喬明秋,趙振洲

(北京政法職業(yè)學(xué)院 信息技術(shù)系，北京 102628)

0 引言

SHAMIR A[1]和BLAKELY于1979年分別提出了秘密共享的概念，其主要思想是在n個參與者之間分享一個秘密，k個(或k個以上)參與者可以恢復(fù)秘密，而少于k個參與者則無法恢復(fù)秘密，所以，秘密共享也稱為(k,n)門限方案?？梢暶艽a[2-3]是一種依靠人眼解密的秘密共享方法，它是將一個秘密圖像加密成n張分存圖像，n張分存圖像可以打印到膠片上、存入電腦或移動存儲器中，且分別由n個人保存。解密時只需k個人(或k個以上)將各自的分存圖像疊加，秘密圖像就會呈現(xiàn)出來，而少于k個人無法獲得秘密圖像的一點信息。

傳統(tǒng)可視密碼方法都是使用像素擴(kuò)展的方法來進(jìn)行加密，因此使得分存圖像被擴(kuò)展為秘密圖像的好多倍，這樣不但造成存儲空間的浪費，也使得攜帶更為不方便。

在傳統(tǒng)(k,n)可視密碼中，秘密圖像中的每個像素都單獨處理，由n個人共享，每個共享由m個黑白子像素組成。構(gòu)建一個n×m布爾矩陣B=[Bij]，當(dāng)且僅當(dāng)Bij=1時第i個共享者的第j個子像素為黑；當(dāng)且僅當(dāng)Bij=0時第i個共享者的第j個子像素為白。當(dāng)把投影片疊放在一起時，就相當(dāng)于對于每一行都做了或運算。疊放后圖像的灰度值與進(jìn)行或運算之后的向量V的漢明重量H(V)成正比。使用者利用視覺系統(tǒng)解釋灰度值如下，如果H(V)≥d該點像素為黑，如果H(V)≤d-αm該點像素為白。

1 像素不擴(kuò)展的方案

ITO R[5]等人針對黑白可視密碼提出了一種不擴(kuò)展的(k,n)-threshold可視密碼方案，當(dāng)要分享一個黑(白)點時，便從對應(yīng)于黑(白)點的基礎(chǔ)矩陣中隨機(jī)選擇列，并且將這個列向量的第i行分配給第i個分存圖像。由于不論是黑點或白點的基礎(chǔ)矩陣，其每一行0與1分布的比例都相同，因此分存圖像上每一個像素，會填上黑點或白點的幾率也都一樣，依次無法從分存圖像上猜測到有關(guān)秘密圖像的信息。而還原圖像則靠式(1)來產(chǎn)生對比。在式(1)中，p0和p1分別代表白點和黑點在疊加圖像上產(chǎn)生黑點的概率。只要這兩個概率值差別夠大，人眼便可自動區(qū)分疊加圖像上黑色與白色的區(qū)域。

β=|p0-p1|

(1)

ITO R[5]等所提出的不擴(kuò)展模型，在分享一個像素時，是完全隨機(jī)地從基礎(chǔ)矩陣中選擇行，雖然在整張疊加圖像上，能夠達(dá)到式(1)的對比，但是在小區(qū)域上，黑點與白點的分布就可能無法達(dá)到式(1)的對比。侯永昌等人提出了像素不擴(kuò)展之灰階密碼方案[6]及像素不擴(kuò)展之彩色視覺密碼技術(shù)[7]，其提出m點同時加密的概念，即用m點同時加密來保證分存圖像的像素不擴(kuò)展。

2 舉例說明m點加密

因為基礎(chǔ)矩陣Bm×n的列數(shù)m=2，所以選擇秘密圖像上的連續(xù)兩個點為加密對象，稱這兩點為加密序列，加密方法如下：

(1)當(dāng)加密序列為兩個白點時用矩陣M0加密，保證兩個分存圖像疊加后，此兩點為一黑一白；

(2)當(dāng)加密序列為兩個黑點時用矩陣M1加密，保證兩個分存圖像疊加后，此兩點全黑；

(3)當(dāng)加密序列為一黑點一白點時，一半用矩陣M0加密，一半用矩陣M1加密。保證兩個分存圖像疊加后，此兩點或者是一黑一白，或者是全黑，且這兩種情況各占一半。

通過總結(jié)，得到(2,2)可視密碼加密規(guī)則，其中，e代表秘密圖像上已經(jīng)加密過的黑白各半的加密序列的個數(shù)，加密規(guī)則如下：

ifemod 2<1

用M1進(jìn)行加密

else 用M0進(jìn)行加密

3 兼顧可用性和可靠性的可視密碼最佳方案

侯永昌等人的多點加密可以較好地實現(xiàn)像素的不擴(kuò)展，但是在解密過程中仍然存在秘密圖像的對比度不高的問題。結(jié)合侯永昌等人的多點加密，在解密的時候使用算法進(jìn)行重構(gòu)，方法是在秘密圖像的連續(xù)m個點中，如果黑色像素H(V)≥d，則對應(yīng)m個點像素為黑點，否則m個點為白點。

令B0與B1分別代表對應(yīng)于白點與黑點的n×m基礎(chǔ)矩陣，加密序列的長度為m，即一次取秘密圖像上的m點來加密，b代表加密序列中的黑點個數(shù)(0≤b≤m)，eb則代表具有b個黑點的加密序列已加密過的個數(shù)，加密程序如下：

(1)令eb=0 forb=1,2,…,m;

(2)由秘密圖像中取出尚未加密的加密序列，并計算其黑點個數(shù)b;

