基于像素预测和秘密图像共享的可逆信息隐藏

doi:10.11772/j.issn.1001-9081.2023030321

《计算机应用》唯一官方网站 ›› 2024, Vol. 44 ›› Issue (3): 780-787.DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2023030321

所属专题：网络空间安全

基于像素预测和秘密图像共享的可逆信息隐藏

袁卿宇(), 高铁杠

南开大学软件学院，天津 300350

收稿日期:2023-03-31 修回日期:2023-05-13 接受日期:2023-05-17 发布日期:2023-06-15 出版日期:2024-03-10
通讯作者: 袁卿宇
作者简介:高铁杠（1966—），男，河北石家庄人，教授，博士生导师，博士，主要研究方向：软件工程、信息安全。
基金资助:
天津市自然科学基金重点项目(21JCZDJC00130)

Reversible information hiding based on pixel prediction and secret image sharing

Qingyu YUAN(), Tiegang GAO

College of Software，Nankai University，Tianjin 300350，China

Received:2023-03-31 Revised:2023-05-13 Accepted:2023-05-17 Online:2023-06-15 Published:2024-03-10
Contact: Qingyu YUAN
About author:GAO Tiegang， born in 1966， Ph. D.， professor. His research interests include software engineering， information security.
Supported by:
Key Project of Tianjin Natural Science Foundation(21JCZDJC00130)

摘要/Abstract

摘要：

为增强图像加密的安全性以及增加加密图像的信息隐藏容量，提出一种基于像素预测和秘密图像共享的可逆信息隐藏算法。首先，利用共享矩阵逐行处理图像并分存为四个共享图像；其次，利用二维混沌映射生成随机密钥加密共享图像；再次，利用中值边缘检测器（MED）预测共享图像中可嵌入位置的像素值，预测值与原像素从高位开始比对相同的位数，根据规则记录标签值，提取参考像素的高三位与认证信息存入可嵌入位；最后，将标签值存入参考像素高位，剩余的可嵌入位为所提算法的嵌入容量。实验结果表明，所提算法不仅能够为信息隐藏提供大容量的嵌入空间，而且能够实现可逆数据隐藏并根据（k，n）阈值策略实现加密图像的无损复原。

关键词: 图像加密, 共享矩阵, 可逆数据隐藏, 中值边缘检测器, 嵌入空间

Abstract:

In order to improve the security of image encryption and increase the information hiding capacity of encrypted images， a reversible information hiding algorithm based on pixel prediction and secret image sharing was proposed. Firstly， the shared matrix was used to process an image line-by-line and save it into four shared images. Secondly， random key-encrypted shared images were generated using a 2D chaotic mapping. Thirdly， the Median Edge Detector （MED） was used to predict the pixel value of the embedded position in the shared image. The predicted value was aligned to the same bits as the original pixel from the high bit， and the label value was recorded according to the rule. The high three bits of the reference pixel were stored into the embeddable bits. Finally， the label value was stored in the high bits of the reference pixel， and the remaining embeddable bits were the embedding capacity of the proposed algorithm. Experimental results show that the proposed algorithm can provide large capacity embedding space for information hiding， realize the reversible data hiding and the lossless recovery of encrypted images according to the （k，n） threshold strategy.

Key words: image encryption, shared matrix, reversible data hiding, Median Edge Detector (MED), embedded space

中图分类号:

TP309.2

袁卿宇, 高铁杠. 基于像素预测和秘密图像共享的可逆信息隐藏[J]. 计算机应用, 2024, 44(3): 780-787.

Qingyu YUAN, Tiegang GAO. Reversible information hiding based on pixel prediction and secret image sharing[J]. Journal of Computer Applications, 2024, 44(3): 780-787.

