一种基于傅里叶变换的多图像光学信息隐藏方法

技术领域

本发明涉及光学信息隐藏技术领域，尤其涉及一种基于傅里叶变换的多图像光学信息隐藏方法。

背景技术

信息安全领域的研究深刻影响着国家安全经济发展和社会稳定，已受到世界各国的普遍重视；信息隐藏是信息安全的核心技术之一，可追溯至古代的隐写术，但它作为新兴的学科从1996年前后才逐渐获得迅速发展；信息隐藏的一般过程，都利用了载体信息的冗余，通过隐藏方法和密钥作用，将秘密信息嵌入原始载体，最终变换成用以传输的隐秘信息；由于原始载体信息和隐秘信息的统计特性基本一致，即满足不可感知性原则，因而隐蔽于原始载体中的秘密信息传输时不为攻击者所注意，充分降低了被获取甚或破坏的风险，其安全性得以确保；

目前，无论是双随机相位编码的光学信息隐藏方法还是基于全息成像系统的光学信息隐藏方法，都需要为每个隐藏图像单独生产一个隐藏密钥矩阵，导致多图像信息隐藏方法需拥有大量的隐藏密钥，网络传输压力增大。遇到低质量网络系统时，问题更加突出，使多图像光学信息隐藏方法不再适用。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种不需要为每个隐藏图像单独传输隐藏密钥矩阵，可满足传输数据要求高的场合，实用性强的多图像信息隐藏方法以解决上述现有技术的不足。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是目前现有光学信息隐藏方法需要为每个隐藏图像单独生产一个隐藏密钥矩阵，导致多图像信息隐藏方法需拥有大量的隐藏密钥，网络传输压力增大的缺陷问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于傅里叶变换的多图像光学信息隐藏方法，具体包括以下步骤：

步骤1、多图像信息隐藏；

步骤2、多图像信息还原；

进一步地，所述步骤1中，所述多图像信息隐藏包括隐藏低频信息区域加密、高频信息区域替换、逆傅里叶变换；

进一步地，所述步骤1中，所述多图像信息隐藏具体包括以下步骤，

步骤1-1、利用傅里叶变换将载体图像P

F

步骤1-2、按照高频区域总占比例pr为1/(1+N)的比例，分别从

步骤1-3、依据载体图像P

步骤1-4、将sine混沌映射函数与Chebyshev混沌映射函数级联得到新的混沌映射函数sine-cos，sine-cos混沌映射函数公式为

将x,μ代入式(4)得到长度为w×l+1000的序列，去掉前1000个序列值以抵消暂态效应的影响，最终得到混沌序列L＝{L

R

步骤1-5、分别将各低频信息区域

步骤1-6、利用隐藏低频密文C

进一步地，所述步骤2中，所述多图像信息还原，具体包括以下步骤，

步骤2-1、利用傅里叶变换将载密图像EN转变为载密频率图FZ

步骤2-2、从载密频率图FZ

步骤2-3、利用动态密钥x,μ产生相位掩模版R

步骤2-4、隐藏低频信息区域

步骤2-5、还原隐藏频率图

步骤2-6、载密频率图FZ

采用以上方案，本发明公开的基于傅里叶变换的多图像光学信息隐藏方法，具有以下优点：

隐藏图像还原时，不需要为每个隐藏图像单独传输隐藏密钥矩阵，只需要从载密图像的高频区域中重建隐藏低频密文信息，对其进行解密扩大还原隐藏低频信息区域，然后分别对各隐藏频率图和载密频率图中丢失的高频信息区域进行零值填充，再经过逆傅里叶变换得到各隐藏图像与载体图像；本发明无需隐藏密钥就可以还原隐藏信息，具有高嵌入率；同时，本发明的基于傅里叶变换的多图像光学信息隐藏方法可在短时间内实现多张隐藏图像的嵌入、还原，隐藏方法具有高效性，对于传输数据要求高的场合实用性强；

