阅读说明：本技术 用于jpeg图像中敏感区域的内容保护方法和恢复方法 (Content protection method and recovery method for sensitive area in JPEG image ) 是由 吴昊天 黄宇轩 于 2020-02-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于JPEG图像中敏感区域的内容保护方法和恢复方法,内容保护方法包含步骤：由用户选定需要保护的一个或多个敏感区域；将包含所选区域的JPEG图像子块进行随机置乱,并把每个被置乱子块的原始编号可逆地嵌入到该子块DCT系数中；然后将所有敏感区域的位置信息可逆地嵌入到整幅图像的DCT系数中；进而得到受保护的JPEG图像。恢复方法采取相反的步骤,首先从受保护的JPEG图像DCT系数中提取信息找出所有被置乱的子块,并从各个被置乱子块中提取出原始编号,根据原始编号调整子块位置即可恢复原始图像。采用该方法保护JPEG图像内容,未授权的用户只能看到未保护的非敏感区域,而被授权用户可以通过恢复方法无失真地还原出原始图像。(The invention discloses a content protection method and a recovery method for a sensitive area in a JPEG image, wherein the content protection method comprises the following steps: selecting one or more sensitive areas needing protection by a user; randomly scrambling the JPEG image sub-blocks containing the selected area, and reversibly embedding the original number of each scrambled sub-block into the DCT coefficients of the sub-block; then reversibly embedding the position information of all sensitive regions into the DCT coefficients of the whole image; thereby obtaining a protected JPEG image. The recovery method adopts the opposite steps, firstly, information is extracted from the protected JPEG image DCT coefficient to find out all scrambled sub-blocks, an original number is extracted from each scrambled sub-block, and the position of the sub-block is adjusted according to the original number to recover the original image. By adopting the method to protect the JPEG image content, an unauthorized user can only see an unprotected non-sensitive area, and an authorized user can restore the original image without distortion through a recovery method.)

用于JPEG图像中敏感区域的内容保护方法和恢复方法

技术领域

本发明属于数字图像内容保护及可逆信息隐藏和恢复领域，具体涉及一种基于JPEG图像与可逆数据隐藏的内容保护方法和恢复方法。

背景技术

近年来，通过云存储或社交媒体共享照片变得越来越流行，与此同时，私人照片隐秘性的保护也越来越具有挑战性，这些应用场景一方面方便了用户，另一方面也带来了安全隐患。一幅图像往往会出现敏感的区域，这些区域可能包含特定的人、事物、背景等，在图像传播出去后会给用户的生活带来麻烦或隐患。受手机等智能设备存储空间的限制，用户选择将一些带有个人隐私的图像上传至社交平台或者私有云存储器，然而社交平台和一些云存储服务器也不是无懈可击的，一些国内外社交平台和云存储服务商均发生过被黑客攻击，用户的敏感隐私图像遭到泄露的情况。

常见的保护图像内容不被泄露的方法有加密技术和可逆数据隐藏技术。加密技术在一定程度上解决了私密信息的泄露问题，但是密文中具有特殊形式的乱码有可能会引起攻击者的注意，增加秘密信息被破解的可能性。可逆数据隐藏技术是一种将信息隐秘地嵌入到图像、视频、音频中的技术，该技术保证提取嵌入信息的同时能够完全无误地恢复原始数据，这样不仅保护了秘密文件的内容，也能在通信过程中避免引起攻击者的注意。

现有的图像内容保护方法，一类方法是对整张图像进行加密，这类方法虽然实现了对内容的保护，但是由于对整张图像进行加密，增加了存储图像所需的空间和网络的传输带宽，并且非授权用户看不到受保护图像的非敏感区域。另外一类则是能够对局部敏感区域进行保护，但无法保证授权用户完全无失真地取得原始图像。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺点与不足，提供一种用于JPEG图像中敏感区域的内容保护方法和恢复方法，采用该方法可保护选定的局部敏感区域不向非授权用户公开，同时被授权用户可以采用恢复方法无失真地还原出原始图像。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：用于JPEG图像中敏感区域的内容保护方法，包括步骤：

