一种可逆的生物特征图像设备匿名方法及装置

1.本发明属于信息安全技术领域，尤其涉及一种可逆的生物特征图像设备匿名方法及装置。


背景技术：

2.当人们将他们的个人图像或视频交给身份验证系统以获得进入许可时，我们的隐私可能会被泄露；传统的解决方案通常侧重于保护多媒体内容，例如我们的面部等；而用于捕获图像的设备也可能暴露我们的隐私。基于传感器模式噪声(spn)的算法能够区分相机然后找到所有者，这引发了许多关于个人隐私和匿名性的新问题；与此同时，在一些敏感应用中，如涉及财产安全认证等，图像不仅仅需要隐藏其源设备信息，而且还需要保持不失真性；虽然可逆水印或可逆信息隐藏方案可以解决原图像的恢复，但在去识别算法中，浮点数运算具有截断性，所以两种方案不能直接进行简单的应用。
3.综上，传统的设备匿名方法主要存在以下几点问题：目前的研究往往忽视了设备也会暴露隐私的问题；传统的解决方案通常会干扰生物特征图像的认证速度；涉及财产认证等敏感应用时，图像不能永久保证不失真；因此，在某些特定生物特征场景中保持生物特征效用的同时，建立一套可逆设备隐私保护方案尤为重要。


