duì)加密的多媒體文件添加一些認(rèn)證數(shù)據(jù)信息、時(shí)間信息等。對(duì)于云端的管理者而言，其沒(méi)有多媒體文件的加密密鑰，也就無(wú)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(duì)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(duì)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(duì)于多媒體文件的接收方而言，其擁有密鑰，通過(guò)密鑰對(duì)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(huì)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(gè)人隱私，患者的個(gè)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(duì)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(duì)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(shí)為了更好地對(duì)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(chǔ)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(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，同時(shí)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(píng)價(jià)

（一）圖像質(zhì)量

對(duì)多媒體文件的處理在一定程度上會(huì)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(píng)價(jià)可以采用圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)。所謂圖像質(zhì)量主要是用于評(píng)價(jià)圖像經(jīng)過(guò)各種處理操作之后和原始圖像相比感知的質(zhì)量。對(duì)圖像質(zhì)量的評(píng)價(jià)主要是從兩個(gè)角度，即主觀的角度和客觀的角度。從主觀的角度來(lái)講，其是通過(guò)人眼去觀察，如果圖像在經(jīng)過(guò)處理之后，其失真的程度通過(guò)人的肉眼無(wú)法察覺(jué)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(lái)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(jiàn)、最為簡(jiǎn)單的衡量圖像質(zhì)量的指標(biāo)，對(duì)于一個(gè)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(guò)計(jì)算兩幅圖像像素之間的均方差對(duì)圖像相對(duì)于原始圖像A的改變程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。如果均方差的計(jì)算結(jié)果數(shù)值比較大，那么說(shuō)明圖像的質(zhì)量發(fā)生了明顯的改變。均方差MSE的計(jì)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(gè)常見(jiàn)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(jì)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(jiàn)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(yàn)結(jié)果表明，單純的通過(guò)峰值信噪比對(duì)圖像的質(zhì)量進(jìn)行判斷往往無(wú)法達(dá)到和人的視覺(jué)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(jué)。造成出現(xiàn)這種情況的原因是人的肉眼對(duì)誤差的敏感并不是絕對(duì)的，肉眼對(duì)圖像感知的效果受到多種因素的影響，因此在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，對(duì)圖像質(zhì)量的判斷要通過(guò)峰值信噪比和人的肉眼視覺(jué)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^(guò)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(huì)導(dǎo)致圖像的失真度越高。在進(jìn)行信息隱藏的過(guò)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(jì)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(gè)數(shù)大小。

（三）錯(cuò)誤率

錯(cuò)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(cuò)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(gè)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(shí)劃分圖像的塊數(shù)越小導(dǎo)致提取信息的錯(cuò)誤風(fēng)險(xiǎn)越高。大量的試驗(yàn)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(huì)存在很高的錯(cuò)誤率。在進(jìn)行信息隱藏的過(guò)程中必須選擇合適的隱藏算法才能有效地消除錯(cuò)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(shí)數(shù)域內(nèi)的變換，原始信號(hào)經(jīng)過(guò)DCT變換所得到的依舊是實(shí)數(shù)域內(nèi)信號(hào)，其計(jì)算量比較小。對(duì)于絕大多數(shù)的數(shù)字圖像，經(jīng)過(guò)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?；贒CT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(gè)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(duì)其進(jìn)行量化、編碼、輸出。在對(duì)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(shí)波動(dòng)的范圍比較小?；谶@一特征，DCT系數(shù)可以通過(guò)比較少的比特?cái)?shù)來(lái)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(duì)圖像進(jìn)行壓縮處理，獲得更多的空余空間來(lái)隱藏秘密的信息。在進(jìn)行圖像處理的過(guò)程中只要對(duì)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(shí)又不會(huì)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(duì)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(gè)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(gè)區(qū)域，分別為L(zhǎng)L區(qū)域、LH區(qū)域、HL區(qū)域和HH區(qū)域，其中LL區(qū)域?yàn)樽畹皖l部分，包含了圖像最重要的信息;HH區(qū)域?yàn)樽罡哳l部分，包含了圖像最不重要的信息。為了有效實(shí)現(xiàn)對(duì)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(gè)條件，即圖像處理和噪聲干擾都不會(huì)過(guò)多的改變小波系數(shù)，在嵌入高容量的同時(shí)必須確保比較高的圖像質(zhì)量。基于離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(guò)修正這三個(gè)非低頻區(qū)域的小波系數(shù)來(lái)達(dá)到信息隱藏的目的。

四、結(jié)論

計(jì)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(guò)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(guò)程中面臨圖像被篡改、偽造等安全問(wèn)題，確保數(shù)字圖像的安全傳輸至關(guān)重要。本文對(duì)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(duì)密文域可逆信息隱藏性能評(píng)價(jià)的指標(biāo)主要是圖像質(zhì)量、信息隱藏容量以及錯(cuò)誤率，同時(shí)對(duì)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(duì)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(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]王繼軍，李國(guó)祥，夏國(guó)恩，孫澤銳.圖像插值空間完全可逆可分離密文域信息隱藏算法[J].電子學(xué)報(bào)，2020，48（01）：92-100.

[2]李志佳，夏瑋.基于差值直方圖平移的密文域可逆信息隱藏算法[J].計(jì)算機(jī)工程，2019，45（11）：152-158.

福建省教育廳項(xiàng)目，JAT190888基于密文域的圖像可逆信息隱藏算法研究。