安全的密文域视频高载荷信息隐藏方法研究

In order to meet the demand for data security and privacy protection in cloud computing, sensitive videos should be stored in the encrypted form in cloud.To effectively manage and protect encrypted videos, cloud service providers hope to embed some additional message, such as owner identity,video notation or authentication data. Research on some important issues of data hiding for encrypted videos is carried out, which include security, high payload, and separability. The main contents include: 1) Analyze video coding properties and structural characteristics of the codewords. Then establish secure and efficient encryption framework through the integration of modern cryptography (including homomorphic encryption) and video codec, and prove its security. 2) Excavate the operating space for information hiding in the encrypted video streams. Research on the novel information hiding method with high payload for encrypted videos, by combing high dimensional codeword mapping, multiple-base notational system, and multi-element joint strategy. 3) Explore the conditions of realizing mutual homomorphism between information hiding and encryption, and optimize the selection of syntax element and information embedding strategy. Then completely separable information hiding method in homomorphic encryption domain should be investigated. The project will provide new ideas and theoretical basis for data hiding in the encrypted domain. The research results can be applied to video annotation, copyright protection and content authentication in cloud computing.

为适应云计算数据安全和隐私保护需求，敏感视频需加密存储在云端。为对云端密文视频进行有效管理和保护，可在密文视频中嵌入一些附加信息，如所有者身份、标注或认证数据。本项目重点围绕密文域视频信息隐藏的可证明安全、有效载荷、以及信息提取与视频解密的完全可分离问题开展研究，主要内容包括：1) 重点剖析视频编码特性和码字结构特征，建立现代密码体制（包括同态密码）与视频编解码融为一体的安全、高效加密方法，并进行可证明安全研究；2) 挖掘密文域视频码流中可供信息嵌入的操作空间，结合高维码字映射、混合进制编码、以及多元素联合策略，研究高载荷的密文域视频信息隐藏新方法；3) 探索信息隐藏和加密操作的互同态实现条件，优化载密语法元素选取和信息嵌入策略，研究完全可分离的同态加密域视频信息隐藏方法。本项目的研究将为密文域视频信息隐藏提供新思路和技术基础，研究成果可应用于云计算环境下的视频数据管理、保护及认证等领域。

云计算为海量视频的存储和处理提供了最有效的解决方案。为适应云计算数据安全和隐私保护需求，敏感视频需加密存储在云端。为对云端密文视频进行有效管理和保护，可在密文视频中嵌入一些附加信息，如所有者身份、标注或认证数据。为此，本项目重点围绕密文域视频信息隐藏关键技术开展研究。主要内容包括：（1）设计了适于HEVC视频的加密与解密方法，对亮度帧内预测模式、色度帧内预测模式、运动矢量差分、量化残差系数等关键语法元素进行加密，优点是能在与HEVC视频压缩编码标准相兼容的前提下对HEVC视频进行高效加密。（2）提出了基于残差系数调制的加密域HEVC视频数据隐藏方法，选择CABAC中旁路编码模式的语法元素进行等长二进制串替换操作实现视频加密，采用残差系数调制方法进行数据隐藏，加密和数据隐藏都对HEVC视频码流的码率没有任何改变。（3）提出了针对HEVC视频的交互加密和数据隐藏方法，对常规编码的亮度预测模式和色度预测模式，以及旁路编码的运动矢量差分符号、运动矢量幅度、量化残差系数符号的CABAC二进制串进行加密，设计了基于残差系数配对映射的数据隐藏方法，具有高嵌入载荷。（4）将残差系数分为平滑集和粗糙集，设计了基于混合直方图修改的H.264/AVC视频可逆数据隐藏方法。（5）提出了新的基于PU划分模式的视频自适应信息隐藏方法，采用自适应双层嵌入算法能获得更好的嵌入效率。（6）提出了基于MSB预测的密文域可逆数据隐藏方法，优点是在密文域图像的三层MSB位嵌入信息，嵌入容量高。（7）提出了基于邻域预测的加密域可逆数据隐藏方法，图像块中满足特定条件的线性预测差值在加密前和加密后保持一致，确保了隐秘信息提取与图像解密完全分离，同时能保证在提取隐秘信息后可无失真地恢复出原始图像。本项目的研究将为密文域信息隐藏提供新思路和技术基础，研究成果可应用于云计算环境下的视频数据管理、保护及认证等领域。