在原始JPEG图像上选定需要进行保护的敏感区域，记录每个区域的位置信息；

对原始JPEG图像进行熵解码，得到图像对应量化后的DCT系数，把量化后DCT系数拆分成子块；分别对每个敏感区域内所有子块进行编号；

对每个需要进行保护的敏感区域，将区域内所有子块进行随机置乱，并把每个被置乱子块的原始编号可逆地嵌入到该子块AC系数中；

把每个需要保护的敏感区域的位置信息可逆地嵌入到该图像AC系数中；

进行熵编码，生成受保护的JPEG图像。

优选的，选取的敏感区域为矩形，记录每个矩形区域的位置信息，位置信息包括该矩形区域左上角的坐标以及区域的宽和高，图像左上角作为坐标系的原点，X坐标正方向水平向右，Y坐标正方向垂直向下。

优选的，对每个需要保护的敏感区域，按一定顺序扫描区域内各子块并按此顺序对各子块进行编号，将每个子块对应编号可逆地嵌入到该子块选定的AC系数中。

进一步的，若每个子块的编号为十进制编号，则将其转换为二进制的位，将二进制的位嵌入到每个子块选定的AC系数中，设每个子块编号的二进制表示为c_i，设原DCT系数为g_i，则嵌入c_i后的DCT系数g′_i＝g_i×2+c_i。

优选的，对每个需要保护的敏感区域，将区域内的所有子块进行随机置乱，而参与置乱的子块的随机位置由伪随机数发生器产生。

优选的，把每个需要保护的敏感区域的位置信息可逆地嵌入到该图像AC系数中，方法是：

将每个敏感区域的位置信息可逆地嵌入到AC系数的值为-1与1的位置中，具体方法为：按一定顺序扫描图像所有子块的AC系数，如果当前嵌入的值为0，则保持当前位置的系数不变；如果当前嵌入的值为1，则执行下述判断：

若当前位置的AC系数为1，则AC系数变为2，

若当前位置的AC系数为-1，则AC系数变为-2，

如果当前位置AC系数不为1、-1、0，则若当前系数大于0，则系数加1，若当前系数小于0，则系数减1，直到所有位置信息都被嵌入完毕。

用于JPEG图像中敏感区域的内容恢复方法，包括步骤：

对受保护的JPEG图像进行熵解码，得到量化后的DCT系数，把量化后DCT系数拆分成系数子块；

提取出所有敏感区域的位置信息；

根据所有敏感区域的位置信息找出所有被置乱的子块；

从各个被置乱子块中提取出被置乱子块的原始编号；

根据被置乱字块的原始编号调整子块位置即可恢复原始图像。

优选的，提取出所有敏感区域的位置信息，方法是：

按照子块被置乱时的扫描顺序，若当前位置AC系数值为-1或1，则提取出嵌入信息0，当前系数不变，若当前位置AC系数值为-2，则提取出嵌入信息1，当前系数加1，若当前位置AC系数值为2，则提取出嵌入信息1，当前系数减1；若当前位置AC系数大于2，则系数减1，若当前系数值小于-2，则系数加1，直到所有位置信息都被提取完毕。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

本发明可以仅对需要保护的JPEG图像中一个或多个选定的敏感区域做内容保护，而无需对整张图片进行处理，这样既减少了所需的存储空间和网络传输的带宽，又能够使未授权的用户还可以看到未保护的非敏感区域。另外，对于被授权用户，可以通过恢复方法无失真地还原出原始图像，进而可以同时满足未授权用户和被授权用户的需要。

附图说明

图1为本发明中内容保护方法的流程图；

图2为本发明中内容恢复方法的流程图；

图3为ZigZag顺序示意图；

图4为利用本发明方法在JPEG图像中进行敏感区域内容保护的前后对比图，其中(a)表示原始JPEG图像，(b)表示采用本发明内容保护方法处理后的图像，(c)表示通过本发明内容恢复方法恢复的原始图像。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

本实施例用于JPEG图像中敏感区域的内容保护方法和恢复方法的流程分别如图1、2所示，如图3所示，ZigZag顺序就是将8x 8的矩阵块按照箭头运动方向重新排列，下面针对图4(a)所示原图作为对象，来具体说明上述方法的各个步骤。

参见图1，要对原始JPEG图像中敏感区域的内容进行保护，方法如下：

S1.1选定N(N＞＝1)个需要进行隐私保护的敏感矩形区域，记录每个矩形区域的左上角的坐标(Px_i，Py_i)以及区域的宽bw_i和高bh_i(i＜＝N)。图像左上角作为坐标系的原点，X坐标正方向水平向右，Y坐标正方向垂直向下。区域位置信息由以上四部分组成。

