数字图像加密与信息隐藏专题讲座

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1、第二课堂教学活动之一数字图像加密与信息隐藏专题讲座一、数字图像加密图1像素值与位平面图2图像加密及应用1.像素位置置乱应用随机序列随机调整原图像的像素位置。如采用Logistic混沌序列给定初值(µ,x0)，如key=(µ,x0)=(3.9,0.32579)，产生随机序列x=(0.23，0.5，0.3，0.8，0.75，0.33，0.22，0.01，0.55)由[x0,y]=sort(x)生成位置排序序列y=(8，7，1，3，6，2，9，5，4)（1）拉缩法把原图像像素二维矩阵拉伸为一维向量，直接由y调整像素位置，然后再由一维缩为二维矩阵。如拉伸后像素矩阵I=（12，24，5

2、6，78，100，70，78，88，90）新位置I′(i)=I(y(i))变换后I′=（88，78，12，56，70，24，90，100，78）（2）变换矩阵法按光栅扫描，变换矩阵为式中，m和n是矩阵的行与列。2.像素值扩散step1.将混沌序列变换为无符号整数作为XOR操作数step2.B向量中的像素值B(i)的新像素值B(i)为3.安全性（1）密钥空间、密钥敏感性，相邻像素不相关性，密文敏感性。（2）抗裁剪、涂鸦能力。二、数字图像信息隐藏信息隐藏技术就是实现将秘密信息不露痕迹、不露声色地嵌入到要传递的媒体中，实现秘密通讯。原图像叫载体图像，携带秘密信息的图像叫载密图像。信

3、息隐藏及应用1.LSB直接替换法LSB(leastsignificantbit)取代算法：1bit信息直接替换一个像素的最低bit位。可以用mod函数实现：嵌入：截取n位待嵌入二进制秘密信息，并将其转化为十进制数b（b=0,1,2,...,2n-1），此时计算出新像素灰度值（前面两项是清低n位，b替换低n位，n=1，即为LSB）提取：缺点：不安全，直方图出现对值（阶梯）现象，被攻击（RS隐写分析等）。2.基于LSB的隐写算法把秘密信息通过运算间接替换像素的bit0-2，改善直方图，抗RS攻击等。如LSB匹配算法LSBM，LSB匹配回访算法LSBMR等典型算法。(1)LSBM在

4、秘密信息与图像的最低有效位相同时，LSBM算法不作任何操作；当不相同时，LSBM不同于LSB替换图像的最低有效位，而是进行随机±1操作。LSBM算法描述如下：(2)LSBMR详见原文：MielikainenJ.LSBMatchingRevisited[J].IEEESignalProcessingLetters,2006,13(5),285-287.3.EMD隐秘算法2006年Zhang与Wang两人提出EMD(exploitingmodificationdirection)信息隐藏方法。此方法是利用模数运算的余数循环的周期性特点进行信息隐藏。S1=(1×1+3×2)mod5

5、=2，S2=(2×1+3×2)mod5=3…{任意一个数及其周边的4个数}=｛0,1,2,3,4｝，信息d∈｛0,1,2,3,4｝，只需g1和g2之一最多变化1，即可隐藏5进制信息。如d1=2，则不变；d1=4，g2=g2+1=4；d1=1，g1=g1-1=0；4.基于EMD隐秘算法由于EMD具有良好的影像视觉质量与信息嵌入量，故有许多研究者都参考模数运算的特性提出改进式模数运算信息隐藏法，这些算法在嵌入率和效率等方面的性能有不同程度的提高。5.基于像素差信息隐藏算法及改进算法2004年提出：pixel-valuedifferencing平滑区，差值小，嵌入率小；过渡区，差值大

6、些，嵌入率大些；边缘区，差值较大，嵌入率较大。优点：符合人类视觉特征；缺点：平滑区嵌入率小；像素差直方图异常。改进：嵌入方法。6.基于边缘匹配信息隐藏算法及其改进算法2004年提出：（SideMatch,SM）按差值分区，即平滑区、过渡区和边缘区，在不同区的像素嵌入不同的信息量。优点：符合人类视觉特征；缺点：像素差直方图异常。改进：差值计算方法；嵌入方法。7.安全性信息预处理,信息嵌入位置,载密图像视觉质量，直方图。（1）信息预处：加密（2）信息嵌入位置：随机选择嵌入像素（3）载密图像视觉质量直觉；峰值信噪比(peaksignaltonoiseratio,PSNR)>30dB

7、，理想值>39dB。（4）直方图：无异常现象三、数字水印嵌入原理与信息隐藏一样，数字水印其实就是信息隐藏。1.与信息隐藏相比（1）共同点：信息嵌入图像，不可见性，安全性。（2）不同点：信息隐藏追求信息嵌入量，数字水印追求鲁棒性（水印不可破坏性）。2.水印嵌入模式1）盲水印提取水印不需要原图像，直接从水印图像（含水印图像）提取水印。2）非盲水印（1）加法模式Iw=I+α×W（2）乘法模式Iw=I×(1+α×W)（3）融合模式Inew=(1-α)×I+α×W3）零水印只是利用被保护图像构造水印信息，不嵌入任