一种可用性增强的频域缩略图保持加密方法与流程

1.本发明涉及图像处理和隐私保护领域，具体为一种可用性增强的频域缩略图保持加密方法。


背景技术：

2.近年来，人们每天创造的图像数量达到了前所未有的规模。因此，越来越多的人习惯将自己的图片上传到一些云平台，如百度云，icloud和谷歌云，以节省本地存储空间。然而，由于这些日常图像往往包含各种个人敏感信息，如位置、外貌和人际关系等，直接在云中公开明文图像是不安全的。缩略图保持加密技术作为一种平衡图像视觉可用性和隐私性的云图像隐私保护技术，近年来备受关注。这里的视觉可用性是指具有先验知识的人仍然能够用肉眼识别出密文图像。隐私性是指明文图像的细节是被隐藏的，在没有先验知识的情况下无法被人识别。在实现中，缩略图保持加密旨在保留每个块的平均像素值以保留视觉可用性，并加密明文图像的所有剩余信息以保护隐私。
3.但是，除了wright等人提出的方案外，其他已有方案都是在空间域中操作的，因此与jpeg格式不兼容。wright等人提出的方案不仅在每个块中显示整个像素列表，而且无法实现非视觉可用性。在这里，非可视可用性表示支持在密文图像中隐藏额外信息的能力。换句话说，经缩略图保持加密处理后的密文图像仍然有信息嵌入的空间。非视觉可用性对于提升用户体验很重要，因为它允许用户将各种信息，如时间戳、位置和设备信息，嵌入到密文图像中，用于注释或娱乐。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种可用性增强的频域缩略图保持加密方法，在平衡隐私性和视觉可用性的同时，实现了非视觉的可用性，即能够进行额外信息嵌入。
5.本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
6.一种可用性增强的频域缩略图保持加密方法，包括以下步骤：
7.步骤1)：对原始图像进行预处理，然后利用已有的频域信息隐藏算法进行腾空间，在每个8
×
8块中的固定位置预留空间以便后续记录额外信息；
8.步骤2)：按照预设的加密比特位对每个8
×
8块中所有ac系数的低位进行加密，同时保持每个块的dc系数不变，以达到密文图像缩略图与原始图像缩略图近似的视觉效果；
9.步骤3)：将额外信息记录在每个块中所预留的空间中，并确保所记录的信息量小于该区域承载上限。
10.作为本发明一种可用性增强的频域缩略图保持加密方法进一步的优化方案，步骤1)中对原始图像进行预处理的具体步骤如下：
11.若原始图像为png格式图像，则首先将png图像从rgb空间转换为ycrcb空间：
[0012][0013]
式中，r、g和b分别代表图像的红色、绿色和蓝色通道，y、cb和cr分别代表图像的亮度、蓝色色度和红色色度通道。随后，按照4:2:2对转换至ycrcb空间的图像的三个通道进行下采样。继而，对下采样完后的图像进行8
×
8分块的dct变换：
[0014][0015]
式中，uvv∈{1,2,
…
,8}，f和f分别表示dct变换后和dct变换前的图像分块。最后，对dct变换后的图像进行量化。
[0016]
若原始图像直接为jpeg格式图像，则对其进行熵解码。熵解码为熵编码的逆过程。在熵编码过程中，首先对每个8
×
8块内的系数按照zigzag顺序扫描，对其中dc系数采用差分脉冲调制编码，即对相邻块的dc系数差值进行编码以节省空间，同时对ac系数进行游程编码。随后，对编码后的dc和ac系数再次进行哈夫曼编码。
[0017]
作为本发明一种可用性增强的频域缩略图保持加密方法进一步的优化方案，步骤2)的详细步骤如下：
[0018]
将经过腾空间的图像以8
×
8的尺寸进行分块，令预设的加密比特位为各个分块内ac系数的低θ位，对于其中任意一个分块i，使用流密码对其内ac系数的低θ位进行加密。首先，生成密钥矩阵k：
[0019]
k(x,y)＝gen(t,ke,x,y,θ)
[0020]
式中，gen(
·
)表示伪随机整数生成器，t为随机数，每个图像所对应的t不同，ke为加密密钥，x,y∈{1,2,
…
,8}。随后，k被用于加密经过腾空间处理的ac系数：
[0021][0022]
式中，{λ1,
…
,λ
p
}为被留空ac系数的位置。最后，对经过流加密的图像分块i
′
进行熵编码，将所有经过处理的图像分块进行组合即得到密文图像。
[0023]
作为本发明一种可用性增强的频域缩略图保持加密方法进一步的优化方案，步骤3)的详细步骤如下：
