CN106157231B - 一种基于改进Arnold变换和LSB的图像信息加密及解密方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于改进Arnold变换和LSB的图像信息加密及解密方法，本方法首先运用改进的Arnold变换对图像进行预处理，然后将其用LSB算法嵌入在背景图像中构造出含有加密图像的新图像。加密过程主要分为四大步骤：计算出背景图像能够容纳的信息量、输入密钥，并使用改进的Arnold变换对隐藏信息图像进行预处理、存储隐藏信息图像的尺寸、使用LSB算法将隐藏信息图像嵌入到背景图像中。解密过程主要分为三大步骤：提取隐藏信息图像尺寸、由LSB算法提取隐藏信息图像、输入密钥并对提取后的隐藏信息图像进行Arnold反变换解密。本发明大大加强了信息的保密性。

Description

一种基于改进Arnold变换和LSB的图像信息加密及解密方法

技术领域

本发明涉及信息隐藏技术领域，特别是一种基于改进Arnold变换和LSB的图像信息加密及解密方法。

背景技术

信息隐藏技术(Steganography technique)是信息安全研究领域里面对于图像加密隐藏的一种技术。同时也是计算机应用领域中的其中一个典型的隐秘通道问题的解决方案，在军事领域，信息伪装等信息加密传输领域有着广泛的应用。

针对信息隐藏技术这一问题，现阶段主要有时空域算法和变换域算法两种解决方案。但是两者由于本身固有的缺点，并不能很好的直接用于图像信息隐藏的实际应用中。时空域主要缺点是隐藏的信息容易被检测出来，而变换域虽然加密技术相对较好，但是信息隐藏的容量小，而且受制于图像的像素分布。

图像信息隐藏技术虽然研究广泛，但是目前为止尚未有一种完美的解决方案，而且对于不同的应用场景采用的隐藏方案也不同。2007年，邵利平等人在《二维非等长图像置乱变换》一文中讨论了改进的Arnold变换用于非等长图像加密变换的几种算法；2012年，夏煜等人在《基于图像的信息隐藏分析技术综述》一文中则讨论了现阶段图像隐藏分析技术的发展，对于嵌入了隐秘信息的图像的探测的方法做了介绍。目前图像的信息隐藏目的主要是防止被检测、被破解出来；但如何做好防检测、防破解是目前还亟待解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，而提供一种基于改进Arnold变换和LSB的图像信息加密及解密方法，利用改进的Arnold变换对需要隐写的隐藏信息图像进行变换，然后利用LSB算法将隐藏信息图像嵌入到背景图像中生成加密后图像，加密后图像与背景图像从肉眼上无法分辨；解密时仅需加密后图像便可分理出隐藏信息图像。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种基于改进Arnold变换和LSB的图像信息加密及解密方法，包括以下步骤：

步骤1、加载背景图像，并计算出该背景图像可容纳的最大像素数；若隐藏信息图像的像素数超过最大像素数，则用户对隐藏信息图像进行裁剪；

步骤2、采用改进的Arnold变换对隐藏信息图像进行预处理；具体如下：

步骤2.1)、用户输入2个密钥的数值key1、key2，key1和key2均为正整数；

步骤2.2)、用户选择下述加密方式中的任一种对隐藏信息图像进行加密：

第一种加密方式：每个隐藏信息图像像素的新的坐标为(x′，y′)，其中：x′＝(x+key2*y)，y′＝y；

第二种加密方式：每个隐藏信息图像像素的新的坐标为(x′，y′)，其中，x′＝x，y′＝(key2*x+y)；其中，(x，y)是需要加密的隐藏信息图像的原始像素坐标；

