文摘

相比encrypted-image-based可逆数据隐藏(EIRDH)方法,encrypted-signals-based可逆数据隐藏(ESRDH)技术是一种新颖的方式来达到更大的包埋率和质量更好的信号进行解密。出于ESRDH使用信号能量转移,我们提出一种改进的ESRDH方法使用代码分复用和价值扩张。起初,原始图像的每个像素分为几个部分包含一个小信号和多个信号相等。接下来,所有由Paillier信号加密加密。然后大量的秘密信息嵌入到加密信号使用代码分复用和价值扩张。自从在任何传播序列元素的总和等于0,无损的质量直接解密信号可以通过使用代码分复用信号加密的平等。虽然视觉质量降低,高容量可以通过进行数据隐藏价值扩张加密的小信号。实验结果表明,我们的方法比其他方法更好的包埋率和平均PSNR。

1。介绍

加密和数据隐藏是两种常见的方法来防止信息泄漏1- - - - - -3];前者是用来保护的内容本身4),而后者是用来保护隐藏数据(5]。虽然这是一个问题对于敏感的应用程序,如军事图像和医学图像可逆数据隐藏(RDH)是一种有效的方法对于这些特殊场景,旨在恢复嵌入数据和原始图像。在过去的二十年里,许多经典RDH算法已经提出,如无损图像compression-based方法(6),不同扩张——基于(DE)的方法7),基于直方图变化——(HS)方法(8[],integer-to-integer transform-based方法9[],dual-image-based方法10]。

然而,随着外包存储服务的普及11,12],传统RDH是不适合在这种情况下,特别是对于高安全性的要求。因此,隐私保护在云计算的研究近年来引起了相当大的关注(13- - - - - -15]。在这些研究中,encrypted-image-based可逆数据隐藏的可能性(EIRDH)提供了图像所有者可以加密图像在上传之前到服务提供者,然后服务提供者可以嵌入一些额外的消息到难以理解的加密图像隐写术或身份验证。授权用户或接收器可以恢复额外的信息和原始图像。现有EIRDH方法可以分为三类:加密后结清房间(VRAE)方法(16- - - - - -22),保留房间之前加密(RRBE)方法(23- - - - - -25),可逆图像变换(RIT)方法(26,27]。

该框架提出的“VRAE”张(18),秘密可以加密后嵌入原始图像。具体来说,数据隐藏者可以将加密的图像块划分为两组和嵌入秘密比特翻转一组的三个lsb。减少extracted-bits错误率,香港等。19和辽、蜀20.)评估图像块的复杂性。最近,易建联和周21)提出了一个新颖的EIRDH联合解密使用binary-block嵌入和提取方法,在这一位匆忙过程可以防止秘密部分损失。的方法(18- - - - - -21)可以嵌入一个额外的消息解密的图像。在加密图像,提取秘密位张(22)提出了一个新颖的分离EIRDH方法,其中3例被认为是根据加密密钥或数据隐藏的关键。

然而,很难使用传统RDH方法以来数据隐藏者VRAE加密图像的相邻像素之间的相关性被摧毁。

“RRBE”的框架是由马等设计。23]。数据的所有者可以使用传统RDH反向lsb的房间然后self-embedded图像加密方法。之后,数据隐藏者的逆转lsb嵌入秘密数据加密的图像。曹et al。24)在当地补丁通过稀疏表示和压缩像素实现逆转的房间比其他先前的方法。

将原始图像转化成一个加密的图像看起来像目标图像,Zhang et al。26)提出了EIRDH框架基于RIT、一个图像块的配对通过类似的手段和标准偏差之间的原始和目标图像。因为改变图像的相关性不是破坏,传统的数据隐藏者可以嵌入秘密位RDH方法。然而,这种方法具有较高的图像失真因为大部分辅助信息必须self-embedded转换后的图像来恢复原始图像。最近,侯et al。27)提高伪装图像的视觉质量和减少了记录块索引采用的辅助信息k——集群。