[0024]
首先，对密文图像进行熵解码。随后，加密待嵌入的额外信息，将其覆盖到被先前腾出的空间。在这里，可用于额外信息记录的容量cap为：
[0025][0026]
式中，m和n分别为原始图像的高度与宽度，p代表每个块中所腾出的用于额外信息记录的系数数量。最后，对信息嵌入后的图像进行熵编码，即得到标记后的密文图像。
[0027]
相对于现有技术，本发明的有益效果：
[0028]
在平衡图像隐私性和视觉可用性的同时，保留了原始图像可隐藏额外信息的非视
觉可用性；兼容jpeg图像格式，在频域上进行操作。
附图说明
[0029]
图1是本发明中图像加密嵌入流程示意图；
[0030]
图2是本发明中图像恢复流程示意图；
[0031]
图3是本发明中y通道量化表示意图；
[0032]
图4是本发明中cb和cr通道量化表示意图。
具体实施方式
[0033]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0034]
如图1所示，本发明公开了一种可用性增强的频域缩略图保持加密方法，包括以下步骤：
[0035]
步骤1)：对原始图像进行预处理，然后利用已有的频域信息隐藏算法进行腾空间，在每个8
×
8块中的固定位置预留空间以便后续记录额外信息；
[0036]
步骤2)：按照预设的加密比特位对每个8
×
8块中所有ac系数的低位进行加密，同时保持每个块的dc系数不变，以达到密文图像缩略图与原始图像缩略图近似的视觉效果；
[0037]
步骤3)：将额外信息记录在每个块中所预留的空间中，并确保所记录的信息量小于该区域承载上限。
[0038]
步骤1)中对原始图像进行预处理的具体步骤如下：
[0039]
若原始图像为png格式图像，则首先将png图像从rgb空间转换为ycrcb空间：
[0040][0041]
式中，r、g和b分别代表图像的红色、绿色和蓝色通道，y、cb和cr分别代表图像的亮度、蓝色色度和红色色度通道。随后，按照4:2:2对转换至ycrcb空间的图像的三个通道进行下采样。继而，对下采样完后的图像进行8
×
8分块的dct变换：
[0042][0043]
式中，u,v∈{1,2,
…
,8}，f和f分别表示dct变换后和dct变换前的图像分块。最后，对dct变换后的图像进行量化，在量化过程中，y通道采用图3所示的量化矩阵，cb和cr通道采用图4所示的量化矩阵。
[0044]
若原始图像直接为jpeg格式图像，则对其进行熵解码。熵解码为熵编码的逆过程。在熵编码过程中，首先对每个8
×
8块内的系数按照zigzag顺序扫描，对其中dc系数采用差分脉冲调制编码，即对相邻块的dc系数差值进行编码以节省空间，同时对ac系数进行游程编码。随后，对编码后的dc和ac系数再次进行哈夫曼编码。
[0045]
步骤2)的详细步骤如下：
[0046]
将经过腾空间的图像以8
×
8的尺寸进行分块，令预设的加密比特位为各个分块内ac系数的低θ位，对于其中任意一个分块i，使用流密码对其内ac系数的低θ位进行加密。首先，生成密钥矩阵k：
[0047]
k(x,y)＝gen(t,ke,x,y,θ)
[0048]
式中，gen(
·
)表示伪随机整数生成器，t为随机数，每个图像所对应的t不同，ke为加密密钥，x,y∈{1,2,
…
,8}。
[0049]
k被用于加密经过腾空间处理的ac系数：
[0050][0051]
式中，{λ1,
…
,λ
p
}为被留空ac系数的位置。
[0052]
最后，对经过流加密的图像分块i
′
进行熵编码，将所有经过处理的图像分块进行组合即得到密文图像。
[0053]
步骤3)的详细步骤如下：
[0054]
首先，对密文图像进行熵解码。随后，加密待嵌入的额外信息，将其覆盖到被先前腾出的空间。在这里，可用于额外信息记录的容量cap为：
[0055][0056]
式中，m和n分别为原始图像的高度与宽度，p代表每个块中所腾出的用于额外信息记录的系数数量。最后，对信息嵌入后的图像进行熵编码，即得到标记后的密文图像。
[0057]
本发明的图像解密示意图如图2所示，具体包括以下步骤：
[0058]
首先对图像进行熵解码，然后分别进行额外信息提取和原始图像恢复步骤。额外信息提取步骤只需将置于每个块内预留空间中的信息提取即可。原始图像恢复步骤首先需要对图像进行解密，从预留空间中获取ω，其次执行基于直方图平移的频域信息隐藏的逆过程即可恢复图像。
[0059]
