《Computer Standards & Interfaces》：A secure reversible image hiding approach combining block based intelligence with dual stego matrix encoding
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基于AES加密和自适应块分类的双图像隐写术方法，通过BLTM-LSB混合嵌入策略实现高嵌入容量（0.93bpp）与视觉质量（PSNR>56dB，SSIM>0.97），并采用双层加密增强安全性。适用医疗影像、军事通信等高可靠性场景。
米纳克希·萨尔卡尔（Minakshi Sarkar）|坎卡纳·达塔（Kankana Datta）|比德什·查克拉博蒂（Bidesh Chakraborty）|因德拉吉特·班纳吉（Indrajit Banerjee）
计算机科学与工程（数据科学），印度西孟加拉邦哈尔迪亚理工学院（Haldia Institute of Technology）
摘要
随着通信技术的快速发展，在公共网络上传输私人数据时的安全性已成为一个重要挑战。传统的数据隐藏方法，如修改图像像素的最不重要位（LSB），通常会导致明显的失真，尤其是在嵌入大量数据时。为了解决这个问题，我们提出了一种新的图像隐写方法，该方法结合了AES加密、精细调优变换器（FTT）分类器和二进制下三角矩阵（BLTM）进行安全数据隐藏。在所提出的方法中，首先使用AES对秘密图像进行加密以确保数据保密性。然后FTT分类器预测三个块标签，以确定每个块中要嵌入的数据量。利用BLTM概念和LSB替换，将加密数据嵌入到两个掩盖图像中。最后，为了进一步提高安全性，使用主密钥对两个隐写图像进行加密。实验结果表明，所提出的方案具有很高的不可察觉性。即使在最大嵌入率0.93 bpp的情况下，PSNR值也保持在56 dB以上，而均方误差（MSE）较低，结构相似性指数（SSIM）也高于0.97。这种双图像隐写框架通过支持图像认证、篡改检测和伪造预防，提升了安全多媒体通信的能力，适用于医疗保健、国防和数字版权保护等领域。此外，它还提供了自适应的有效载荷分配以及对噪声、椒盐噪声、不透明掩蔽和网格遮挡攻击的强鲁棒性，使系统既可靠又具有抗攻击性。
引言
如今，由于安全威胁的增加和未经授权的访问，信息的安全传输变得越来越重要。隐写技术是一种通过在普通外观的掩盖介质中隐藏机密信息来保护数据的有效方法。与仅关注加密消息内容使其对未经授权方不可读的密码学不同，隐写技术的目标是隐藏消息本身的存在。这一特性使得隐写技术适用于金融交易、军事通信和个人数据交换等敏感应用[1]、[2]。在各种隐写方法中，基于图像的方法被广泛使用，因为数字图像无处不在，并且可以在不引起明显视觉退化的情况下嵌入隐藏信息。
图像隐写技术主要分为空间域和频率域两类。频率域方法在数据嵌入之前首先将图像转换为频率分量，而空间域方法则通过直接修改像素值来嵌入秘密数据[3]、[4]。常见的空间域方法，如像素值差分（PVD）和最小重要位（LSB）替换，旨在在保持低视觉变化的同时实现合理的嵌入容量（EC）[5]。然而，当隐藏数据量增加时，这些方法往往会导致图像出现明显的失真。这表明需要能够更好地适应图像内容并控制失真的嵌入方法。
为了提高安全性，秘密信息在嵌入掩盖图像之前通常会先进行加密。图像扰乱加密方法（ISEA）[6]常用于此目的，因为它们在隐藏之前将秘密数据转换为不可读的形式，有助于防止未经授权的访问和分析攻击。同时，可逆数据隐藏（RDH）在军事系统和医学成像等应用中变得重要，因为在这些应用中需要在数据提取后精确重建原始掩盖图像。相比之下，不可逆数据隐藏（NRDH）方法仅关注提取隐藏信息，而不尝试恢复原始掩盖图像。
最近，双图像隐写技术受到了关注，因为它通过将隐藏数据分布在两个隐写图像中来提高安全性。在这种方法中，除非两个图像都可用，否则无法恢复秘密信息，从而大大增强了保密性。在军事通信和医学图像传输等关键应用中，双图像技术特别有用。然而，在不同类型的图像上实现高视觉质量、可逆性和一致的性能仍然具有挑战性。为了解决这些问题，文献中报道了几种双图像数据隐藏技术[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。直方图移位（HS）方法通过调整像素直方图来嵌入数据，同时保持低失真[14]、[15]、[16]。基于插值的技术通过调整图像大小来增加嵌入空间[17]、[18]，而像素值排序（PVO）方法根据局部像素关系选择嵌入位置。结合这些思想的混合方法，如HS与差分扩展（DE）或基于插值的双图像方案，也被探索用于提高EC和视觉质量[16]、[19]、[20]。尽管付出了这些努力，许多现有方法使用固定的嵌入规则，无法适应局部图像特征。这通常会导致视觉质量降低或在较高嵌入率下有效载荷受限。这些限制突显了需要一个更具适应性、安全性和可逆性的双图像数据隐藏框架。
