基于三重備份的(k,n)有意義圖像分存及恢復(fù)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于信息安全、秘密共享和數(shù)字圖像信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域，涉及有意義圖像 信息分存方法，具體涉及一種基于H重備份的化，腳有意義圖像分存及恢復(fù)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，伴隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的圖像在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，在給用 戶提供方便的同時(shí)，也帶來(lái)了一系列的安全隱患。對(duì)圖像的不當(dāng)使用和惡意篡改，不僅會(huì)涉 及個(gè)人隱私，也會(huì)給社會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重負(fù)面影響。
[0003] 針對(duì)數(shù)字圖像信息安全，人們已提出了多種方法，如；①將明文圖像轉(zhuǎn)換為密文圖 像的數(shù)字圖像加密技術(shù)；②將機(jī)密圖像隱藏于非相關(guān)載體中的數(shù)字圖像隱寫技術(shù)；③給圖 像添加版權(quán)認(rèn)證標(biāo)識(shí)，對(duì)圖像的真實(shí)性和完整性、來(lái)源者和使用者進(jìn)行認(rèn)證的數(shù)字圖像水 印技術(shù)；④結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)特點(diǎn)對(duì)圖像的真實(shí)性和完整性進(jìn)行甄別的數(shù)字圖像盲取證技術(shù)； ⑥將機(jī)密圖像拆分為影子圖像，利用部分分發(fā)影子圖像重構(gòu)秘密圖像的數(shù)字圖像信息分存 技術(shù)。
[0004] 其中，對(duì)重要圖像信息進(jìn)行安全保護(hù)的數(shù)字圖像信息分存技術(shù)已成為當(dāng)前圖像信 息安全的研究熱點(diǎn)。
[0005] 現(xiàn)有的圖像信息分存主要源自密碼學(xué)中的秘密共享。最簡(jiǎn)單的秘密共享是化腳 口限秘密共享，最早由化amir和Blakley分別結(jié)合Lagrange插值方法和矢量空間點(diǎn)的性 質(zhì)提出。在化，腳口限秘密共享方案中，任何包含至少K個(gè)參與者的集合都是許可集，否則 是禁止集。其基本思想是將主密鑰分成N個(gè)子密鑰，并且滿足；已知任意t(t>K)個(gè)子密 鑰，則可容易地計(jì)算出密鑰，否則都不能計(jì)算出主密鑰，該里的K就是口限共享方案的口 限。
[0006] 基于Lagrange插值的秘密共享方法主要是建立在如下多項(xiàng)式的基礎(chǔ)上：
[0007]f似=S甘Ik甘2k：2+…甘&-1滬1(modP)
[0008] 其中S是秘密值、P為素?cái)?shù)、ri，r2,…，礦巧隨機(jī)整數(shù)并且滿足S，r1，r2,… ，/-1g[0，p)。
[000引將1，2,…，N依次代入f(k)且N為拓p)范圍內(nèi)的整數(shù)，從而形成N個(gè)分 發(fā)信息化，f似），k= 1，2,…，N。若從中任取t個(gè)不同編號(hào)的子密鑰，記其依次為 (nunik，f(nunik))，numkG(1，2,…，N}，k= 1, 2,…，t且t>K，貝ij可按Lagrange插值對(duì)f化） 進(jìn)行恢復(fù)，從而進(jìn)一步恢復(fù)出s。
[0010]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于三重備份的（K，N)有意義圖像分存方法，其特征在于，包括以下步驟： 第1步：獲得大小為mXn的秘密圖像S= (Si，」)mXn和N張大小為2mX2n的掩體圖像 k= 1，2,…，N，選取密鑰Ke隨機(jī)生成< 0, 1，2,…，X，…，4mn-l>的一個(gè) 排列序列<qQ,q1;q2，…，qx，…，用于確定秘密像素分存信息在掩體圖像中的嵌入位 置； 第2步：使用公式（1)將密鑰Ke進(jìn)行（K，N)分存，對(duì)于標(biāo)號(hào)為k的參與者可按公式（1) 獲得子密鑰fKe(k)，其中，公式（1)為：