然后x′、y′分别对隐藏信息图像的宽度A.width和高度A.height进行取余运算：x″＝x′mod A.width；y″＝y′mod A.height；

步骤2.3)、将原来坐标为(x，y)的像素点搬移到新的像素点(x″,y″)处；

步骤2.4)、重复执行步骤2.2)-步骤2.3)key1次；

步骤3、将隐藏信息图像的尺寸存储在背景图像的开头；

步骤4、将经过步骤2预处理后的隐藏信息图像使用LSB算法嵌入到背景图像中，从而生成加密后的图像；

步骤5、提取隐藏信息图像尺寸；

步骤6、由LSB算法提取隐藏信息图像；

步骤7、用户输入密钥并对提取后的隐藏信息图像进行Arnold反变换解密，从而恢复了隐藏信息图像的原始数据。

作为本发明所述的一种基于改进Arnold变换和LSB的图像信息加密及解密方法进一步优化方案，所述步骤3具体如下：

步骤3.1)、遍历背景图像的前4个像素，每个像素包含3个字节；首先将隐藏信息图像的高度A.height每2bit一组拆分，按照顺序直接替换背景图像中前6个字节中每个字节的最末2bit；

步骤3.2)、将隐藏图像A的宽度A.width每2bit一组拆分，按照顺序直接替换背景图像中后6个字节中每个字节的最末2bit。

作为本发明所述的一种基于改进Arnold变换和LSB的图像信息加密及解密方法进一步优化方案，所述步骤4具体如下：

步骤4.1)、跳过背景图像的前4个像素的隐藏信息图像的尺寸存储区，对隐藏信息图像进行LSB加密；设初始迭代次数i＝1；

步骤4.2)、依次取出隐藏信息图像中的第i个字节，将该字节的最高2bit存放在背景图像的第(4+i)个像素的第1个字节的末2bit中，直接替换掉背景图像的第(4+i)个像素第1个字节的末2bit；

步骤4.3)、然后取出该字节的第6位、第5位的数据放在背景图像的第(4+i)个像素的第2个字节的末2bit中；

步骤4.4)、当i小于隐藏信息图像的所有字节数量，则i＝i+1，重复步骤4.2)-步骤4.4)；直到将隐藏信息图像的所有字节全部被放入背景图像中，这样就生成加密后图像。

作为本发明所述的一种基于改进Arnold变换和LSB的图像信息加密及解密方法进一步优化方案，所述步骤5具体如下：

步骤5.1)、加载加密后图像到内存；

步骤5.2)、提取出加密后图像的前4个像素数据，其中，根据加密原理，前2个像素为图像的高度数据，后2个像素为图像的宽度数据；前2个像素中，每个像素按照顺序直接提取其中每个字节的最末2bit，然后拼接在一起形成12bit的数值，该数值就是隐藏信息图像的高度数值A.height；

步骤5.3)、提取出加密后图像的前4个像素中的后2个像素数据，后2个像素中，每个像素按照顺序直接提取其中每个字节的最末2bit，并按顺序直接拼接成12bit的数值，该数值就是隐藏信息图像的宽度数值A.width。

作为本发明所述的一种基于改进Arnold变换和LSB的图像信息加密及解密方法进一步优化方案，所述步骤6具体如下：

步骤6.1)、跳过加密后图像的前4个像素；

步骤6.2)从加密后的图像的第5个像素开始，将每个像素的每个字节的最末2bit提取出来按照顺序拼接，最终生成带有改进Arnold变换后的隐藏信息图像。

作为本发明所述的一种基于改进Arnold变换和LSB的图像信息加密及解密方法进一步优化方案，所述步骤7具体如下：

步骤7.1)、如果是第一种加密方式，则根据公式x1＝(x″-key2*y″)，y1＝y″进行图像Arnold反变换解密；如果是第二种加密方式，则根据公式x1＝x″，y1＝(-key2*x″+y″)进行图像Arnold反变换解密；

步骤7.2)、然后x1,y1分别对隐藏信息图像的宽度A.width和高度A.height进行取余运算：x＝x1 mod A.width，y＝y1mod A.height；如果x<0则x＝x+A.width，如果y<0则y＝y+A.height；

步骤7.3)、重复执行步骤7.1)到步骤7.2)key1次，这样就恢复了隐藏信息图像的原始数据。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)将Arnold变换用于图像信息隐藏技术当中；

