数字图像密文域可逆信息隐藏技术研究

何惜琴

摘要：数字图像密文域可逆信息隐藏技术是确保图像安全传输的关键，可以避免数字图像在网络传输的过程中被篡改、伪造、非法复制等，本文对数字图像密文域可逆信息隐藏技术进行了研究。论文给出了密文域可逆信息隐藏的原理和框架，对密文域可逆信息隐藏性能评价的指标主要是图像质量、信息隐藏容量和错误率，同时对基于离散余弦变换和离散小波变换的可逆信息隐藏算法进行了研究。本论文的研究对数字图像密文域可逆信息隐藏具有一定的参考价值。

关键词：数字图像;可逆信息隐藏;密文域

一、密文域可逆信息隐藏概述

（一）密文域可逆信息隐藏原理

云计算平台的快速发展以及各种隐私保护的应用使得密文域信息处理受到更为广泛的关注，原始多媒体文件常常是以加密的方式放在云端进行存储，对于云端的管理者来讲，尽管其并不清楚多媒体文件中所包含的秘密内容，但是仍然希望在加密文件中添加辅助的信息，这就必须采用密文域可逆信息隐藏算法。可逆信息隐藏技术是信息隐藏技术研究的重要分支，其原理是多媒体文件的拥有者通过嵌入密钥将保密信息 嵌入到宿主文件 中从而得到载密文件 。载密文件 通过互联网平台进行文件的传输，在接收端接收方通过拥有的嵌入密钥从载密文件 中获得嵌入的保密信息 以及无失真地恢复宿主文件 。

（二）密文域可逆信息隐藏框架

为了确保信息的安全，多媒体信息的拥有者往往对原始的图像进行加密操作，将实施加密操作后的图像传输给云端服务器。云端的管理者对加密的多媒体文件添加一些认证数据信息、时间信息等。对于云端的管理者而言，其没有多媒体文件的加密密钥，也就无法获得秘密内容，确保了信息的安全性。接收方根据多媒体文件拥有者提供的加密密钥进行相应的操作就可以获得秘密内容和原始宿主文件。密文域可逆信息隐藏框架如图1所示。

;;;; 图1 密文域可逆信息隐藏框架图

由图1可知，图像的拥有者在对原始数字图像加密之前需要进行图像的预处理操作，图像的预处理包括明文域可逆信息的隐藏处理、图像的处理或者不进行图像的预处理。云端管理者主要是完成对密文多媒体文件的云端管理，如将一些标记信息嵌入到密文多媒体文件中去，目前将标记信息嵌入到密文多媒体文件的办法有压缩密文数据等。对于多媒体文件的接收方而言，其拥有密钥，通过密钥对载密的多媒体文件进行操作，从而获得信息和载密的解密图像。

（三）密文域可逆信息隐藏应用

密文域可逆信息隐藏在社会生活的许多领域具有广泛的应用，如医疗领域、军事通信领域、云管理领域等。在医疗领域，为了保护患者的个人隐私，患者的个人病情诊断图像信息只希望被主治医师看到，因此必须对加密后的患者诊断图像嵌入姓名、年龄等额外的信息，这样才能更加便于云端管理者对患者的诊断图像信息进行管理。在军事通信领域，各种军事信息都是高度机密的，一旦原始的載体数据信息遭受到破坏，那么就很容易引起严重的后果。基于此，各种军事信息在进行通信传输之前必须进行加密处理，同时为了更好地对军事信息进行管理，需要在密文图像中添加一些附加的信息。在云管理领域，信息技术的快速发展使得大量的多媒体数据被存储在云端，为了确保自己的数据安全性得到保证，多媒体数据的拥有者需要对原始数据进行加密处理，同时传递给云端的管理者，这使得密文域可逆信息隐藏技术得到了快速的发展。

二、密文域可逆信息隐藏性能评价

（一）图像质量

对多媒体文件的处理在一定程度上会导致图像的失真，即一些重要信息的丢失，密文域可逆信息隐藏性能评价可以采用图像质量评价指标。所谓图像质量主要是用于评价图像经过各种处理操作之后和原始图像相比感知的质量。对图像质量的评价主要是从两个角度，即主观的角度和客观的角度。从主观的角度来讲，其是通过人眼去观察，如果图像在经过处理之后，其失真的程度通过人的肉眼无法察觉到，那么就认为其具有比较好的图像质量。从客观的角度来讲，主要有均方差、峰值信噪比等衡量指标。

均方差是最为常见、最为简单的衡量图像质量的指标，对于一个大小为的原始图像A，在原始图像A中嵌入秘密信息得到图像，那么通过计算两幅图像像素之间的均方差对图像相对于原始图像A的改变程度进行评价。如果均方差的计算结果数值比较大，那么说明图像的质量发生了明显的改变。均方差MSE的计算公式为：