(1) 公式⑴中，pKe是大于Ke的任意素?cái)?shù)，么,…,rf1均為隨機(jī)整數(shù)且滿足 rKe，rKc，…，rKeGPKe_ 2<K^N<7; 第3步：對(duì)于標(biāo)號(hào)為k的參與者，使用子密鑰fK6(k)生成元素處于[0, 6]之間的隨機(jī)整數(shù)序列<廠〇，廠1，廠2二..，^，6_;+1，~+2，一,廠3__3,6_-2，^?-1 >; 第4步：對(duì)于秘密圖像S像素掃描序中第x個(gè)位置的像素\用7進(jìn)制數(shù)（axbxcx)7表 示，并按公式（2)進(jìn)行分存，其中，公式（2)為： fx(k) = (ax+bxk+cxk2+r1k3+. . .+rK_3kK_1)mod7 (2) 公式（2)中，rpr2,. . .，rK_3為隨機(jī)整數(shù)，并滿足rpr2,. . .，rK_3e[〇, 6]，對(duì)于標(biāo)號(hào)為k 的參與者，得到分存信息記為.甲.；；=./.:(/〇,k= 1，2,. . .，N，N< 7且x= 0, 1，…，mn-l; 第5步：將上一步得到的分存信息加密成三個(gè)版本年和切，然后將 它們分別嵌入到掩體圖像Ck的q3x，q3x+1，q3x+2位置； 第6步：計(jì)算fKe(k)對(duì)應(yīng)的MD5值并向第三方公信方公布，以防止用戶惡意篡改子密鑰 (k)，然后將嵌入分存信息后的掩體圖像和子密鑰ffc (k)分發(fā)給標(biāo)號(hào)為k的參與者，并 銷毀計(jì)算過(guò)程中的所有中間數(shù)據(jù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三重備份的（K，N)有意義圖像分存方法，其特征在于，所 述第5步中，將分存信息加密成三個(gè)版本和的方法具體如公式（3) 所示：
公式⑶中的q3x,q3x+1,q3x+2由第1步生成，<,4+1,<+2由第3步生成，當(dāng)所有x處理 完后，得到嵌入分存信息后的掩體圖像=?j2mx2",k= 1，…，N。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于三重備份的（K，N)有意義圖像分存方 法，其特征在于，所述第5步中，將年和嵌入到掩體圖像Ck的方 法是通過(guò)調(diào)整?+1,<+2成完成，其中滿足 匕mod7 = 4 ,mod7 = .s'/n'L4 的掩體圖像得到更高的視覺(jué)質(zhì)量，選擇滿足最小的 P，k p,k P，k ，C?3v+l^^+2 °
4. 一種如權(quán)利要求3所述分存方法的基于三重備份的（K，N)有意義圖像恢復(fù)方法，其 特征在于，包括以下步驟： 第1步：假設(shè)有t個(gè)參與者參與秘密圖像重構(gòu)，這些參與者的標(biāo)號(hào)為numke[1，N]，k=1，…，t，t>K，分別計(jì)算參與者子密鑰fKe (numk)的MD5值并與第三方公信方對(duì)應(yīng)的MD5 值進(jìn)行對(duì)比，若通過(guò)認(rèn)證的參與者數(shù)大于等于K，則繼續(xù)還原過(guò)程，否則恢復(fù)失??； 第2步：將通過(guò)認(rèn)證的參與者的標(biāo)號(hào)和子密鑰（numk,fKe(numk))按Lagrange插值還 原出公式（1)中的密鑰Ke和使用Ke再次生成< 0, 1, 2,>的排列序列 <qQ,q2,…，qx，…，q^〉，其中，對(duì)于標(biāo)號(hào)為numk的參與者，使用fKe(numk)生成隨機(jī)整 數(shù)序列
第3步：提取出參與者的掩體圖像= ($7 )2,"x2"在像素掃描序的第q3x，q3x+1，q3x+2(x= 〇, 1，…，mn-1)位置中嵌入的分存信息，解密出分存信息逆n勺3個(gè)版 本 細(xì)、>廠*和2批，； 第4步：對(duì)于、一乂"?4和2年，若互不相等則認(rèn)為分存信息不可信， 否則把切的值設(shè)置為和2切中出現(xiàn)最多的數(shù)值并且認(rèn)為其可信； 第5步：若求得的可信切的個(gè)數(shù)大于等于K，則通過(guò)可信的分存信息使用拉格朗日 插值還原出公式（2)，從而提取出（axbxcx)7，得到秘密圖像的第x個(gè)像素，假設(shè)秘密圖像的 第x個(gè)像素坐標(biāo)位置為1)，并標(biāo)記該像素通過(guò)認(rèn)證，即=1，否則，令秘密圖像的第 