图/表 11

图1 图像加密嵌入过程

Fig. 1 Process of image encryption embedding

图2 图像无损复原过程

Fig. 2 Process of image lossless restoration

图3 中值边缘检测器

Fig. 3 MED

表1 标签值与可嵌入位对应关系

Tab. 1 Mapping between label values and embeddable bit

高位相同个数	标签值	可嵌入位
0	000	1
1	001	2
2	010	3
3	011	4
4	100	5
5	101	6
6	110	7
$≥ 7$	111	7

表1 标签值与可嵌入位对应关系

Tab. 1 Mapping between label values and embeddable bit

高位相同个数	标签值	可嵌入位
0	000	1
1	001	2
2	010	3
3	011	4
4	100	5
5	101	6
6	110	7
$≥ 7$	111	7

图4 不同图片的加密共享图

Fig. 4 Secret shared images of different images

图5 图像直方图

Fig. 5 Histograms of images

图6 不同k的秘密共享图的复原结果

Fig. 6 Restoration results with different k secret shared images

表2 不同秘密共享图复原的峰值信噪比 (dB)

Tab. 2 Restoration PSNRs of different secret shared images

秘密图序号	PSNR	秘密图序号	PSNR
a，b	13.478 8	c，d	13.500 9
a，c	13.572 3	a，b，c	60.511 0
a，d	13.489 0	a，b，d	57.425 1
b，c	13.474 8	b，c，d	60.661 4
b，d	13.506 1	a，b，c，d	60.511 0

表3 抗差分攻击的性能对比 (%)

Tab. 3 Comparison of performance against differential attacks

算法	NPCR	UACI
本文算法	99.612 5	33.530 2
文献［31］算法	99.601 8	33.464 0
文献［32］算法	99.606 3	33.467 6
文献［33］算法	99.591 0	33.421 2

表4 各个标签的数量与可嵌入位

Tab. 4 Number of each label and embeddable bits

秘密图	b₀	b₁	b₂	b₃	b₄	b₅	b₆	b₇	嵌入空间S	嵌入率/bpp
平均	9 446	8 050	4 154	3 985	5 628	5 350	3 379	3 954	165 519	3.766
M_r1	9 349	7 675	4 082	3 984	5 770	5 359	3 433	4 294	167 974	3.822
M_r2	9 166	8 360	4 246	4 065	5 523	5 291	3 281	4 014	165 310	3.762
M_r3	10 366	8 533	3 767	3 804	5 320	5 064	3 242	3 850	160 577	3.654
M_r4	8 901	7 634	4 520	4 085	5 902	5 687	3 558	3 659	168 220	3.828

表5 不同算法的平均嵌入率对比

Tab. 5 Average embedding rate comparison of different algorithms

算法	Peppers	Jetplane	Lena
文献［34］算法	2.340	2.599	2.374
文献［35］算法	1.977	2.193	2.018
文献［25］算法	2.042	2.191	2.014
文献［36］算法	2.424	2.561	2.133
文献［37］算法	3.584	3.409	3.127
本文算法	3.766	3.803	3.386