本发明的基于傅里叶变换的多图像光学信息隐藏方法，进行隐藏图像还原时，只需要从载密图像的高频区域中重建隐藏低频密文信息，对其进行解密扩大还原隐藏低频信息区域，然后分别对各隐藏频率图和载密频率图中丢失的高频信息区域进行零值填充，再经过逆傅里叶变换得到各隐藏图像与载体图像；本发明具有高嵌入率、高效性，不需要为每个隐藏图像单独传输隐藏密钥矩阵，对于传输数据要求高的场合实用性强。

以下将结合具体实施方式对本发明的构思、具体技术方案及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的基于傅里叶变换的多图像光学信息隐藏方法的多图像信息隐藏过程流程图；

图2是本发明的基于傅里叶变换的多图像光学信息隐藏方法的多图像隐藏信息还原过程流程图；

图3是本发明实施例1的载体图像与隐藏图像还原效果图；

图4是本发明本发明实施例1，密钥偏差时的解密图像；

图5是本发明本发明实施例1，不同隐藏数量的载密图像及直方图；

图6是本发明本发明实施例1，在不同载体下不同隐藏数量的各类图像的PSNR值；

图7是本发明本发明实施例1，在不同隐藏数量下，不同缩小比例的载密图像与还原隐藏图像的PSNR值；

具体实施方式

以下介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，这些实施例为示例性描述，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

如若有未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，如相关说明书或者手册进行实施。

实施例1、使用本发明的基于傅里叶变换的多图像光学信息隐藏方法及系统进行多图像信息隐藏还原，并进行结果分析

如图1，

步骤1、多图像信息隐藏；所述多图像信息隐藏包括隐藏低频信息区域加密、高频信息区域替换、逆傅里叶变换；

步骤1-1、利用傅里叶变换将载体图像P

F

步骤1-2、按照高频区域总占比例pr为1/(1+N)的比例，分别从

步骤1-3、依据载体图像P

步骤1-4、将sine混沌映射函数与Chebyshev混沌映射函数级联得到新的混沌映射函数sine-cos，sine-cos混沌映射函数公式为

将x,μ代入式(4)得到长度为w×l+1000的序列，去掉前1000个序列值以抵消暂态效应的影响，最终得到混沌序列L＝{L

R

步骤1-5、分别将各低频信息区域

步骤1-6、利用隐藏低频密文C

如图2，

步骤2、多图像信息还原；

步骤2-1、利用傅里叶变换将载密图像EN转变为载密频率图FZ

步骤2-2、从载密频率图FZ

步骤2-3、利用动态密钥x,μ产生相位掩模版R

步骤2-4、隐藏低频信息区域

步骤2-5、还原隐藏频率图

步骤2-6、载密频率图FZ

步骤3、进行结果分析，所述结果分析包括隐藏效果分析、安全分析、嵌入容量分析、缩小比例分析、运行时间分析；

步骤3-1、进行隐藏效果分析，如图3所示，

在pycharm平台上编写Python程序进行实验模拟，对象为Uncompressed colorimage database(UCID)数据集中尺寸为512×512的图片

由图3可知，不同隐藏图像(a)-(c)与载体图像(d)进行基于傅里叶变换的多图像光学信息隐藏方法得到载密图像(e)；利用还原方法可以从载密图像中得到还原隐藏图像(g)-(i)以及还原载体图像(f)，同时不同隐藏图像以及还原载体图像与其对应的原图像在肉眼上无法察觉差异；

表明，本发明多图像信息隐藏方法可以进行三幅隐藏图像的嵌入和还原，方法是有效的；为了定量分析载密图像与载体图像的误差以及还原隐藏图像与隐藏图像的误差，本发明利用PSNR与SSIM作为定量指标；结果如表1所示，

表1各类图像的PSNR与SSIM

从表1可知，载密图像的PSNR值为35.12dB，SSIM值为0.7578；

表明，载密图像和载体图像之间非常相似，隐藏图像的嵌入对载体图像的影响较小，无法区分载体图像与载密图像，说明光学信息隐藏方法具有隐蔽性。不同还原隐藏图像的PSNR值都大于32.00dB，SSIM值都大于0.680，体现出还原隐藏图像和隐藏图像之间非常相似，说明利用本发明光学信息隐藏方法可以有效还原隐藏图像，同时不影响隐藏图像的使用；