(2)使用LSB算法结合Arnold变换嵌入图像，使得隐藏的信息容量更大，而且由于图像变换后呈现无规则排列，因此难以被检测到包含隐藏信息；

(3)用户通过3个密钥的形式加密，大大加强了信息的保密性；

(4)加密后图像具有一定的防破坏能力，损失一定的像素信息隐藏信息图像仍然能够被恢复；

(5)采用改进的Arnold变换算法，可以对非等长的图像进行加密，传统Arnold只能对矩形图像进行加密置乱。

附图说明

图1是本发明的加解密示意图。

图2是本发明的加密过程的流程图。

图3是本发明的解密过程的流程图。

图4为本方法使用的LSB存储数据的逻辑图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。

为了方便叙述，简单定义算法中的主要变量为：隐藏信息图像A，背景图像B，嵌入后生成的加密后图像C，其中用height表示图像的高度，width表示图像的宽度，A.width表示A图像的宽度，A.height表示A图像的高度。B、C图像亦同。其中用户需要输入的密钥有两个，密钥key1以及密钥key2，加密位置为1号或2号；

图1是本发明的加解密示意图，本方法首先运用改进的Arnold变换对图像进行预处理，然后将其用LSB算法嵌入在背景图像中构造出含有加密图像的新图像。加密过程主要分为四大步骤：计算出背景图像能够容纳的信息量、输入密钥，并使用改进的Arnold变换对隐藏信息图像进行预处理、存储隐藏信息图像的尺寸、使用LSB算法将隐藏信息图像嵌入到背景图像中。解密过程主要分为三大步骤：提取隐藏信息图像尺寸、由LSB算法提取隐藏信息图像、输入密钥并对提取后的隐藏信息图像进行Arnold反变换解密。

图2是本发明的加密过程的流程图，加密步骤为：

步骤1)加载背景图像B，并估算出该背景图像B能够容纳多大的隐藏信息：

步骤1.1)由公式计算出可容纳的隐藏信息图像的最大像素数；

步骤1.2)如果隐藏信息图像A的像素数没有超过上一步骤计算出来的最大像素数，则执行下一步，否则，需要用户对隐藏信息图像A进行裁剪。

步骤2)使用改进的Arnold变换对隐藏信息图像A进行预处理：

步骤2.1)用户输入2个密钥的数值，key1和key2，均为正整数；

步骤2.2)用户选择加密位置为1号或者2号；key1，key2和加密位置用户不能丢失，还原图像时需要三个值全部正确才能恢复；其中key1作为Arnold变换的变换次数；

步骤2.3)对隐藏信息图A像采取改进后的Arnold变换，如果用户选择加密位置为1号位置，则每个图像像素的新的x坐标和新的y坐标计算公式为：x′＝(x+key2*y)，y′＝y，如果用户选择加密位置为2号位置，则每个图像像素的新的x坐标和新的y坐标计算公式为：x′＝x，y′＝(key2*x+y)，然后x′、y′分别对隐藏信息图像的宽度A.width和高度A.height进行取余运算：x″＝x′mod A.width；y″＝y′mod A.height；

步骤2.4)求出新的坐标(x″,y″)后，将原来的(x，y)坐标的像素点搬移到新的像素点(x″,y″)处；

步骤2.5)按照key1的数值大小重复执行步骤2.3)到步骤2.4)key1次；

步骤3)将隐藏信息图像A的尺寸存储在背景图像B的开头：

步骤3.1)遍历背景图像B前4个像素，由于图像加载到内存后每个像素包含3字节，分别对应B通道，G通道，R通道(蓝通道，绿通道，红通道)。因此前4像素共计12字节。由于修改每个字节的最末2bit并不影响图像的质量，用户肉眼无法分辨，因此，每个字节的最末2bit可以用来存储数据。首先将隐藏信息图像A的宽度A.height存入前2个像素(即前6字节)，其中每个字节可存2bit数据，因此共计12bit，最高可存2¹²-1＝4095像素高度，存储方式为将隐藏信息图像A的高度A.height每2bit一组拆分，按照顺序直接替换背景图像前6字节的每字节最末2bit；

步骤3.2)将隐藏图像A的宽度A.width存入后2个像素(即后6字节)，其中和前6字节一样，每个字节2bit数据，因此共计12bit，最高存2¹²-1＝4095像素高度的隐藏信息图像。存储方式和步骤3.1)中隐藏信息图像A的高度A.height存储方式一样；