技术实现要素：

4.本发明为了解决上述问题，提出了一种可逆的生物特征图像设备匿名方法及装置，首先，保证切断与源传感器之间联系，使干扰图像的拍摄设备信息匿名并且生物特征效应不受影响；其次，对于高级身份认证时图像质量的高要求，提出在抑制了prnu的图像基础上，无损恢复原始的干净图像，可以实现生物特征内容的零退化，加速涉及财产等高级别身份认证的通过速度。
5.第一方面，本发明提供了一种可逆的生物特征图像设备匿名方法，包括：
6.获取生物特征图像信息；
7.根据获取的生物特征图像信息，提取与生物特征图像相关的光响应不均匀性；
8.对生物特征图像信息和光响应不均匀性进行整数小波变换，得到低频分量、中频分量和高频分量；
9.对低频分量部分进行浮点数运算截断，将低频分量像素值变为整数，将中频分量和高频分量部分进行重新定义，得到初步匿名图像；
10.将待嵌入的秘密信息进行无损压缩；
11.以得到的初步匿名图像为载体图像；将压缩后待嵌入的秘密信息用不同的正交扩频序列表示，嵌入到载体图像中，得到完善匿名图像。
12.进一步的，对低频分量，低频分量减去预设倍强度的低频分量特征。
13.进一步的，对中频分量和高频分量，先随机生成相同长度的列序号数，原始序列的每一列或一行的像素值根据生成的列序号进行重新排列，得到密钥。
14.进一步的，将像素值变为整数的低频分量和密钥设置为待嵌入的秘密信息；
15.将秘密信息嵌入载体图像时包括两次，第一次的嵌入在原图上开展，第二次嵌入的位置则是在第一次基础上向预设方向移一位像素进行嵌入。
16.进一步的，将待嵌入的秘密信息进行无损压缩时，采用哈夫曼编码算法来进行数据的无损压缩。
17.第二方面，本发明还提供了一种可逆的生物特征图像设备匿名恢复方法，包括：
18.获取如第一方面中所述的可逆的生物特征图像设备匿名方法生成的匿名图像；
19.在载体图像中分离出嵌入的秘密信息并解压，得到初步匿名图像和秘密信息；
20.通过逆变换，得到低频分量、中频分量和高频分量；
21.根据得到的低频分量、中频分量和高频分量，通过小波逆变换得到恢复图像。
22.进一步的，获取生成的匿名图像后，切断匿名图像与源设备的联系。
23.第三方面，本发明还提供了一种可逆的生物特征图像设备匿名装置，包括：
24.数据采集模块，被配置为：获取生物特征图像信息；
25.特征提取模块，被配置为：根据获取的生物特征图像信息，提取与生物特征图像相关的光响应不均匀性；
26.小波变换模块，被配置为：对生物特征图像信息和光响应不均匀性进行整数小波变换，得到低频分量、中频分量和高频分量；
27.初步匿名模块，被配置为：对低频分量部分进行浮点数运算截断，将低频分量像素值变为整数，将中频分量和高频分量部分进行重新定义，得到初步匿名图像；
28.压缩模块，被配置为：将待嵌入的秘密信息进行无损压缩；
29.完善匿名模块，被配置为：以得到的初步匿名图像为载体图像；将压缩后待嵌入的秘密信息用不同的正交扩频序列表示，嵌入到载体图像中，得到完善匿名图像。
30.第四方面，本发明还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现了第一方面中所述的可逆的生物特征图像设备匿名方法的步骤。
31.第五方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现了第一方面中所述的可逆的生物特征图像设备匿名方法的步骤。
32.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
33.1、本发明在抑制了光响应不均匀性图像基础上，可以无损恢复原始的干净图像；特别对生物特征图像而言，能够实现生物特征内容的零退化，加速身份认证通过速度；本发明可以分层次对prnu的低频分量、中频分量和高频分量进行不同的处理，实现了虽然对测试图像做了轻微扰动，但在光照十分充足的前提下，匿名成功率仍能保持在高水平线上的目的；
34.2、本发明根据生物特征图像的不同应用场景，建立了初步和完善两个匿名应用算法；
35.3、本发明对设备隐私建立两级保护体系，一是干扰图像检测不出与源拍摄设备之间的联系；二是将prnu当作秘密信息嵌入到载体图像中，入侵者察觉不到其指纹的存在。
附图说明
36.构成本实施例的一部分的说明书附图用来提供对本实施例的进一步理解，本实施例的示意性实施例及其说明用于解释本实施例，并不构成对本实施例的不当限定。
37.图1为本发明实施例1的流程图；
38.图2为本发明实施例1的高频像素置乱规则图。
具体实施方式：
39.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
40.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
41.名词解释：
42.prnu：光响应不均匀性(prnu)是由于图像从拍摄到形成的过程中使用的硅片中存在异常而表现出来的，具有唯一识别性；prnu也可以称为设备指纹。
43.rdh：可逆数据隐藏(reversible data hiding)。
44.实施例1：
45.本实施例提供了一种可逆的生物特征图像设备匿名方法，包括：
46.获取生物特征图像信息；
47.根据获取的生物特征图像信息，提取与生物特征图像相关的光响应不均匀性；
48.对生物特征图像信息和光响应不均匀性进行整数小波变换，得到低频分量、中频分量和高频分量；
49.对低频分量部分进行浮点数运算截断，将低频分量像素值变为整数，将中频分量和高频分量部分进行重新定义，得到初步匿名图像；
50.将待嵌入的秘密信息进行无损压缩；
51.以得到的初步匿名图像为载体图像；将压缩后待嵌入的秘密信息用不同的正交扩频序列表示，嵌入到载体图像中，得到完善匿名图像。
52.方案中，对获取的生物特征图像信息，可以选择基于小波变换与维纳滤波器相结合的去噪滤波器；在其他实施例中，也可以选择其他常规滤波器进行滤波；此外，为了打破浮点数截断性运算对图像完美可逆的束缚，本实施例中舍弃离散变换域，将算法整体搬运到整数小波域上执行；算法建议先对测试图像进行初步匿名，得到中间载体图像，也就是初步匿名图像，使其能在通过身份认证时(网禁或门禁等)，保证图像拍摄设备信息的隐私；而后，进行完善匿名部分，即在干扰图像中嵌入prnu相关伪影，从而完成干净图像的恢复；可以理解的，此处的干扰图像可以理解为完成初步匿名后的输出图像，也就是中间载体图像。
53.获取生物特征图像信息，可以理解的为通过摄像头等图像采集传感器采集指纹、人脸等图像信息。