不同于EIRDH,陈等人。28设计一个encrypted-signals-based可逆数据隐藏(ESRDH)方法,在数据所有者封面图片的每个像素分为两个信号,然后通过公钥加密。之后,隐藏者秘密位嵌入的数据由加法同态加密信号。减少数据扩张,萧若元等。29日)采用不同扩张方法嵌入的信息。Zhang et al。30.)提出了一种无损的,可逆的,和数据隐藏方案密文图像相结合,分别与同态加密的公钥密码系统属性。最近,吴et al。31日)提出了一种改进的ESRDH方法,可以完全恢复原始图像解密所有信号。该方法可以达到较高的嵌入容量和更好的质量比之前的ESRDH解密图像的方法。此外,传统EIRDH方法相比,所花费的费用,在一个可靠的密钥管理系统在多党环境中,降低由于接收机可以共享的公钥和其他身份。

在本文中,我们提出一种改进的ESRDH方法使用代码分复用(CDM)和价值(VE)扩张,传统的CDM技术是利用实现无损视觉解密的信号质量,和VE技术设计基于DE根据RDH方法进一步提高嵌入容量。当前ESRDH方法相比,该方法实现了较高的嵌入容量和良好的视觉质量。

本文的其余部分安排如下。节2,相关的工作。特别是通信技术基于清洁发展机制,基于DE RDH方法,ESRDH方法基于信号能量转移。部分3提出了一种无损的视觉质量ESRDH方法使用代码分复用和较高的嵌入容量ESRDH方法使用价值扩张。部分4由实验结果显示了该方法的性能和部分5本文总结道。

2.1。基于清洁发展机制的通信技术

在通信系统中,清洁发展机制是一种光谱扩散技术确保安全信息传输和通道多路复用,发送方的编码传输比特与预定的传播序列,然后接收方可以获得秘密位由同一传播序列。所以,沃尔什序列所派生的阿达玛矩阵CDM-based通信技术中发挥重要的作用。沃尔什阿达玛矩阵由1和−1。除了矩阵的第一行(列),其他行(列)向量选择传播序列,和他们有两个属性。首先,元素的总和等于0序列。其次,他们是互相正交的两个不同的序列,所以互相关是0。

假设传播序列生成的沃尔什阿达玛矩阵 , 和复合序列 的线性组合吗 ;当秘密是0,系数 是设置为−1。否则,该系数设置为1。因此,接收方可以解码秘密位根据点积的结果 和 。

例如,三个传播从一个4层哈达玛矩阵序列 , , 。很明显, , ,和 0表示,互相正交。假设这个秘密位“010”;然后,序列表示 , ,和 ,分别和三个序列添加到复合序列形式 。

在接收端,接收机与传播序列 ,解码的结果是 代表秘密位是1的概念;为接收方 ,结果是 代表一些0;为接收方 ,结果是 代表1。因此,这个秘密可以提取。此外,由于大量的秘密信息表示和传播的复合序列以不同的方式和入侵者想他们,不可能CDM-based通信技术是安全的,可以提供高容量。

2.2。基于DE RDH方法

提出了基于DE RDH方法田。假设这两个邻居像素的图像 和 。发送方可以计算平均值 和的区别 之间的 和 : 然后,这个秘密 可以嵌入最低有效位( ) 。和新的不同的价值 可以得到: 最后,相应的值 和 可以计算并通过发送方: 从像素对 ,接收方可以提取秘密比特和恢复原始图像。最初的平均值 和新的差异值 可以计算: 秘密的位 和差值 可以获得的 : 和原副 可以恢复 和 :

德是一种简单而有效的RDH方法,利用两个相邻像素之间的冗余嵌入秘密比特和可逆性。另外,我们可以使用嵌入算法为多层嵌入图像不止一次。当差异小,较高的嵌入容量和更好的视觉质量的封面图片。然而,转换后的值 和 应该限制的范围内 。

