伪装之道

《孙子兵法》“虚实篇”中提出“故形人而我无形，则我专而敌分”，即“示伪形于敌，而我之真形则藏而不露”，指出了“伪装”对促进战争制胜的重要作用。

​ 当然，伪装绝对是一个技术活 ……

信息伪装

信息伪装就是将秘密信息隐藏于另一非机密的文件内容之中，其形式可以是任何一种数字媒体，如图像、声音、视频等等。信息伪装技术不同于传统的加密技术，密码仅仅隐藏了信息的内容，而信息伪装不但隐藏了信息的内容而且隐藏了信息的存在。

一般来说，信息伪装技术具有隐蔽性、安全性、对称性和可纠错性四大特性。信息伪装技术包含的内容范围十分广泛，可以分为伪装术、数字水印、数据隐藏和数据嵌入等。其中图像伪装术和图像数字水印是人们研究的重点。信息伪装是一门不断发展的学科，许多新的分支和技术都在不断地涌现。可视密码学就是其中的一种。这种技术在恢复秘密图像时不需要任何复杂的密码学计算,而是直接以人的视觉系统即可将秘密图像辩识出来,完全不同于传统的密码技术,在解密过程中须靠大量且复杂的技术才可解出真正的信息。图像伪装是一门技巧性学问, 目前正在实用化方向发展。

可视密码学视角下的图像“加密”

受信息伪装思想的启发，提出一种可逆图像转换的图像加密方法。该方法可以将原始图像变换为大小相同的自由选择的目标图像。对于彩色图像，我们分别对颜色通道R, G, B进行相同的变换。因此，文章仅以灰度图像(一个通道)为例来描述该方法。对于原始图像I，我们从图像数据库中随机选择与I大小相同的目标图像J。

首先，我们将原始图像I和目标图像J分别分割成N个互不重叠的块，然后将I和J的块按(B1,T1)，…，(BN,TN)组成块对，其中Bi是I的一个原始块，Ti是J的对应目标块，1 ≤i ≤N。将Bi转换成Ti，其实是生成一个类似Ti的T’i。然后将目标图像J中的每个Ti替换为T’i，得到变换后的图像J’。最后利用可逆信息嵌入方法将一些辅助信息嵌入到J’中，生成最终的伪装图像，也可以称为加密图像E(I)。这些辅助信息对于从J’恢复到I是必要的，在被嵌入之前，这些辅助信息将被压缩并使用与接收者共享的密钥K加密，因此只有拥有K的接收者才能解密E(I)。

所提出的转换过程包括三个步骤:块配对、块转换和边信息嵌入。我们主要阐述前两个步骤，第三个步骤可以用任何传统的可逆水印或可逆信息隐藏方法实现。

关键步骤一：块配对

为了使变换后的图像J’看起来像目标图像J，我们希望每个变换后的块与目标块具有相近的均值(u)和标准差(SD)。因此，我们首先分别计算I和J的每个块的u和SD。设块B像素组成为 B={p1,p2，…，pn},则该块的均值(u)和标准差(SD)计算如下：

当原始图像与目标图像匹配时，我们希望两个SD最接近的图像块是一对。文献[1]中Lee等人的方法是将原始图像块和目标图像块分别按照它们的SD按升序排序，然后将每个原始块依次与对应的目标块按序配对。但是这种方法不可逆，也就是无法无损的还原原始图像。如果图像被分成N个块，则需要N[logN]比特来记录块索引。显然，块越小，变换后的图像质量就会越好，但是会导致一个很大的N。事实上，可能没有足够的冗余空间来存储这些额外的信息。因此，本文分块大小定为4×4。

为了压缩块索引，我们首先根据块的SD值对它们进行分类，然后再对它们进行配对。事实上，如图1所示，统计来自BossBase图像数据库的10000张不同大小的图像，我们发现大多数的SD值集中在一个接近于零的小范围内。因此，我们将数据块分成两个不相等比例的类:SDs较小的数据块为0类，SDs较大的数据块为1类，并将属于同一类的数据块进行配对。通过将大多数块分配给类0，我们可以避免一对块之间的SDs的大偏差，同时有效地压缩索引。

关键步骤二：块转换

最后，为了尽可能地保持变换后的图像与目标图像之间的相似性，我们进一步将变换后的块旋转到0°、90°、180°或270°四个方向中的一个。选择最优方向，使旋转块与目标块之间的均方误差最小。

在变换和旋转之后，得到一个新的块T’。用这些新块替换相应目标图像的块并生成转换后的图像J’。参数Δu和旋转方向将被压缩，加密，然后嵌入转换后的图像J’作为边信息输出目标图像E (I)，这也可以作为一种加密图像。

实验结果

从BossBase图像数据库中随机选择10对图像作为我们的测试图像。首先对所有的图像进行预处理，得到大小相同的1024×1024像素。

如下图所示，展示了两张测试图像以及加密后的视觉效果。通过该方法得到的加密图像E(I)与目标图像相似，看起来像马赛克图像。由于加密后的图像与目标图像的差异较小，这种视觉效果能满足伪装的要求，即原始图像内容完全被目标图像内容所覆盖。即使攻击者识别出伪装，如果不知道加密算法与秘钥K，也不能恢复边信息，从而不能恢复图像。此外，边信息平均占用每个像素约0.521比特/像素元(bpp)。这对图像造成了较大的失真，但加密后的图像E(I)仍然可以保持一个较好的质量，其PSNR值大约等于30 dB，这是一个可以接受的视觉效果。

参考文献

[1] Y. Lee and W. Tsai, “A new secure image transmission technique via secret-fragment-visible mosaic images by nearly reversible color transformation,” IEEE Trans. Circuits Syst. Video Technol., vol. 24, no. 4, pp. 695–703, Apr. 2014