参考文献 37

1	P-L CHIU， LEE K-H. An XOR-based progressive visual cryptography with meaningful shares ［C］// Proceedings of the 2016 1st IEEE International Conference on Computer Communication and the Internet. Piscataway： IEEE， 2016： 362-365. 10.1109/cci.2016.7778943
2	曾珂，禹思敏，胡迎春，等.基于3D-LSCM的图像混沌加密算法［J］．电子技术应用，2020，46（1）：86-91. 10.16157/j.issn.0258-7998.190966
	ZENG K， YU S M， HU Y C， et al. Image encryption algorithm using 3D Logistic-Sine cascade map ［J］. Application of Electronic Technique， 2020，46（1）：86-91. 10.16157/j.issn.0258-7998.190966
3	周连兵，周湘贞，崔学荣.基于双重二维混沌映射的压缩图像加密方案［J］.计算机科学， 2022， 49（8）： 344-349. 10.11896/jsjkx.210700235
	ZHOU L B， ZHOU X Z， CUI X R. Compressed image encryption scheme based on dual two dimensional chaotic map ［J］. Computer Science， 2022， 49（8）： 344-349. 10.11896/jsjkx.210700235
4	YASSER I， KHALIL A T， MOHAMED M A， et al. A robust chaos-based technique for medical image encryption ［J］. IEEE Access， 2022， 10： 244-257. 10.1109/access.2021.3138718
5	LUO J， SHI H. Research of chaos encryption algorithm based on logistic mapping ［C］// Proceedings of the 2006 International Conference on Intelligent Information Hiding and Multimedia Signal Processing. Piscataway： IEEE， 2006： 381-383. 10.1109/iih-msp.2006.265022
6	陈虹，赵菊芳，郭鹏飞，等. 基于混沌映射的分块循环DNA图像加密算法［J］．计算机应用研究， 2022，39（6）：1865-1871.
	CHEN H， ZHAO J F， GUO P F， et al. Block cyclic DNA image encryption algorithm based on chaotic map ［J］. Application Research of Computers， 2022， 39（6）： 1865-1871.
7	LIU Y， YANG C. Scalable secret image sharing scheme with essential shadows ［J］. Signal Processing： Image Communication， 2017， 58： 49-55. 10.1016/j.image.2017.06.011
8	YAN X， LU Y， LIU L， et al. Reversible image secret sharing ［J］. IEEE Transactions on Information Forensics and Security， 2020， 15： 3848-3858. 10.1109/tifs.2020.3001735
9	BISWAS A K， DASGUPTA M， RAY S， et al. A probable cheating-free （t，n） threshold secret sharing scheme with enhanced blockchain ［J］. Computers & Electrical Engineering， 2022， 100（1）： 107925. 10.1016/j.compeleceng.2022.107925
10	KANSO A， GHEBLEH M. An efficient （t，n）-threshold secret image sharing scheme ［J］. Multimedia Tools & Applications， 2017， 76：16369-16388. 10.1007/s11042-016-3917-x
11	黄东平，王道顺，黄连生，等. 一种新的（k，n）阈值可视密钥分存方案［J］. 电子学报， 2006， 34（3）： 503-507. 10.3321/j.issn:0372-2112.2006.03.027
	HUANG D P， WANG D S， HUANG L S， et al. A novel （k，n） threshold scheme for visual secret sharing ［J］. Acta Electronica Sinica， 2006， 34（3）： 503-507. 10.3321/j.issn:0372-2112.2006.03.027
12	BAI L. A reliable （k， n） image secret sharing scheme with low information overhead ［J］. International Journal of Computers and Applications， 2010， 32（1）：9-14. 10.1080/1206212x.2010.11441955
13	田小平，田慧明，吴成茂. 基于共享矩阵和混沌的图像分存算法［J］. 西安邮电学院学报， 2018， 32（2）： 22-31.
	TIAN X P， TIAN H M， WU C M. Image sharing algorithm based on shared matrix and chaos［J］. Journal of Xi’an University of Posts and Telecommunications， 2018， 32（2）： 22-31.
14	LI B， FENG Y， XIONG Z， et al. Research on AI security enhanced encryption algorithm of autonomous IoT systems ［J］. Information Sciences， 2021， 575： 379-398. 10.1016/j.ins.2021.06.016
15	刘雁孝，吴萍，孙钦东. 基于区域卷积神经网络的图像秘密共享方案［J］. 计算机研究与发展， 2021， 58（5）： 1065-1074. 10.7544/issn1000-1239.2021.20200898
	LIU Y X， WU P， SUN Q D. Secret image sharing schemes based on region convolution neural network ［J］. Journal of Computer Research and Development， 2021， 58（5）： 1065-1074. 10.7544/issn1000-1239.2021.20200898
16	熊竞达，邓智颖. 一种基于非线性混沌与数据共享的图像流加密算法［J］. 电子技术与软件工程， 2017（4）： 194.
	XIONG J D， DENG Z Y. An image stream encryption algorithm based on nonlinear chaos and data sharing ［J］. Electronic Technology & Software Engineering， 2017（4）： 194.
17	LIU Y， YANG C， WANG Y， et al. Cheating identifiable secret sharing scheme using symmetric bivariate polynomial ［J］. Information Sciences， 2018， 453： 21-29. 10.1016/j.ins.2018.04.043
18	FUKUMITSU M， HASEGAWA S， IWAZAKI J， et al. A proposal of a secure P2P-type storage scheme by using the secret sharing and the blockchain ［C］// Proceedings of the 2017 IEEE 31st International Conference on Advanced Information Networking and Applications. Piscataway： IEEE， 2017： 803-810. 10.1109/aina.2017.11
