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(gè)參與者之間分享一個(gè)秘密，k個(gè)(或k個(gè)以上)參與者可以恢復(fù)秘密，而少于k個(gè)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。可視密碼^［2-3］是一種依靠人眼解密的秘密共享方法，它是將一個(gè)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(dòng)存儲(chǔ)器中，且分別由n個(gè)人保存。解密時(shí)只需k個(gè)人(或k個(gè)以上)將各自的分存圖像疊加，秘密圖像就會(huì)呈現(xiàn)出來，而少于k個(gè)人無法獲得秘密圖像的一點(diǎn)信息。

傳統(tǒng)可視密碼方法都是使用像素?cái)U(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(chǔ)空間的浪費(fèi)，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(gè)像素都單獨(dú)處理，由n個(gè)人共享，每個(gè)共享由m個(gè)黑白子像素組成。構(gòu)建一個(gè)n×m布爾矩陣B=［B_ij］，當(dāng)且僅當(dāng)B_ij=1時(shí)第i個(gè)共享者的第j個(gè)子像素為黑；當(dāng)且僅當(dāng)B_ij=0時(shí)第i個(gè)共享者的第j個(gè)子像素為白。當(dāng)把投影片疊放在一起時(shí)，就相當(dāng)于對(duì)于每一行都做了或運(yùn)算。疊放后圖像的灰度值與進(jìn)行或運(yùn)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(diǎn)像素為黑，如果H(V )≤d-αm該點(diǎn)像素為白。

1    像素不擴(kuò)展的方案

ITO R^［5］等人針對(duì)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(gè)黑(白)點(diǎn)時(shí)，便從對(duì)應(yīng)于黑(白)點(diǎn)的基礎(chǔ)矩陣中隨機(jī)選擇列，并且將這個(gè)列向量的第i行分配給第i個(gè)分存圖像。由于不論是黑點(diǎn)或白點(diǎn)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(gè)像素，會(huì)填上黑點(diǎn)或白點(diǎn)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(duì)比。在式(1)中，p₀和p₁分別代表白點(diǎn)和黑點(diǎn)在疊加圖像上產(chǎn)生黑點(diǎn)的概率。只要這兩個(gè)概率值差別夠大，人眼便可自動(dòng)區(qū)分疊加圖像上黑色與白色的區(qū)域。

(1)

ITO R^［5］等所提出的不擴(kuò)展模型，在分享一個(gè)像素時(shí)，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(duì)比，但是在小區(qū)域上，黑點(diǎn)與白點(diǎn)的分布就可能無法達(dá)到式(1)的對(duì)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(diǎn)同時(shí)加密的概念，即用m點(diǎn)同時(shí)加密來保證分存圖像的像素不擴(kuò)展。

2     舉例說明m點(diǎn)加密

因?yàn)榛A(chǔ)矩陣B_m×n的列數(shù)m=2，所以選擇秘密圖像上的連續(xù)兩個(gè)點(diǎn)為加密對(duì)象，稱這兩點(diǎn)為加密序列，加密方法如下：

(1)當(dāng)加密序列為兩個(gè)白點(diǎn)時(shí)用矩陣M₀加密，保證兩個(gè)分存圖像疊加后，此兩點(diǎn)為一黑一白；

(2)當(dāng)加密序列為兩個(gè)黑點(diǎn)時(shí)用矩陣M₁加密，保證兩個(gè)分存圖像疊加后，此兩點(diǎn)全黑；

(3)當(dāng)加密序列為一黑點(diǎn)一白點(diǎn)時(shí)，一半用矩陣M₀加密，一半用矩陣M₁加密。保證兩個(gè)分存圖像疊加后，此兩點(diǎn)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(gè)數(shù)，加密規(guī)則如下：

if e mod 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(diǎn)加密可以較好地實(shí)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(duì)比度不高的問題。結(jié)合侯永昌等人的多點(diǎn)加密，在解密的時(shí)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(gè)點(diǎn)中，如果黑色像素H(V )≥d，則對(duì)應(yīng)m個(gè)點(diǎn)像素為黑點(diǎn)，否則m個(gè)點(diǎn)為白點(diǎn)。

令B₀與B₁分別代表對(duì)應(yīng)于白點(diǎn)與黑點(diǎn)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(diǎn)來加密，b代表加密序列中的黑點(diǎn)個(gè)數(shù)(0≤b≤m)，e_b則代表具有b個(gè)黑點(diǎn)的加密序列已加密過的個(gè)數(shù)，加密程序如下：

(1)令e_b=0 for b=1,2,…,m;

(2)由秘密圖像中取出尚未加密的加密序列，并計(jì)算其黑點(diǎn)個(gè)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：

if eb mod m<b

B=B₁

else B=B₀

(4)e_b=e_b+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(gè)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(duì)于B中的m像素，計(jì)算黑點(diǎn)個(gè)數(shù):

for x=p:-1:0

for y=q:-1:0

計(jì)算解密圖像C中m=p×q個(gè)點(diǎn)C((p×i-x),(q×j-y))的黑點(diǎn)個(gè)數(shù)b

end

end

(4)如果黑點(diǎn)個(gè)數(shù)大于閾值d,重構(gòu)圖像D對(duì)應(yīng)的m個(gè)點(diǎn)為黑點(diǎn)，否則為白點(diǎn):

for x=p:-1:0

for y=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(shí)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(duì)于加密圖像逐點(diǎn)加密，如果該點(diǎn)為白點(diǎn)，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(gè)分享者，將C₀的第二行分給第二個(gè)分享者，將C₀的第三行分給第三個(gè)分享者；如果該點(diǎn)為黑點(diǎn)，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(gè)分享者，將C₁的第二行分給第二個(gè)分享者，將C₁的第三行分給第三個(gè)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?cái)U(kuò)展。