2.3。ESRDH方法基于信号能量转移

ESRDH吴提出的方法基于信号能量转移等。它包括三个阶段:图像加密阶段,信息嵌入阶段,和数据提取和图像恢复的阶段。在此方法中,有三个积极的身份。他们是图像所有者O、数据隐藏者 ,和接收方 。这个方法被描述在图的框架1。


图1
ESRDH方法的框架基于信号能量转移。

假设封面图片的大小 像素是 , 。灵感来自于信号能量转移,一个信号可以表示为其他信号的总和。因此, 可以表示成 ,在那里 随机选择的 , 获得的是 , 等于 ,和 将 。然后,根据图像所有者可以加密三个信号由Paillier生成的公钥加密算法。

让加密的像素为代表 。数据隐藏者嵌入的秘密 成 和 和生成标记信号 和 。如果秘密位是0,那么 , 。如果是1,那么 , 。自 和Paillier加密维护加法同态属性,然后嵌入公式可以减少

提取秘密,恢复封面图片,接收者可以解密标记信号 根据Paillier生成的私钥加密和解密装置 。然后,解密后的像素用 。因为 解密后的图像是一个封面图片。在那之后,一些 可以通过比较提取 和 :

这种方法达到无损视觉质量自解密图像是原始的。它也可以处理编码多媒体因为每个分离单元编码多媒体可以完全恢复。因此,没有下溢或溢出问题,不需要任何辅助信息嵌入。

3所示。该方法

3.1。无损的质量基于CDM ESRDH方法

维持无损的解密图像的质量,提高嵌入容量,受通信技术基于清洁发展机制的启发,我们提出一个无损视觉质量ESRDH方法只利用清洁发展机制。

假设生成的序列是蔓延 和长度来标示 ,在那里 必须是2的幂等 。因此,进行预处理和加密可以概括如下。首先,把每个像素单元 作为 ,在那里 获得的是 和 将 。其次,定义了向量 作为嵌入式向量,所以每个单元 可以表示成 。最后,每个单元由一个图像所有者加密Paillier生成的公钥加密和加密的单位 是生成的, 。

现在,数据隐藏者可以嵌入秘密 成 使用清洁发展机制。这意味着可嵌入的比特数 像素是 。在一开始,这个秘密 可以转换为 这包括−1和1:

然后,我们可以获得复合序列 通过 ;的元素 是 。它们可以由公共密钥加密,可以生成一个加密的复合序列 。自从Paillier加密加法同态属性, 可以嵌入到 由以下公式: 在新的向量 可以表示为 。

最后,接收方可以解密标记信号 私钥和获得 。 可以表示为 或 。因为 和任何不同的传播序列,他们为零意味着互相正交;点积的结果 和 可以概括为 因此, 可以通过下面的公式: 和 可以通过公式(反向被转换9)。从元素的总和等于0对任何传播序列,我们有

直接解密像素 ,我们有 。因此,解密后的像素是原始的。换句话说,基于CDM, ESRDH达到无损图像的视觉质量。和信息嵌入过程不会导致一个下溢/溢出问题。此外,嵌入率可以提高 每像素比特(bpp)等 。因此,它可以由传播序列的数量决定的 。

3.2。基于已经嵌入容量ESRDH方法高

在吴等人的方法和基于CDM ESRDH方法,这个信号 不是用来嵌入秘密碎片。为了进一步提高嵌入容量,提出了基于VE ESRDH方法。在吴等人的方法,的范围 是 ,这将减少解密图像的视觉质量,因为的绝对值 太大。基于清洁发展机制,然而,在ESRDH方法的范围 是 ,它是足够小,因此ESRDH基于已经是一种有效的方法。

节3所示。1像素单元 是加密和发送到数据隐藏者。而不是只嵌入秘密比特 , 在这一节中还可以嵌入位。假设 是扩大 次的十进制数 是 。所以, lsb的 可以把嵌入秘密位 。然后, 可以由的总和 ,它可以减少 。自 和 ,从而 ,在那里 。因此,数据嵌入可能导致一个溢出的问题。为了解决这个问题, 公式应预处理,可以概括为