x個(gè)像素值等于128,并標(biāo)記該像素未通過(guò)認(rèn)證，即= 〇 ; 第6步：反復(fù)執(zhí)行第3步至第5步，直至處理完所有的x= 0, 1，…，mn-1，得到初步秘密 圖像S' = (s' 和對(duì)應(yīng)的認(rèn)證信息圖像B=(b，其中,\」=1表示像素s'i；J 認(rèn)證通過(guò)，0表示未通過(guò)認(rèn)證； 第7步：對(duì)于滿足氣,A=1的初步秘密圖像S'像素掃描序的第x個(gè)像素為s' x，假設(shè)s，^8鄰域像素分別為 <，<，…，<，其中，x= 0，l，…，mn-1，按公式（5)得到s'，的 8鄰域像素中通過(guò)認(rèn)證的數(shù)目cntx和其與s'x的最小距離成<lin，其中公式（5)為： cntx= sizeot ({y G {x1； x2,
. . . , x8| | bsit(y) = 1} j (5) 公式（5)中sit(y)表示秘密圖像像素掃描序中的第y個(gè)像素對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)位置，若 沿.sf"kAf且cntx> 3,則認(rèn)為該像素是第5步誤認(rèn)為通過(guò)認(rèn)證的像素點(diǎn)，從而將其糾正至 不通過(guò)認(rèn)證即',,=〇，M設(shè)置為原始秘密圖像所有像素與對(duì)應(yīng)8鄰域像素最小距離的最大 值或取區(qū)間[0, 255]范圍內(nèi)的整數(shù)； 第8步：對(duì)于滿足為,,71=〇的初步秘密圖像S'像素掃描序的第x個(gè)像素s' x，則使用 鄰近像素的像素相關(guān)性來(lái)逼近它的值，其中，x= 〇, 1，…，mn-1，其具體過(guò)程為：首先計(jì)算其 8鄰域像素通過(guò)認(rèn)證的數(shù)目cntx，若cntx等于0則置s' x= 128,否則使用公式（6)來(lái)得 到新的s'x并四舍五入到整數(shù)，其中，公式（6)為：
(6) 第9步：最后將s'x構(gòu)成的2維矩陣S'輸出作為恢復(fù)出的秘密圖像。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于三重備份的（K，N)有意義圖像恢復(fù)方法，其特征在于，所 述第3步中，解密出分存信息年廠的3個(gè)版本、V廠*-和2批，的具體方法為： 首先提取出少m〇d7，^v^& m〇d7,少=$3 m〇d7， 然后使用公式（4)解密出分存信息甲^的3個(gè)版本和2年_、其中，公 式⑷為：
公式⑷中，（(g.u_..im〇d6) +l)丨1為（q3x+1mod6)+l在模7上的乘法逆元。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的基于三重備份的（K，N)有意義圖像恢復(fù)方法，其特征在 于：所述第7步中，在假設(shè)s'，的8鄰域像素時(shí)，若不存在8個(gè)像素，則用128補(bǔ)齊為8個(gè)， 且補(bǔ)充的元素認(rèn)證值設(shè)置為0。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于三重備份的(K,N)有意義圖像分存及恢復(fù)方法，通過(guò)引入三重備份將秘密圖像像素分存信息存儲(chǔ)在不同的三個(gè)位置起相互認(rèn)證作用，在恢復(fù)階段使用自然圖像相鄰像素相關(guān)性來(lái)提升方案的認(rèn)證能力和錯(cuò)誤修復(fù)能力，并使用Lagrange插值多項(xiàng)式的多個(gè)系數(shù)來(lái)存放秘密信息，提高掩體圖像的視覺(jué)質(zhì)量。本發(fā)明使用鄰近像素的相關(guān)性來(lái)修正在恢復(fù)過(guò)程中錯(cuò)誤認(rèn)證的像素和使用自然圖像的鄰近像素相關(guān)性來(lái)逼近那些認(rèn)證不通過(guò)的像素點(diǎn)。這樣使得本方法具有更好地錯(cuò)誤恢復(fù)能力。
【IPC分類】H04N1-32
【公開號(hào)】CN104702814
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410728893
【發(fā)明人】邵利平, 歐陽(yáng)顯斌
【申請(qǐng)人】陜西師范大學(xué)
【公開日】2015年6月10日
【申請(qǐng)日】2014年12月3日