步骤4)将经过Arnold变换后的隐藏信息图像A嵌入到背景图像B中：

步骤4.1)跳过背景图像B的前4个像素的隐藏图像A尺寸存储区，开始对图像进行LSB加密。首先取出隐藏图像A的1个字节(8bit)(记为t)，将该t字节最高2bit存放在背景图像B的第5像素的第1个字节的末2bit中，直接替换掉背景图像B的第5像素第1个字节的末2bit。

步骤4.2)然后取出t的次高2bit，即其6、5位数据放在背景图像的第5像素的第2个字节的末2bit中，以此类推，直到将隐藏信息图像A的所有字节全部放入背景图像中。这样就生成加密后图像C。

步骤5)将加密后图像C保存。

图3是本发明的解密过程的流程图，解密步骤为：

步骤1)提取隐藏信息图像尺寸：

步骤1.1)加载加密后图像C到内存。

步骤1.2)提取出加密后图像C的前4像素数据，其中，根据加密原理，前2像素为图像的高度数据，后2像素为图像的宽度数据。前2个像素中，每个像素按照顺序直接提取其中每个字节的最末2bit，然后拼接在一起形成12bit的数值，该数值就是隐藏信息图像的高度数值A.height；

步骤1.3)提取出加密后图像C的前4像素中的后2像素数据并按照步骤1.2)的方法提取其中每个字节的最末2bit按顺序直接拼接成12bit的数值，该数值就是隐藏信息图像的宽度数值Awidth；

步骤2)提取隐藏信息图像：

步骤2.1)跳过加密后图像的前4像素；

步骤2.2)从第5像素点开始，每个像素点(3个字节)的每个字节的最末2bit提取出来拼接；首先第5像素的第1个字节提取最末2bit数据到隐藏信息图像A的第1个像素的第1字节的7、8位；

步骤2.3)提取第5像素第2字节的最末2bit数据到隐藏信息图像A的第1个像素的第1字节的5、6位，

步骤2.4)以此类推，提取完隐藏信息图像A第1个像素的第1字节之后(8bit对应1个字节)，提取第2字节，还是按照顺序提取，直到所有的隐藏信息图像的像素点提取完毕，隐藏信息图像的尺寸就是步骤1.2)和步骤1.3)提取出来的尺寸；最终生成带有改进Arnold变换后的隐藏信息图像A；

步骤3)对提取后的隐藏信息图像A进行Arnold反变换解密：

步骤3.1)用户输入2个密钥key1、key2和一个加密位置；

步骤3.2)如果是1号位置，则根据公式x1＝(x″-key2*y″)，y1＝y″进行图像Arnold反变换解密，如果是2号位置则根据公式x1＝x″，y1＝(-key2*x″+y″)进行图像Arnold反变换解密；

步骤3.3)然后x1,y1分别对隐藏信息图像的宽度A.width和高度A.height进行取余运算：x＝x1 mod A.width；y＝y1 mod A.height；如果x<0则x＝x+A.width，如果y<0则y＝y+A.height；

步骤3.4)按照密钥key1的数值重复执行步骤3.2)到步骤3.3)key1次，这样就恢复了隐藏信息图像的原始数据；

步骤4)将隐藏信息图像保存下来，恢复工作完成。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

图4是本发明的解密过程中的LSB算法核心思想：

可以看出，本发明LSB算法解密思想是取出每个像素的每个字节的最末位2bit数据将他们用需要嵌入的数据用二进制的形式替换掉。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于改进Arnold变换和LSB的图像信息加密及解密方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、加载背景图像，并计算出该背景图像可容纳的最大像素数；若隐藏信息图像的像素数超过最大像素数，则用户对隐藏信息图像进行裁剪；

步骤2、采用改进的Arnold变换对隐藏信息图像进行预处理；具体如下：

步骤2.1)、用户输入2个密钥的数值key1、key2，key1和key2均为正整数；

步骤2.2)、用户选择下述加密方式中的任一种对隐藏信息图像进行加密：

第一种加密方式：每个隐藏信息图像像素的新的坐标为(x′，y′)，其中：x′＝(x+key2*y)，y′＝y；

第二种加密方式：每个隐藏信息图像像素的新的坐标为(x′，y′)，其中，x′＝x，y′＝(key2*x+y)；其中，(x，y)是需要加密的隐藏信息图像的原始像素坐标；