步骤3-2、进行安全分析，采用了基于sin-cos混沌的光学加密，当解密密钥发生微小变化时，其还原效果如图4所示，

从图4中可知，当解密密钥μ,x

表明，本方法的解密密钥具有强密钥敏感，加密方法具有安全性；

使用统计直方图来分析，以进一步验证方法的安全性；

如图5所示，为不同隐藏数量的载密图像及对应直方图；

由图5可知，载体图像直方图(a1)与载密图像直方图(b1)-(e1)几乎没有发生变化；

表明，载体中嵌入不同数量的隐藏图像不会导致直方图的剧烈变化，只有局部微调，使破坏者无法通过分析直方图来获知隐藏信息，隐藏方法具有隐蔽性。

步骤3-3、进行嵌入容量分析，如图6所示，

在同一载体图像中，无论载体图像的PSNR值还是还原隐藏图像的PSNR值都会随着隐藏图像数量的增加而降低；当隐藏数量达到3张图像时(即嵌入率为24bpp)，不同载体图像的各类PSNR值都大于30dB。在相同隐藏图像数量下，还原隐藏图像的PSNR值不会因载体图像的不同发生较大的波动，载密图像的PSNR值会应载体图像的不同而改变，但是整体上都大于30dB。

表明，本发明傅里叶变换信息隐藏方法在不同的载体图像下，都可以嵌入多幅隐藏图像信息，而且也可以高质量还原隐藏信息，具有高嵌入率；

步骤3-4、进行缩小比例分析，如图7所示，随着缩小比例的增大，隐藏低频信息对载密图像的影响逐渐降低，故载密图像的PSNR值随着缩小比例的增大呈现出先增后平缓的趋势；当缩小比例大于40时，不同隐藏数量下的PSNR值都大于30dB。从图7(b)所知，还原隐藏图像的PSNR值随着缩小比例的增大不发生变化，但当隐藏4张图像时，PSNR值小于30dB。

表明，当缩小比例大于40和隐藏数量低于3张时，本发明方法是有效可行的；

步骤3-5、进行运行时间分析，本发明多图像光学信息隐藏方法总时间包含多个隐藏图像进行隐藏过程所用时间以及所有隐藏图像的还原过程所用时间等两个方面，如表2所示，

表2不同数量下方法各阶段所用时间(s)

通过表2可以知道，在不同数量的隐藏图像下，其隐藏过程总时间、还原过程总时间和方法总时间三者总是不同，整体上随着隐藏图像数量的增多，三种时间也随之增加；方法总时间几乎等于隐藏过程总时间和还原过程总时间两者和。当隐藏图像数量为4张时，方法总时间为0.1385s，隐藏过程总时间与还原过程总时间分别为0.0129s、0.1256s，满足实际应用需要；

表明，本发明光学信息隐藏方法的还原以及隐藏都迅速，光学信息隐藏方法整体具有高效性；

综上所述，本发明的基于傅里叶变换的多图像光学信息隐藏方法，进行隐藏图像还原时，只需要从载密图像的高频区域中重建隐藏低频密文信息，对其进行解密扩大还原隐藏低频信息区域，然后分别对各隐藏频率图和载密频率图中丢失的高频信息区域进行零值填充，再经过逆傅里叶变换得到各隐藏图像与载体图像；经实施例1可得，当隐藏图像达到3张时，本发明光学信息隐藏方法所产生的载密图像PSNR值大于35dB，并且无需隐藏密钥就可以还原隐藏信息，具有高嵌入率；同时本发明隐藏方法在0.1385s时间内就可以实现4张隐藏图像的嵌入、还原，表明了隐藏方法具有高效性，不需要为每个隐藏图像单独传输隐藏密钥矩阵，对于传输数据要求高的场合实用性强；

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的试验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。