的范围 改变从 来 。所以,如果 , 是多变的。否则,它是原始的。

首先,加密的单位 可以通过公钥。

其次, 应该被加密 同样的关键。然后它是嵌入 ,所以一个新的加密的值 可以生成,可以概括为哪一个

第三,接收方解密 通过相应的私有密钥并表示 。之后,嵌入的比特 可以通过提取 lsb的 。所以, 可以通过计算 在哪里 的小数吗 。

最后,原 应该恢复了 和像素 可以恢复其他信号的总和。

基于ESRDH利用清洁发展机制,该方法可以使用已经进一步提高嵌入率。嵌入率可以增加了 bpp等 。此外,不需要任何辅助信息嵌入原始恢复 。然而,有可能一个溢出问题,这可能会导致图像失真。

3.3。基于清洁发展机制和VE ESRDH方法的算法

根据部分3所示。1和3所示。2,基于CDM ESRDH方法的框架,如图2,该算法可以分为三个阶段:预处理和信号加密阶段,信息嵌入阶段,和数据提取和图像恢复的阶段。在算法描述的细节1。

预处理和信号加密阶段
输入:一个原始图像的大小 ,传播序列的数量 ,扩大后的
参数 ,和公钥 。
输出:加密的单位 。
步骤1:获得分离信号从原始像素 , ,可
计算部分3所示。1。定义嵌入式向量 ,和每个像素单元表示
作为 。
步骤2:修改 是 由公式(14)防止溢出。
步骤3:加密 通过 并生成一个加密的单位 。
数据嵌入阶段
输入:加密的单位 ,传播序列的数量 ,扩大后的参数 ,公钥 ,和
秘密的部分。
输出:显著的单位 。
步骤1:把秘密比特分成两部分 和 ,在哪里 包含 秘密比特和 包含了
剩余的部分。
步骤2:将秘密 , 在 来 使用公式(9),然后获得
复合序列 为每一个单位 。
步骤3:加密 通过 并表示 。
步骤4:嵌入 成 使用清洁发展机制。由公式(10),获得一个新的向量 。
步骤5:秘密编码比特 在 来 。 的小数 为每一个单位 。
步骤6:加密 通过 并表示 。
第七步:嵌入 成 使用VE。由公式(15),获得一个新的信号 。然后,
生成一个显著的单位 。
数据提取和图像恢复阶段
输入:为单位 ,传播序列的数量 ,扩大后的参数 ,和私钥 。
输出:秘密比特和原始图像。
步骤1:解密 使用 生成 。
步骤2:提取 秘密位从 由公式(9)和(12)。
步骤3:获得 通过提取 lsb的 。
步骤4:计算 由公式(16)和恢复 由公式(17)。
步骤5:通过计算恢复原始图像 。
算法1

图2
基于清洁发展机制的框架ESRDH方法和VE。

4所示。实验结果

所示的数字3(一个)- - - - - -3 (d),四个不同的灰度图像具有不同特征选择作为测试图像,丽娜,胡椒,帆船,狒狒。这些图片的大小 。Myeclipse8.6开发工具,用于在一个英特尔酷睿i5处理器(2.8 GHz), 8 GB的内存。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图3
四个测试图像。莉娜(一),(b)胡椒,(c)帆船,狒狒(d)。