（1）

式中，为原始图像A的像素值，为图像的像素值， M为图像的高度，N为图像的宽度。

峰值信噪比PSNR是衡量图像质量的另外一个常见指标，其值越大表明图像的失真程度越低，其值越小表明图像的失真程度越高。峰值信噪比的计算公式为：

（2）

峰值信噪比的大小和均方差之间具有一定的关系，均方差越小，其峰值信噪比数值越大，即隐藏的秘密信息不可见性越好。峰值信噪比在一定程度上反映了图像在信息隐藏前后的变化。大量的试验结果表明，单纯的通过峰值信噪比对图像的质量进行判断往往无法达到和人的视觉感知相一致的目的，有可能存在峰值信噪比数值较大但是图像的失真度更高的感觉。造成出现这种情况的原因是人的肉眼对误差的敏感并不是绝对的，肉眼对图像感知的效果受到多种因素的影响，因此在实际的应用过程中，对图像质量的判断要通过峰值信噪比和人的肉眼视觉进行综合判断。

（二）信息隐藏容量

信息隐藏容量是衡量密文域可逆信息隐藏技术好坏的重要指标，图像在进行网络传输的过程中，信息隐藏容量越多，通信速率越快，但是信息隐藏容量越大往往会导致图像的失真度越高。在进行信息隐藏的过程中必须以保证比较高的图像质量为前提。信息隐藏率是衡量信息隐藏容量的表达式，其计算公式为：

（3）

式中，S为秘密信息的大小，N为原始图像像素个数大小。

（三）错误率

错误率是衡量密文域可逆信息隐藏技术好坏的另一重要指标，是指所提取信息的错误率。为了获得比较高的信息隐藏容量，往往需要将原始的图像划分为多个图像块。划分的图像块数量越多，其隐藏的秘密信息越多，同时划分图像的块数越小导致提取信息的错误风险越高。大量的试验结果表明，如果划分图像的块数小于32×32，那么提取信息就会存在很高的错误率。在进行信息隐藏的过程中必须选择合适的隐藏算法才能有效地消除错误率。

三、基于频域的可逆信息隐藏算法

（一）基于离散余弦变换的可逆信息隐藏算法

DCT（离散余弦变换）是实数域内的变换，原始信号经过DCT变换所得到的依旧是实数域内信号，其计算量比较小。对于绝大多数的数字图像，经过DCT变换之后能量集中在低频部分。因此，为了获得比较高的数字图像，可以将秘密信息隐藏在高频部分。基于DCT的可逆信息隐藏算法首先是将原始的数字图像均匀划分为若干个部分，然后将图像进行DCT变换，将原始图像由空間域转变到频域，最后对其进行量化、编码、输出。在对原始的图像进行DCT变换之后，其系数值主要是集中在0值附近，同时波动的范围比较小。基于这一特征，DCT系数可以通过比较少的比特数来表示。图像的能量主要是集中在图像的低频部分，即不为零的系数集中在一起，因此可以有效地对图像进行压缩处理，获得更多的空余空间来隐藏秘密的信息。在进行图像处理的过程中只要对图像的低频部分不做任何的改变，那么就可以保证比较高的图像质量。基于离散余弦变换的可逆信息隐藏算法是将秘密信息隐藏在原始图像的中频部分，这样可以达到不影响图像质量，同时又不会被轻易破坏的目的。

（二）基于离散小波变换的可逆信息隐藏算法

小波变换是一种至关重要的图像处理技术，对图像进行小波变换可以将图像分为低频部分和高频部分，这两个部分分别表示了图像的重要信息和不重要的信息。原始图像进行一次小波变换形成了四个区域，分别为LL区域、LH区域、HL区域和HH区域，其中LL区域为最低频部分，包含了图像最重要的信息;HH区域为最高频部分，包含了图像最不重要的信息。为了有效实现对图像可逆信息的隐藏，用于隐藏秘密信息的小波系数必须满足两个条件，即图像处理和噪声干扰都不会过多的改变小波系数，在嵌入高容量的同时必须确保比较高的图像质量。基于离散小波变换的可逆信息隐藏算法是将秘密信息隐藏在LH区域、HL区域以及HH区域，通过修正这三个非低频区域的小波系数来达到信息隐藏的目的。

四、结论

计算机网络技术和多媒体技术的快速发展使得数字图像通过网络传播变得非常普遍，但是在借助网络传播的过程中面临图像被篡改、伪造等安全问题，确保数字图像的安全传输至关重要。本文对数字图像密文域可逆信息隐藏技术进行研究，分析了密文域可逆信息隐藏的原理与框架，对密文域可逆信息隐藏性能评价的指标主要是图像质量、信息隐藏容量以及错误率，同时对基于离散余弦变换的可逆信息隐藏算法和基于离散小波变换的可逆信息隐藏算法进行了研究。本论文的研究对更加客观全面地了解数字图像密文域可逆信息隐藏具有一定的参考价值。

参考文献

[1]王继军，李国祥，夏国恩，孙泽锐.图像插值空间完全可逆可分离密文域信息隐藏算法[J].电子学报，2020，48（01）：92-100.

[2]李志佳，夏玮.基于差值直方图平移的密文域可逆信息隐藏算法[J].计算机工程，2019，45（11）：152-158.

福建省教育厅项目，JAT190888基于密文域的图像可逆信息隐藏算法研究。