在本文中，我们提出了一种双图像可逆数据隐藏方法，该方法结合了AES加密、基于FTT的块分类方法和BLTM引导的LSB嵌入（如图1所示）。该方案根据局部图像复杂性选择嵌入块，有助于减少可见失真，同时允许完全恢复原始数据。生成的双隐写图像在视觉上与原始掩盖图像相似，在接收端可以准确提取和恢复秘密图像和原始掩盖图像。本工作的主要贡献总结如下。
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基于FTT的块分类用于感知失真的嵌入：使用基于FTT的块分类方法将掩盖图像块分为三个复杂性级别，从而可以根据局部图像特性调整嵌入有效载荷。与均匀嵌入策略相比，这种方法减少了嵌入失真并提高了视觉质量，在标准测试图像上平均PSNR提高了5–12 dB。
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具有增加容量的可逆双图像数据隐藏：将BLTM辅助的LSB嵌入策略集成到可逆双图像数据隐藏框架中，以实现可变长度的有效载荷嵌入。实验结果表明，所提出的方法在嵌入率方面比现有的可逆双图像方案提高了0.34–0.79 bpp，同时能够准确恢复秘密图像和原始掩盖图像。
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使用预嵌入和后嵌入加密的分层安全性：在嵌入之前使用AES对秘密图像进行加密，嵌入之后对隐写图像应用额外的基于主密钥的加密。这种两阶段的安全设计保护了隐藏数据和嵌入结构，提高了抗篡改和图像损坏的能力。
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平衡的嵌入容量和视觉质量：通过结合自适应块分类和可逆嵌入，所提出的方案在EC和视觉不可察觉性之间取得了更好的平衡。结果隐写图像的PSNR值始终高于56 dB，SSIM值大于0.97，优于类似或更高有效载荷水平的现有方法。
本文的结构如下：第2节介绍了相关工作，第3节详细解释了所提出的方法，第4节展示了实验结果和比较，第5节提供了分析和评估，最后第6节提出了本文的主要结论。
相关研究
相关工作
本节回顾了与所提出的框架相关的图像隐写、加密辅助数据隐藏和自适应嵌入技术的相关研究。近年来，双图像RDH方法因其提高了安全性、视觉质量和增加了EC而受到广泛关注。同时，数字技术的快速发展导致了图像伪造和篡改的增加，突显了可靠信息的重要性
提出的方案
本节解释了所提出的隐写框架的整体结构，并逐步描述了每个组成部分。所提出的方法结合了AES加密、基于FTT的块分类策略和由BLTM引导的LSB嵌入，以实现安全图像隐藏和传输。为了更好地理解，本文中使用的所有符号和符号表示在表1中列出。首先，从每个掩盖图像块中提取局部特征。
结果与比较
本节展示了所提出的双图像数据隐藏技术在各种场景下的性能。如图5所示，实验使用了大小为512 × 512的各种标准灰度和彩色图像。这些图像来自著名的图像数据库，如USC-SIPI [58]、UCID [59] 和 STARE [60]。嵌入过程后，从原始掩盖图像生成了双隐写图像（
分析与讨论
使用模型评估、统计分析、直方图评估和鲁棒性评估等常用技术评估了所提出方案的有效性。
结论
本文提出了一种基于BLTM框架的新型高效可逆数据隐藏方案，适用于灰度和彩色图像，其主要目标是在保持强视觉质量的同时实现高EC。通过结合矩阵引导的嵌入策略和基于FTT的块分类机制，所提出的方法根据局部块复杂性自适应地分配有效载荷，从而显著减少了嵌入失真
CRediT作者贡献声明
米纳克希·萨尔卡尔（Minakshi Sarkar）：撰写 – 原始草稿、可视化、验证、软件、资源、方法论、调查、形式分析、概念化。坎卡纳·达塔（Kankana Datta）：可视化、项目管理、调查。比德什·查克拉博蒂（Bidesh Chakraborty）：可视化、验证、监督、项目管理、调查、形式分析。因德拉吉特·班纳吉（Indrajit Banerjee）：监督、项目管理、调查、形式分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