(3)將基礎(chǔ)矩陣B做列向量隨機(jī)重排，其中矩陣B根據(jù)下列規(guī)則決定：

ifebmodm

B=B1

elseB=B0

(4)eb=eb+1;

(5)重復(fù)步驟(2)～(4)直到秘密圖像上的所有像素都加密完畢。

解密重構(gòu)過程如下：

①令C為k個分享者的分存圖像疊加后的圖像，D為C重構(gòu)后的圖像;

②存在整數(shù)p、q，使m=p×q，且|p-q|最小;

③對于B中的m像素，計算黑點個數(shù):

forx=p:-1:0

fory=q:-1:0

計算解密圖像C中m=p×q個點C((p×i-x),(q×j-y))的黑點個數(shù)b

end

end

(4)如果黑點個數(shù)大于閾值d,重構(gòu)圖像D對應(yīng)的m個點為黑點，否則為白點:

forx=p:-1:0

fory=q:-1:0

ifb≥d

D((p×i-x),(q×j-y))=1;

else

D((p×i-x),(q×j-y))=0;

endif

end

end

(5)重復(fù)步驟(3)～(4)直到秘密圖像上的所有像素都重構(gòu)完畢。

4 兼顧可用性和可靠性的可視密碼最佳方案的實例

以(2，3)可視密碼來具體說明本文的方法，(2，3)可視密碼的基礎(chǔ)矩陣如下：

在傳統(tǒng)的可視密碼中，對于加密圖像逐點加密，如果該點為白點，則將B0進(jìn)行隨機(jī)列置換后得到C0，將C0的第一行分給第一個分享者，將C0的第二行分給第二個分享者，將C0的第三行分給第三個分享者；如果該點為黑點，則將B1進(jìn)行隨機(jī)列置換后得到C1，將C1的第一行分給第一個分享者，將C1的第二行分給第二個分享者，將C1的第三行分給第三個分享者。這樣分享圖像和解密圖像都將擴(kuò)大三倍，產(chǎn)生像素擴(kuò)展。

對于(2，3)可視密碼，加密算法為：

(1)令eb=0 forb=1,2

(2)由秘密圖像中取出尚未加密的加密序列，并計算其黑點個數(shù)b.

(3)將基礎(chǔ)矩陣B做列向量隨機(jī)重排，其中矩陣B根據(jù)下列規(guī)則決定：

ifebmod 3

B=B1;

elseB=B0;

(4)eb=eb+1;

(5)重復(fù)步驟(2)～(4)直到秘密圖像上的所有像素都加密完畢。

圖1為加密圖像，在加密圖像上選取連續(xù)3個點，如果3個點中有0個黑點，一直使用B0加密；如果3個點中有1個黑點，則第1次使用B1加密，后2次這種情況使用B0加密；如果3個點中有2個黑點，則第2次使用B1加密，后1次這種情況使用B0加密；如果3個點都為黑點，一直使用B1加密。使用上面的方法得到分存圖像，如圖2所示，分存圖像沒有像素擴(kuò)展。將任意兩個分存圖像進(jìn)行疊加，得到解密圖像C，如圖3所示，解密圖像沒有像素擴(kuò)展。(本文中所有圖像都縮小為原圖像的50%。)

圖1 加密圖像(256×256)

圖2 三個分存圖像

圖3 解密圖像

將解密圖像利用算法進(jìn)行重構(gòu)，重構(gòu)過程如下：

(1)令C為k個分享者的分存圖像疊加后的圖像，D為將C重構(gòu)后的圖像；

(2)存在整數(shù)p、q，使3=p×q，且|p-q|最小，則p=1,q=3；

(3)對于B中的3像素，計算黑點個數(shù):

fory=3:-1:0

計算解密圖像C中3個點C(i,(3×j-y))的黑點個數(shù)b

end

(4)如果黑點個數(shù)大于閾值2，重構(gòu)圖像D對應(yīng)的m個點為黑點，否則為白點:

fory=3:-1:0

ifb≥2

D(i,(3×j-y))=1;

else

D(i,(3×j-y))=0;

endif

end

(5)重復(fù)步驟(3)～(4)直到解密圖像上的所有像素都重構(gòu)完畢。

C為解密圖像，計算C中連續(xù)3個點的黑點個數(shù)，如果黑點個數(shù)大于等于2，則該點為黑點；否則為白點。得到的重構(gòu)圖像如圖4所示，重構(gòu)圖像中沒有像素擴(kuò)展，且有更好的視覺對比度。對于(2,3)可視密碼，本方案和其他方案的對比如表1所示。從表1中可以看到，本方案像素?zé)o擴(kuò)展，所以圖像也不會有變形，且達(dá)到最好的黑白像素對比度。

圖4 重構(gòu)圖像

方案像素擴(kuò)展圖像變形黑白像素對比度文獻(xiàn)[4]3倍有1/3文獻(xiàn)[6]無無1/3本方案無無1

5 結(jié)論

本文在兼顧可用性和可靠性的前提下，提出了實現(xiàn)可視密碼的最佳方案，在加密時利用m點加密實現(xiàn)了分存圖像的像素不擴(kuò)展，在解密時利用重構(gòu)得到更優(yōu)對比度的重構(gòu)圖像，并以(2，3)可視密碼為例說明了該方法的優(yōu)點。該方法雖然避免了像素擴(kuò)展且對比度很好，但是解密圖像黑色像素邊緣會稍有模糊，如何設(shè)計更優(yōu)的像素不擴(kuò)展算法，是今后需要努力的方向。