19	CHENG Y， FU Z， YU B. Improved visual secret sharing scheme for QR code applications ［J］. IEEE Transactions on Information Forensics and Security， 2018， 13（9）： 2393-2403. 10.1109/tifs.2018.2819125
20	ZHANG X. Reversible data hiding in encrypted image［J］. IEEE Signal Processing Letters， 2011， 18（4）： 255-258. 10.1109/lsp.2011.2114651
21	ZHANG W， WANG H， HOU D， et al. Reversible data hiding in encrypted images by reversible image transformation ［J］. IEEE Transactions on Multimedia， 2016， 18（8）： 1469-1479. 10.1109/tmm.2016.2569497
22	MOHAMMADI A. A general framework for reversible data hiding in encrypted images by reserving room before encryption ［J］. Journal of Visual Communication and Image Representation， 2022， 85： 103478. 10.1016/j.jvcir.2022.103478
23	SHI M， YANG Y， MENG J， et al. Reversible data hiding with enhancing contrast and preserving brightness in medical image［J］. Journal of Information Security and Applications， 2022， 70： 103324. 10.1016/j.jisa.2022.103324
24	QIAN Z， ZHANG X. Reversible data hiding in encrypted images with distributed source encoding ［J］. IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology， 2016， 26（4）： 636-646. 10.1109/tcsvt.2015.2418611
25	YI S， ZHOU Y. Separable and reversible data hiding in encrypted images using parametric binary tree labeling ［J］. IEEE Transactions on Multimedia， 2019， 21（1）： 51-64. 10.1109/tmm.2018.2844679
26	LIU Z-L， C-M PUN. Reversible data hiding in encrypted images by lossless pixel conversion ［EB/OL］. ［2022-09-28］. .
27	YIN Z， XIANG Y， ZHANG X. Reversible data hiding in encrypted images based on multi-MSB prediction and Huffman coding ［J］. IEEE Transactions on Multimedia， 2020， 22（4）： 874-884. 10.1109/tmm.2019.2936314
28	PUTEAUX P， PUECH W. An efficient MSB prediction-based method for high-capacity reversible data hiding in encrypted images［J］. IEEE Transactions on Information Forensics and Security， 2018， 13（7）： 1670-1681. 10.1109/tifs.2018.2799381
29	YI P， YIN Z， QIAN Z. Reversible data hiding in encrypted images with two-MSB prediction ［C］// Proceedings of the 2018 IEEE International Workshop on Information Forensics and Security. Piscataway： IEEE， 2018： 1-7. 10.1109/wifs.2018.8630785
30	CHEN K， CHANG C-C. High-capacity reversible data hiding in encrypted images based on extended run-length coding and block-based MSB plane rearrangement ［J］. Journal of Visual Communication and Image Representation， 2019， 58： 334-344. 10.1016/j.jvcir.2018.12.023
31	LAI Q， HU G， ERKAN U， et al. High-efficiency medical image encryption method based on 2D Logistic-Gaussian hyperchaotic map ［J］. Applied Mathematics and Computation， 2023， 442： 127738. 10.1016/j.amc.2022.127738
32	BENAISSI S， CHIKOUCHE N， HAMZA R. A novel image encryption algorithm based on hybrid chaotic maps using a key image ［J］. Optik， 2023， 272： 170316. 10.1016/j.ijleo.2022.170316
33	WANG J， JIANG W， XU H， et al. Image encryption based on Logistic-Sine self-embedding chaotic sequence ［J］. Optik， 2022， 271： 170075. 10.1016/j.ijleo.2022.170075
34	杨尧林，和红杰，陈帆，等. 基于预测误差自适应编码的图像加密可逆数据隐藏［J］. 计算机研究与发展， 2021， 58（6）： 1340-1350. 10.7544/issn1000-1239.2021.20200172
	YANG Y L， HE H J， CHEN F， et al. Reversible data hiding of image encryption based on prediction error adaptive coding ［J］. Journal of Computer Research and Development， 2021， 58（6）： 1340-1350. 10.7544/issn1000-1239.2021.20200172
35	FU Y， KONG P， YAO H， et al. Effective reversible data hiding in encrypted image with adaptive encoding strategy ［J］. Information Sciences， 2019，494： 21-36. 10.1016/j.ins.2019.04.043
36	WU Y， XIANG Y， GUO Y， et al. An improved reversible data hiding in encrypted images using parametric binary tree labeling ［J］. IEEE Transactions on Multimedia， 2020， 22（8）： 1929-1938. 10.1109/tmm.2019.2952979
37	佘晓萌，杜洋，马文静，等. 基于像素预测和块标记的图像密文可逆信息隐藏［J］. 计算机研究与发展， 2022， 59（9）： 2089-2100. 10.7544/issn1000-1239.20210495
	SHE X M， DU Y， MA W J， et al. Reversible data hiding in encrypted images based on pixel prediction and block labeling［J］. Journal of Computer Research and Development， 2022， 59（9）： 2089-2100. 10.7544/issn1000-1239.20210495