S1.2对原始JPEG图像进行熵解码，得到图像对应量化后的DCT系数，把量化后DCT系数拆分成8×8的系数子块。DCT系数包含AC系数和DC系数。

S1.3对每个需要进行保护的敏感矩形区域，将区域内各子块按一定顺序扫描并按此顺序进行编号，图4(a)所示图像选用的是512×512的测试图像，假设对该图像的所有系数子块编号，因为每个系数子块是8×8系数矩阵，所以该图像总共有4096个系数子块，则区域内子块编号最大范围为[0,4095]，将每个子块十进制编号转换为二进制的位(最高12位)，并将这12个位嵌入到每个子块ZigZag顺序里排序第4至第15的DCT系数中。这里ZigZag是一种编码方式，将每个子块中8*8的系数矩阵按照zigzag编码成一个长度为64的一维数组，这个特定的取值顺序就是zigzag顺序。具体的：设每个子块编号的二进制表示为c₀c₁...c₁₁，设原DCT系数为g_i，则嵌入c_i的DCT系数g′_i＝g_i×2+c_i。

S1.4将区域内所有子块进行随机置乱，而参与置乱的子块的随机位置由伪随机数发生器产生。

S1.5设Len的值为敏感区域位置信息的总长度，即等于Len本身所占的位加上步骤S1.1中N个敏感区域的位置信息所占的位的总和。因为Px_i,Py_i,bw_i,bh_i∈(0,63)，则每个区域的位置信息需要24×N个位来保存，这里设Len值本身占12个位，则Len＝12+24×N，将位置信息所占的Len个位嵌入到当前图像AC系数的值为-1与1的位置中，具体方法为：按一定顺序扫描图像所有子块的AC系数，如果当前的AC系数需要嵌入的信息位b_i为0，当前位置的AC系数保持不变；如果当前AC系数需要嵌入的信息位b_i为1，若当前位置的AC系数为1，则AC系数变为2，若当前位置的AC系数为-1，则AC系数变为-2；如果当前位置AC系数不为1或者-1或者0，则若当前AC系数大于0，则AC系数加1，若当前AC系数小于0，则AC系数减1，直到所有信息都被嵌入其中。上述过程用数学公式表达如下：

其中，b∈{0，1}代表将要被嵌入的信息位，f_i代表的是当前图中的AC系数值，f_i＇代表的是嵌入信息后对应位置的AC系数值。

S1.6熵编码后生成受保护的JPEG图像，图像如图4(b)所示，对应未授权的用户还可以看到未保护的非敏感区域。

基于上述内容保护方法，被授权用户再要对敏感区域进行恢复时，采用图2所示方法，包括如下步骤：

S2.1对受保护JPEG图像进行熵解码，得到量化后的DCT系数，把量化后DCT系数拆分成8×8的系数子块。

S2.2按照步骤S1.5的扫描顺序，若当前位置AC系数为-1或1，则提取出的被嵌入信息b_i为0，若当前位置AC系数为-2，则提取出的被嵌入信息b_i为1，系数加1，若当前位置AC系数为2，则提取出的被嵌入信息b_i为1，AC系数减1。

若当前系数大于2，则系数减1，若当前系数小于-2则系数加1，直到所有敏感区域位置信息被提取完毕。上述过程用数学公式表达如下：

其中b＇代表被提取出的信息位，f_i ^～代表还原后的AC系数

S2.3根据步骤S2.2提取的数据，得到N个经过隐私保护的矩形区域的左上角坐标(Px_i，Py_i)以及区域的宽bw_i和高bh_i(i＜＝Ⅳ)，根据这些位置信息，定位到这N个受保护的敏感区域。

S2.4对于每个受保护矩形区域中的每个子块，从块中选定的ZigZag顺序里排序第4至第15的DCT系数中提取出当前块原始编号，再将每个矩形区域的所有子块按照原始编号恢复到原来的位置。设子块原来编号二进制表示为c′₀c′₁…c′₁₁，则c′_i＝g′_i mod 2，其中为g′_i还原前的DCT系数，g_i为还原后的DCT系数。

S2.5熵编码后得到原JPEG图像，如图4(c)所示，该恢复方法可以无失真地还原出原始图像。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。