然后x′、y′分别对隐藏信息图像的宽度A.width和高度A.height进行取余运算：x″＝x′mod A.width；y″＝y′mod A.height；

步骤2.3)、将原来坐标为(x，y)的像素点搬移到新的像素点(x″,y″)处；

步骤2.4)、重复执行步骤2.2)-步骤2.3)key1次；

步骤3、将隐藏信息图像的尺寸存储在背景图像的开头；具体如下：

步骤3.1)、遍历背景图像的前4个像素，每个像素包含3个字节；首先将隐藏信息图像的高度A.height每2bit一组拆分，按照顺序直接替换背景图像中前6个字节中每个字节的最末2bit；A.height的位数为12bit；

步骤3.2)、将隐藏图像A的宽度A.width每2bit一组拆分，按照顺序直接替换背景图像中后6个字节中每个字节的最末2bit；A.width的位数为12bit；

步骤4、将经过步骤2预处理后的隐藏信息图像使用LSB算法嵌入到背景图像中，从而生成加密后的图像；具体如下：

步骤4.1)、跳过背景图像的前4个像素的隐藏信息图像的尺寸存储区，对隐藏信息图像进行LSB加密；设初始迭代次数i＝1；

步骤4.2)、依次取出隐藏信息图像中的第i个字节，将该字节的最高2bit存放在背景图像的第(4+i)个像素的第1个字节的末2bit中，直接替换掉背景图像的第(4+i)个像素第1个字节的末2bit；

步骤4.3)、然后取出该字节的第6位、第5位的数据放在背景图像的第(4+i)个像素的第2个字节的末2bit中；

步骤4.4)、当i小于隐藏信息图像的所有字节数量，则i＝i+1，重复步骤4.2)-步骤4.4)；直到将隐藏信息图像的所有字节全部被放入背景图像中，这样就生成加密后图像；

步骤5、提取隐藏信息图像尺寸；具体如下：

步骤5.1)、加载加密后图像到内存；

步骤5.2)、提取出加密后图像的前4个像素数据，其中，根据加密原理，前2个像素为图像的高度数据，后2个像素为图像的宽度数据；前2个像素中，每个像素按照顺序直接提取其中每个字节的最末2bit，然后拼接在一起形成12bit的数值，该数值就是隐藏信息图像的高度数值A.height；

步骤5.3)、提取出加密后图像的前4个像素中的后2个像素数据，后2个像素中，每个像素按照顺序直接提取其中每个字节的最末2bit，并按顺序直接拼接成12bit的数值，该数值就是隐藏信息图像的宽度数值A.width；

步骤6、由LSB算法提取隐藏信息图像；具体如下：

步骤6.1)、跳过加密后图像的前4个像素；

步骤6.2)从加密后的图像的第5个像素开始，将每个像素的每个字节的最末2bit提取出来按照顺序拼接，最终生成带有改进Arnold变换后的隐藏信息图像；

步骤7、用户输入密钥并对提取后的隐藏信息图像进行Arnold反变换解密，从而恢复了隐藏信息图像的原始数据。

2.根据权利要求1所述的一种基于改进Arnold变换和LSB的图像信息加密及解密方法，其特征在于，所述步骤7具体如下：

步骤7.1)、如果是第一种加密方式，则根据公式x1＝(x″-key2*y″)，y1＝y″进行图像Arnold反变换解密；如果是第二种加密方式，则根据公式x1＝x″，y1＝(-key2*x″+y″)进行图像Arnold反变换解密；

步骤7.2)、然后x1,y1分别对隐藏信息图像的宽度A.width和高度A.height进行取余运算：x＝x1mod A.width，y＝y1mod A.height；如果x<0则x＝x+A.width，如果y<0则y＝y+A.height；

步骤7.3)、重复执行步骤7.1)到步骤7.2)key1次，这样就恢复了隐藏信息图像的原始数据。