54.初步匿名：本实施例中，首先可以在部分训练集中提取出设备特征prnu，该特征能唯一标识某个设备，可以依据一种提取相机prnu乘性因子的极大似然估计方法实现，训练集可以理解为与测试的生物特征图像为同一拍摄设备的部分图集，主要用来生成该设备的设备指纹(prnu)；结果由以下式子得出：
[0055][0056]
其中，表示光响应不均匀性；k∈{1,2,3...,m}表示对应于参考图像组中的单个图像的索引值，此处的参考图像组可以理解为上述所说的训练集图像组；pk表示参考图像组中的图像p；wk表示参考图像对应的噪声残差图像，计算方法如下：
[0057]w(k)
＝i
(k)-f(i
(k)
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0058]
其中，i表示表示用来做测试的测试图像；f(
·
)表示滤波函数。
[0059]
对测试图像和prnu进行2层整数小波变换，分离得到低频分量、中频分量和高频分量，对分离出的不同频段做不同的处理，此处的测试图像指的是一个设备拍摄的图像集中用来做测试或者是算法的图像。然后考虑到可逆过程图像的完美恢复，本实施例中，可以对整数小波变换后的prnu特征的低频分量liwt进行浮点数运算截断，将其像素值变为整数备用。具体的，对低频部分：测试图像的低频减去n(n∈n*)倍强度的liwt特征；本实施例中，因为prnu低频分量的预处理操作，使得大部分像素数值会变小，所以如果只减去1或者2倍强度的特征，对匿名成功率的影响远远不够，3倍是其临界点，既不会在最终印证环节出现极大负相关也不会出现极其不相关的现象；对高频部分：打破原有的数据排列，在不极大改变整体图像构造的前提下对像素值进行重新定义；简单来讲，先随机生成相同长度的列序号数，原始序列的每一列(行)的像素值会根据这些生成的列序号进行重新排列；这里的列序号数暂时记作密钥key；相关置乱规则如图1所示，其中，左侧4
×
5矩阵为假设的原始图像像素，上方或左侧标有行或列序号数；中间1
×
5矩阵为算法伪随机生成的列序号数，根据随机生成的列序号数可以重新排列原始像素值；右侧矩阵中，我们可以通过颜色来察觉到每列像素值已经改变，相应的每行数据也进行了重新排列，最后列序号数重新编码即可得到置乱后的矩阵；对中频部分：为了简化算法，方案要求中频分量的处理与高频分量相同。
[0060]
完善匿名：得到初步匿名图像后，进行秘密信息的隐藏工作，本实施例中的秘密信息主要是低频分量liwt和密钥key；载体主要是指初步匿名后的输出图像；具体嵌入为，首先将待嵌的秘密信息进行无损压缩预处理，本实施例中的压缩方法可以采用哈夫曼编码算法来进行数据的无损压缩，这使编码之后的数据平均期望长度降低，从而达到无损压缩的目的；待嵌数据的预处理工作完成过后，可以选择基于cdm算法的rdh方案，在基于cdm的通信系统中，发送者被分配以预定的扩展序列来编码秘密数字信号以便传输；只有知道相同序列的接收机才能正确解码和提取秘密信号；通常，使用walsh hadamard矩阵来导出扩展序列，它由“1”或
“‑
1”组成，每两行或每列相互正交；待嵌入数据用不同的正交扩频序列表示，然后嵌入到载体图像中。根据所选数据集图像的规格，以及嵌入数据比特的大小，将秘密信息嵌入载体图像时包括两次，第一次的嵌入在原图上开展，第二次嵌入的位置则是在第一次基础上向预设方向移一位像素进行嵌入，其中，第二次嵌入的位置是在第一次基础上可以左移一位像素来进行嵌入。
[0061]
实施例2：
[0062]
本实施例提供了一种可逆的生物特征图像设备匿名恢复方法，包括：
[0063]
获取如实施例1中所述的可逆的生物特征图像设备匿名方法生成的匿名图像；
[0064]
在载体图像中分离出嵌入的秘密信息并解压，得到初步匿名图像和秘密信息；
[0065]
通过逆变换，得到低频分量、中频分量和高频分量；
[0066]
根据得到的低频分量、中频分量和高频分量，通过小波逆变换得到恢复图像。
[0067]
进一步的，获取生成的匿名图像后，切断匿名图像与源设备的联系。
[0068]
具体的，当接收者收到带有秘密信息并且切断了与源设备联系的干扰图像时，同样通过rdh方案分离出嵌入消息和载体信息；此时提取的嵌入信息是通过哈夫曼编码压缩后的数据；需要进行解压缩的操作，方可得到最初的嵌入信息；此外，分离的载体信息即为初步匿名后的干扰图像。为了应对一些敏感应用，算法最后提出通过分解出来的三部分信息重构最初干净图像通过高级身份认证，与最初匿名算法相对应，对载体图像进行二层整数小波变换；分解出来的高频信息根据密钥信息key得知像素扰乱时生成的随机行序号数，执行逆变换，使得图像的整列数据恢复到原排列状态；低频信息通过加入相同强度的prnu特征，恢复到开始低频分量的状态；最终执行小波逆变换方可得到干净的恢复图像。
[0069]
实施例3：
[0070]
本实施例提供了一种可逆的生物特征图像设备匿名装置，包括：
[0071]
数据采集模块，被配置为：获取生物特征图像信息；
[0072]
特征提取模块，被配置为：根据获取的生物特征图像信息，提取与生物特征图像相关的光响应不均匀性；
[0073]
小波变换模块，被配置为：对生物特征图像信息和光响应不均匀性进行整数小波变换，得到低频分量、中频分量和高频分量；
[0074]
初步匿名模块，被配置为：对低频分量部分进行浮点数运算截断，将低频分量像素值变为整数，将中频分量和高频分量部分进行重新定义，得到初步匿名图像；
[0075]
压缩模块，被配置为：将待嵌入的秘密信息进行无损压缩；
[0076]
完善匿名模块，被配置为：以得到的初步匿名图像为载体图像；将压缩后待嵌入的秘密信息用不同的正交扩频序列表示，嵌入到载体图像中，得到完善匿名图像。
[0077]
所述系统的工作方法与实施例1的可逆的生物特征图像设备匿名方法相同，这里不再赘述。
[0078]
实施例4：
[0079]
本实施例提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现了实施例1所述的可逆的生物特征图像设备匿名方法中的步骤。
[0080]
实施例5：
[0081]
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现了实施例1所述的可逆的生物特征图像设备匿名方法中的步骤。
[0082]
以上所述仅为本实施例的优选实施例而已，并不用于限制本实施例，对于本领域的技术人员来说，本实施例可以有各种更改和变化。凡在本实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实施例的保护范围之内。