本发明结合现有的视觉心理学研究，以基于频域的信息嵌入为核心思想，腾出空间用来进行额外信息记录操作，并通过保留块内dc系数和加密剩余ac系数来平衡图像隐私性和视觉可用性。
[0060]
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0061]
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种可用性增强的频域缩略图保持加密方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)，对原始图像进行预处理，然后利用已有的频域信息隐藏算法进行腾空间，在每个8
×
8块中的固定位置预留空间以便后续记录额外信息；步骤2)，按照预设的加密比特位对每个8
×
8块中所有ac系数的低位进行加密，同时保持每个块的dc系数不变，以达到密文图像缩略图与原始图像缩略图近似的视觉效果；步骤3)，将额外信息记录在每个块中所预留的空间中，并确保所记录的信息量小于该区域承载上限。2.如权利要求1所述可用性增强的频域缩略图保持加密方法，其特征在于，所述步骤1)中对原始图像进行预处理包括如下步骤：步骤1.1)，若原始图像为png格式图像，则对其进行如下处理：步骤1.1.1)，将png图像从rgb空间转换为ycrcb空间：式中，r、g和b分别代表图像的红色、绿色和蓝色通道，y、cb和cr分别代表图像的亮度、蓝色色度和红色色度通道；步骤1.1.2)，按照4:2:2对转换至ycrcb空间的图像的y、cb、cr通道进行下采样；步骤1.1.3)，对下采样完后的图像进行8
×
8分块的dct变换：式中，u,v∈{1,2,
…
,8}，f和f分别表示dct变换后和dct变换前的图像分块；步骤1.1.4)，对dct变换后的图像进行量化；步骤1.2)，若原始图像直接为jpeg格式图像，则对其进行熵解码，熵解码为熵编码的逆过程，熵编码的详细步骤如下：步骤1.2.1)，对每个8
×
8块内的系数按照zigzag顺序扫描，对其中dc系数采用差分脉冲调制编码，即对相邻块的dc系数差值进行编码以节省空间，同时对ac系数进行游程编码；步骤1.2.2)，对编码后的dc和ac系数再次进行哈夫曼编码。3.如权利要求1所述可用性增强的频域缩略图保持加密方法，其特征在于，所述步骤2)的详细步骤如下：步骤2.1)，将经过腾空间的图像以8
×
8的尺寸进行分块，令预设的加密比特位为各个分块内ac系数的低θ位，对于其中任意一个分块i，使用流密码对其内ac系数的低θ位进行加密，具体包括如下步骤：步骤2.1.1)，生成密钥矩阵k：k(x,y)＝gen(t,k
e
,x,y,θ)式中，gen(
·
)表示伪随机整数生成器，t为随机数，每个图像所对应的t不同，k
e
为加密
密钥，x,y∈{1,2,
…
,8}；步骤2.1.2)，用k加密经过腾空间处理的ac系数：式中，{λ1,
…
,λ
p
}为被留空ac系数的位置。步骤2.2)，对经过流加密的图像分块i
′
进行熵编码，将所有经过处理的图像分块进行组合即得到密文图像。4.如权利要求1所述可用性增强的频域缩略图保持加密方法，其特征在于，所述步骤3)的详细步骤如下：步骤3.1)，对密文图像进行熵解码；步骤3.2)，加密待嵌入的额外信息，将其覆盖到被先前腾出的空间，可用于额外信息记录的容量cap为：式中，m和n分别为原始图像的高度与宽度，p代表每个块中所腾出的用于额外信息记录的系数数量；步骤3.3)，对信息嵌入后的图像进行熵编码，即得到标记后的密文图像。

技术总结
本发明公开了一种可用性增强的频域缩略图保持加密方法，实现图像隐私性与增强可用性的平衡。隐私性表示保护图像中可能包含用户隐私的细节部分，增强的可用性指的是在尽可能保留原始图像缩略图以保持图像大体轮廓之外还可以用于记录额外信息。本发明中，图像拥有者在频域对原始图像进行腾空间操作后，对每个块内AC系数的低位进行流加密并保留原始DC系数，使密文图像与原始图像保持缩略图近似的效果。信息隐藏者获得密文图像后在频域每个块的固定位置记录额外信息，且不会大幅度影响到密文图像的缩略图。该方案的图像加密以及信息嵌入过程是完全可逆的，且图像加密和额外信息隐藏步骤可分离。步骤可分离。步骤可分离。


技术研发人员：叶茜 张玉书 孙晓盼 姚凯强
受保护的技术使用者：郑州信大先进技术研究院
技术研发日：2023.04.27
技术公布日：2023/7/25