安全压缩感知及其在资源非对等环境下图像隐私保护中的应用研究

To fulfill the urgent requirements of image privacy-assurance in environments with nonequivalent resources, by fully considering the significant data type characteristics of image, this research project breaks through the limitation of the idea which is completely based on Classical Cryptography. In this project, the image data is regarded as basis, and the adaptability of Compressive Sensing (CS) to environments with nonequivalent resources is utilized to study image information security. Based on the systematic study on the cryptographic features which can be embedded in compressive sensing and the design guideline of secure compressive sensing, this project concentrates on the following topics: the image reversible data hiding algorithm in CS domain, the CS-based encrypted image robust coding algorithm, the CS-based privacy-assured image service scheme, and the privacy-assured image signal processing scheme in CS domain, etc. This research project has both theoretic significance and practical value. At the aspect of theory, it can boost the further research on the unique properties of CS, which is beneficial for the security analysis of CS; at the same time, it can also boost the study on the privacy-assurance methods. At the aspect of practice, it is promising to obtain some achievements with both innovation and practicality. It can provide novel solutions to image privacy-assurance in environments with nonequivalent resources and establish a solid foundation for their various applications.

为了满足资源非对等环境下图像隐私保护的迫切需求，本项目充分考虑到图像在数据类型上的显著特性，跳出单纯依靠传统密码学的桎梏，以图像数据为基础，探索利用压缩感知具有的与资源非对等环境的适应性，开展针对性的安全技术研究。在对可融入压缩感知的密码学特征和安全压缩感知的设计准则进行深入研究的基础上，着重就压缩感知域的图像可逆信息隐藏算法、基于压缩感知的密文图像鲁棒编码算法、具有隐私保护功能的图像服务系统和压缩感知域图像信号处理系统等方面作深入的探索，实现压缩感知与图像隐私保护的有机结合。这项研究既有理论上的重要意义，更有广阔的应用前景。在理论方面，它能促使人们对压缩感知的特殊性质做深入研究，有助于揭示压缩感知的安全特性；同时促进隐私保护方法研究的不断深入。在应用方面，有望获得一些创新性和实用性并举的成果，为各类资源非对等环境下图像隐私保护问题的解决开拓新颖的思路，从而为其广泛应用提供安全保障。

目前，大部分资源非对等环境下的图像隐私保护研究主要依赖传统密码学进行。然而，图像数据具有自身特点，而压缩感知技术在资源非对等环境图像安全应用中具有独特优势，这启示我们可以跳出传统密码学的桎梏，探索可能的思路来解决其图像隐私保护问题。在本项目资助下，我们探索了利用压缩感知具有的与资源非对等环境的适应性，结合图像数据类型的特点，开展针对性的隐私保护技术研究。在对可融入压缩感知的密码学特征和安全压缩感知进行深入研究的基础上，着重就压缩感知域的图像信息隐藏、基于压缩感知的密文图像鲁棒编码、具有隐私保护功能的图像服务和信号处理等方面作了深入的探索，实现了压缩感知与图像隐私保护的有机结合，获得了一系列的成果。取得的主要研究成果包括：揭示了压缩感知模型与对称加密结构的对应关系，构建了安全压缩感知模型，提出了安全压缩感知的设计准则；提出了基于自然图像先验知识的压缩感知域图像信息隐藏思路，设计出压缩感知域的图像信息隐藏算法；针对密文图像在实际传输中需要解决的抗干扰和高效率等问题，提出了安全、高效又具有解密鲁棒性的图像加密算法和密文图像压缩编码方案；将压缩感知框架与云计算技术结合，构建了具有隐私保护的压缩感知图像云存储模型，进一步在压缩感知域融合版权验证功能，实现对云计算环境中存储的具有隐私保护的图像数据进行高效处理。这项研究促进了人们对压缩感知特殊性质的深入研究，为各类资源非对等环境下图像隐私保护问题的解决开拓了新颖的思路。在本项目资助下，在SCI国际期刊上发表学术论文26篇，包括JCR一区11篇、二区9篇，在CCF推荐学术会议上发表论文2篇，已培养毕业了3名博士研究生、8名硕士研究生，还有3名硕士研究生即将毕业。在资助项目执行期间，由项目负责人直接指导毕业的博士/硕士研究生分别有2人/3人获得“重庆大学/重庆市优秀博士/硕士学位论文奖”。组织参与国内外学术交流二十余次。项目按照计划顺利完成了各项指标任务。