嵌入率(ER),解密图像的视觉质量是两个重要的指标来衡量EIRDH性能的方法,他们可以通过计算 在哪里 和 最初的和修改像素值,分别。

在该方法中,如果使用基于CDM ESRDH方法嵌入秘密,ER bpp, 是 。在表1,当 和 嵌入容量(EC) 和 ,和相应的ER是1 bpp和3 bpp,分别。和无损的解密图像的视觉质量。隐藏数据的解密图像没有进一步处理,如图4。纯文本图像恢复的四个加密图像都与原来的相同。此外,我们可以利用VE方法进一步提高,和 bpp可以实现。此外, 通过设置将会变化 。例如, 位可以使用清洁发展机制和嵌入式方法时 , 。然而, 36.85 dB的莉娜却降低了。对欧共体其他结果,呃,和不同的测试图像的PSNR值如表所示1。此外,虽然ER的四个图片是3 bpp的时候 , ,或 ,这些解密图像的PSNR值是不同的。

表1
EC的性能,并为不同的图像PSNR。
(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图4
直接解密图像。莉娜(一),(b)胡椒,(c)帆船,狒狒(d)。

评估时间开销加密、嵌入和解密,我们评估的统计效率性能提出了不同的测试图像时的方法 和 在表2。在这个表中,嵌入时间小,因为秘密信息嵌入乘法,这也反映了这样一个概念:信号加密和解密花很长时间。然而,由于清洁发展机制的操作,已经都在同态加密域,隐藏数据的加密信号被Paillier保护密码系统。因此,Paillier密码系统在我们的方法是一个重要的保护图像内容安全技术虽然不够高效。

表2
该方法效率的性能。

表3表示信号之间扩张我们的方法和所选方法,包括吴et al。31日),萧若元et al。29日陈,et al。28]。根据Paillier加密,密码空间的大小广场的大小信息空间。在表中,Paillier加密采用512级安全性,纯文本和密文由512位和1024位,分别。输出信号的方法是相关的 并且可以达到 。解决这个问题的数据扩张,三种替代方法可以考虑。第一个是使用安全级别较低,如一个128位的安全级别和64位的安全级别。因此,输出信号的长度会减少 比特和 位,分别。第二是减少的价值 。当 ,它是 和吴等人一样的方法。第三是使用像素块而不是单个像素作为输入信号。如果使用一个512位的安全级别,一个 像素块可以采用自块组成 位。现在,输出信号的长度 倍的输入信号。

表3
之间的信号扩展方法和选择的方法。

当平均PSNR值不同的图像 和 如图5。起初,使用清洁发展机制的秘密比特可以嵌入,嵌入率可以达到1 bpp。自解密图像与原始图像相同, 是 。进一步提高嵌入率,PSNR值将会减少,更多的秘密将使用已经嵌入。与其他相关的方法包括吴et al。31日),萧若元et al。29日陈,et al。28),该方法具有更好的性能的嵌入率和PSNR。


图5
当平均PSNR值不同的测试图像 和 。

此外,由于解密后的图像是原始图像,该方法,即只利用清洁发展机制,可以应用于处理编码的媒体如h .视频和JPEG图像。此外,真正的可逆性可以通过该方法。

5。结论

本文提出了改进的加密信号可逆数据隐藏基于码分复用和价值扩张。当只使用代码分复用嵌入比特,可以实现无损直接解密图像的视觉质量,和包埋率可以达到 bpp。当使用码分复用和价值扩张方法,解密后的图像会有一些失真,但嵌入率可以提高 bpp。秘密比特和原始图像可以完全从解密后的图像中恢复过来。然而,加密图像的大小将会扩展,因为Paillier加密。在进一步的工作中,扩张问题可能解决使用其他加密方式,和乘法同态的性质可以用来进一步提高包埋率和PSNR性能。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金(国家自然科学基金委)(61502242,U1536206, 61672294, 61702276, 61602253, 61373133, 61232016, 71501101,和U1405254),江苏基础研究Programs-Natural科学基金会(BK20150925),启动基础介绍南京大学信息科学和技术人才(2014 r026 #),开放式基金的示范基地的互联网应用创新开放平台教育部(KJRP1402),优先级的学术程序开发江苏高等教育机构(PAPD)基金,协同创新中心的大气环境和设备技术(CICAEET)基金和国家科学技术部特殊项目研究(GYHY201301030 2013 dfg12860, BC2013012)。