對(duì)于(2，3)可視密碼，加密算法為：

(1)令e_b=0 for b=1,2

(2)由秘密圖像中取出尚未加密的加密序列，并計(jì)算其黑點(diǎn)個(gè)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：

if    e_b mod 3<b;

B=B₁;

else  B=B₀;

(4)e_b=e_b+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(gè)點(diǎn)，如果3個(gè)點(diǎn)中有0個(gè)黑點(diǎn)，一直使用B0加密；如果3個(gè)點(diǎn)中有1個(gè)黑點(diǎn)，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(gè)點(diǎn)中有2個(gè)黑點(diǎn)，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(gè)點(diǎn)都為黑點(diǎn)，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?cái)U(kuò)展。將任意兩個(gè)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?cái)U(kuò)展。(本文中所有圖像都縮小為原圖像的50%。)

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(gè)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(duì)于B中的3像素，計(jì)算黑點(diǎn)個(gè)數(shù):

for y=3:-1:0

計(jì)算解密圖像C中3個(gè)點(diǎn)C(i,(3×j-y))的黑點(diǎn)個(gè)數(shù)b

end

(4)如果黑點(diǎn)個(gè)數(shù)大于閾值2，重構(gòu)圖像D對(duì)應(yīng)的m個(gè)點(diǎn)為黑點(diǎn)，否則為白點(diǎn):

for y=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(jì)算C中連續(xù)3個(gè)點(diǎn)的黑點(diǎn)個(gè)數(shù)，如果黑點(diǎn)個(gè)數(shù)大于等于2，則該點(diǎn)為黑點(diǎn)；否則為白點(diǎn)。得到的重構(gòu)圖像如圖4所示，重構(gòu)圖像中沒有像素?cái)U(kuò)展，且有更好的視覺對(duì)比度。對(duì)于(2,3)可視密碼，本方案和其他方案的對(duì)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(huì)有變形，且達(dá)到最好的黑白像素對(duì)比度。

5     結(jié)論

本文在兼顧可用性和可靠性的前提下，提出了實(shí)現(xiàn)可視密碼的最佳方案，在加密時(shí)利用m點(diǎn)加密實(shí)現(xiàn)了分存圖像的像素不擴(kuò)展，在解密時(shí)利用重構(gòu)得到更優(yōu)對(duì)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(diǎn)。該方法雖然避免了像素?cái)U(kuò)展且對(duì)比度很好，但是解密圖像黑色像素邊緣會(huì)稍有模糊，如何設(shè)計(jì)更優(yōu)的像素不擴(kuò)展算法，是今后需要努力的方向。

參考文獻(xiàn)

［1］ SHAMIR A.How to share a secret［J］.Communications.ACM,1979,22(11):612-613

［2］ NAOR M,SHAMIR A.Visual cryptography［J］. Advance in cryptology Euro crypt′94.Lecture Notes in Computer Science,Berlin:Springer,Berlin, 1995,950:1-12.

［3］ DROSTE S.New results on visual cryptography［J］. Lecture Notes in Computer Science, Berlin:Springer-Verlag, 1996,1109:401-415.

［4］ ATENIESE G,BLUNDO C,DE SANTIS A,et al.Visual cryptography for general access structures［J］. Information and Computation,1996,129(2):86-106.

［5］ ITO R, KUWAKADO H,TANAKA H.Image size invariant visual cryptography.IEICE Transactions on Fundamentals of Electronics Communications and Computer Science, 1999, E82-A（10）: 2172-2177.

［6］ 侯永昌,許慶升. 像素不擴(kuò)展之灰階視覺密碼方法，資管評(píng)論，2004，12（13）:107-1240

［7］ 侯永昌.像素不擴(kuò)展之彩色視覺密碼技術(shù)［J］.Journal of Information,Technology and Society,2004(1):95-110.

［8］ 喬明秋，朱悅冬，劉煥平.多秘密共享可視密碼及在防止欺騙上的應(yīng)用［J］.哈爾濱師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)，2007(2):61-65.

［9］ 張舒,艾小川.一種具有理想對(duì)比度的可視密碼方案［J］. 計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2015(8)：1462-1464.

［10］ 李春艷,基于像素不擴(kuò)展視覺密碼的水印算法［J］. 大理大學(xué)學(xué)報(bào),2017(6)：19-21.

［11］ 王洪君,馬冬鶴,張恩綺,等.一種無像素膨脹的(3,3)視覺密碼方案［J］. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2018(12)：1123-1128.

［12］ 沈剛,付正欣,郁濱.基于XOR的(2，2，n) 多秘密視覺密碼［J］. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2012(10)：3797-3799.

（收稿日期：2019-01-20）

作者簡介：

喬明秋(1982-)，通信作用，女，碩士研究生，講師，主要研究方向：密碼學(xué)、信息安全。E-mail: qiaomingqiu@163.com。

趙振洲(1978-)，男，碩士研究生，副教授，主要研究方向：數(shù)據(jù)恢復(fù)、信息安全。