[1]	张翔宇, 杨阳, 冯国徽, 秦川. 基于多目标优化的加密图像可逆信息隐藏[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2022, 42(6): 1716-1723.
[2]	郭媛, 王学文, 王充, 姜津霖. 基于动态网络的非线性置乱扩散同步图像加密[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2022, 42(1): 162-170.
[3]	李珊珊, 赵莉, 张红丽. 基于猫映射的图像灰度值加密[J]. 计算机应用, 2021, 41(4): 1148-1152.
[4]	沈子懿, 王卫亚, 蒋东华, 荣宪伟. 基于Hopfield混沌神经网络和压缩感知的可视化图像加密算法[J]. 计算机应用, 2021, 41(10): 2893-2899.
[5]	葛江峡, 齐文韬, 兰林, 田雨, 朱和贵. 二维反三角超混沌系统及其在图像加密上的应用[J]. 计算机应用, 2019, 39(1): 239-244.
[6]	金建国, 肖莹, 邸志刚. 基于混沌动态随机分组与调制分数阶FFT旋转因子的图像加密[J]. 计算机应用, 2016, 36(4): 966-972.
[7]	江帆, 吴小天, 孙伟. 基于稀疏矩阵的Arnold数字图像加密算法[J]. 计算机应用, 2015, 35(3): 726-731.
[8]	徐光宪郭晓娟. 基于混沌系统的DNA图像加密算法[J]. 计算机应用, 2014, 34(11): 3177-3179.
[9]	张文全张烨周南润. 基于随机分数梅林变换的非线性图像加密算法[J]. 计算机应用, 2013, 33(10): 2865-2867.
[10]	王雅庆周尚波. 基于分数阶陈氏混沌系统的图像加密算法[J]. 计算机应用, 2013, 33(04): 1043-1046.
[11]	刘乐鹏张雪峰. 基于混沌和位运算的图像加密算法[J]. 计算机应用, 2013, 33(04): 1070-1073.
[12]	向涛王安. 安全的LZW编码算法及其在GIF图像加密中的应用[J]. 计算机应用, 2012, 32(12): 3462-3465.
[13]	黄斌史亮邓小鸿陈志刚. 自适应高容量医学图像可逆数据隐藏算法[J]. 计算机应用, 2012, 32(10): 2779-2782.
[14]	龚黎华曾绍阳周南润. 基于频谱切割和二维Arnold变换的彩色图像加密算法[J]. 计算机应用, 2012, 32(09): 2599-2602.
[15]	唐宋徐桂兰李清都. 基于高维超混沌系统和矩阵张量积的图像分组加密新算法[J]. 计算机应用, 2012, 32(08): 2262-2264.

基于像素预测和秘密图像共享的可逆信息隐藏

Reversible information hiding based on pixel prediction and secret image sharing

RichHTML

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 11

参考文献 37

相关文章 15

编辑推荐

Metrics