JPEG图像云存储安全与隐私保护关键技术研究

To address the security uncontrollable problem of data outsourced to cloud storage, which caused by the separation of ownership and management, the Reversible Data Hiding in Encrypted Images technology is adopted. One hand, data are encrypted and then uploaded to the cloud for content security and privacy protection. On the other hand, some additional data such as annotations, copyrights, and signatures are reversibly embedded in ciphertext to facilitate the safe management of massive ciphertext. Taking JPEG images as the research object, the key techniques of cloud storage security and privacy protection are developed with security, file extension and hidden capacity as important indicators. The main research content includes the following four aspects. (1) Using the constant statistical features and adaptive key as the entry point, the security analysis and evaluation of the existing JPEG image encryption algorithms are developed; (2) To change the statistical characteristics of DC and AC in ciphertext image as a breakthrough, we carry out the design and performance analysis of secure JPEG image encryption algorithms considering both file expansion and efficiency. (3) Considering the embedding capacity and file-size expansion, the research on the large-capacity reversible data hiding in encrypted images for JPEG format is carried out; (4) the adaptive key generation and sharing based on reversible data hiding is researched. This project research provides new security technologies for data security in cloud computing, and also provides new ideas and methods for encryption and reversible data hiding of compressed data of JPEG format compressed data (including images, audio, video, etc.).

针对云存储数据的所有权与管理权分离而导致的数据安全不可控问题，采用加密域可逆信息隐藏技术，将数据加密后再上传云端实现内容安全与隐私保护；将标注、版权、签名等附加数据可逆地隐藏在密文中以便于密文的安全管理。项目以JPEG图像为研究对象，以安全性、文件扩展和隐藏容量为重要指标，展开JPEG图像云存储安全与隐私保护关键技术研究。主要研究内容包括:(1)以统计特征、自适应密钥为切入点，展开现有JPEG图像加密算法的安全性分析研究;(2)以改变DC和AC统计特征为突破口,开展兼顾文件扩展与效率的安全JPEG图像加密算法设计与性能分析研究;(3)兼顾隐藏容量与数据扩展的大容量密文JPEG图像可逆隐藏算法研究;(4)基于可逆数据隐藏的图像自适应密钥生成与传输研究。本项目研究为云计算的数据安全提供安全新技术，也为JPEG格式压缩数据（包括图像、音频、视频等）的加密和可逆数据隐藏提供新思路和新方法。

随着越来越多的数据存储在云端，云存储不仅要确保用户数据的完整性和可用性，还要确保其机密性，对于多数用户而言，数据安全性需求要大于其他服务需求。项目以JPEG图像为研究对象，以安全性、文件扩展和隐藏容量为重要性能指标，开展图像云存储安全与隐私保护关键技术研究。根据项目研究计划，课题组展开四个方面的研究内容并取得相应的研究成果。(1) 现有图像加密算法安全性分析，以统计特征为切入点，提出了基于游程有序等价、块非0个数、最后非0位置、块首差值、bit-block inversion等统计特征的安全性分析方法。从自适应密钥生成的角度，提出了基于不变特征自适应密钥CPA攻击方法。(2) 安全JPEG图像加密算法研究，提出了基于交流系数隐藏、非0AC系数添加、完整RSV系数组置乱等改变统计特征的JPEG图像加密算法。提出了选择明文安全且文件大小减少的JPEG图像加密方法，实现了格式兼容和CPA安全。(3) 大容量JPEG密文图像可逆数据隐藏算法研究，提出了基于失真-扩展代价、零AC系数分解、global adaptive pairing、over process channel和two-segment pairwise的直方图平移JPEG图像可逆数据隐藏算法。提出了基于自适应稀疏编码、自适应霍夫曼编码、Multi-MSB Compression等无损压缩密文图像可逆数据隐藏算法，有效提高了算法的隐藏容量。(4) 自适应密钥生成与同步，提出了基于自适应比特流长度、伪随机长度扩展等自适应置乱序列生成方法，提出了基于Time-varying霍夫曼编码表、Key-controlled霍夫曼编码的自适应密钥生成方法。不增加密钥管理负担的条件下，有效缓解了算法复杂度和安全性之间的矛盾。本项目，达到了预期研究目标，按计划完成了全部研究内容。项目的具体成果主要以学术论文、发明专利与人才培养等形式呈现：（1）项目组发表了标注本项目资助的学术论文22篇，包括期刊论文19篇，会议论文3篇，在上述发表学术论文中，SCI收录期刊论文11篇(其中包括5篇IEEE Trans.，2 篇Signal Processing)，EI期刊论文8篇；（2）申请国家发明专利5件，其中4件已授权；（3）培养博士毕业生2人，硕士毕业生13人。