密文图像中的可逆信息隐藏

Reversible data hiding in encrypted domain is an emerging technology aimed at embedding additional information into cipher-data without revealing the plaintext content and recovering the original plaintext content without any error at receiver side. This project will focus on the research on theory, framework, methodology and applications on reversible data hiding in encrypted images (RDHEI). Firstly, we will develop new theory about RDHEI to give the achievable rate-distortion performance suitable for the statistical properties of plaintext image data and the usability of cryptographic key. Secondly, we will propose a generalized framework for the two types of schemes by construct a duality relationship between the modification on encrypted data and the compression of encryption data, so that the embedded information can be extracted in both the encrypted and the plaintext domains. Thirdly, we will propose novel methods on RDHEI by harmonizing three phases, which include the image-encryption, data-embedding and data-extraction/content-recovery, by introducing a mechanism of adaptive modification on cover data and by optimizing the systemic parameters, so that the improved actual rate-distortion performance can be realized. At last, we will study new techniques for special application scenarios, including reversible data hiding in encrypted JPEG images and reversible visible watermarking in encrypted images. The achievements of this project will be significantly meaningful for research on reversible data hiding in encrypted domain.

密文域可逆信息隐藏既可实现密文数据中的信息隐藏，又可实现原始明文载体的无误恢复，是新兴研究热点。本项目针对数字图像开展密文域可逆信息隐藏的理论研究、框架研究、方法研究和应用研究。率失真性能是可逆信息隐藏的重要指标，本项目首先发展密文图像可逆信息隐藏的新理论，借助明文数据模型和加密密钥可用条件给出密文域可逆嵌入的可达率失真性能。其次建立明文域提取和密文域提取两类方案的统一框架，通过构建密文数据修改与密文数据压缩的对偶关系，实现两类方案的互相转换。并协调"加密-嵌入-提取/恢复"三方面机制，提出可对载体数据进行动态调整的密文图像可逆信息隐藏新方法，通过多参数优化提高率失真性能。本项目还将开拓密文图像可逆信息隐藏的新应用，包括利用块间相关性的JPEG密文图像可逆信息隐藏方法及密文域嵌入、明文域可见的可逆水印方法。项目成果将全面推动密文域可逆信息隐藏的发展。

本项目开展密文图像的可逆信息隐藏研究，是图像加密与信息隐藏两个领域的结合。“嵌入率—失真”性能理论方面，研究了符合明文数据特性的密文图像可逆信息隐藏的率失真性能，并用于指导密文域可逆信息隐藏方法研究。在密文域可逆信息隐藏方法框架方面，提出了多种可逆与无损的密文图像信息隐藏框架：渐进恢复的密文域可逆信息隐藏框架，接收者可根据接收数据的多少，分别通过3轮渐进的恢复操作来得到原始图像；基于公钥密码体制的密文图像无损和可逆信息隐藏框架，分别提出图像密文域无损信息隐藏方案、图像密文域可逆信息隐藏方案以及二者结合的联合嵌入方案；加密JPEG比特流中的可逆信息隐藏新框架，提出了一种与JPEG编解码兼容的JPEG比特流加密方案，以及一种结合哈夫曼码表映射与直方图平移的信息隐藏方法；在面向JPEG密文图像及“密文域嵌入—明文域可见”的可逆信息隐藏应用方面，设计了一系列JPEG图像的可逆信息隐藏方法：可分离的加密JPEG比特流中可逆信息隐藏，利用上述JPEG编解码兼容的加密框架，在保证格式兼容的前提下，将明文图像加密成一幅尺寸小于原图像的密文图像；基于块效应预测和无损压缩的JPEG可逆信息隐藏，采用了一种新的辅助信息构造方案，可保持图像文件大小不变；基于排序嵌入的JPEG图像可逆数据隐藏，采用一种排序多轮嵌入机制，优先选择连零长度较短的AC 系数对和其数量较少的块进行信息嵌入；基于游程编码对旋转的JPEG可逆信息隐藏，将每个小块中的初始游程编码对序列旋转成不同状态来表示不同秘密信息。本项目执行过程中还对隐写失真函数设计与优化等相关领域进行了研究，并取得了较显著的成果。设计了多种面向空域与JPEG图像隐写的失真函数与优化方案，结合对称与非对称嵌入方式提高隐写技术的安全容量，推动了信息隐藏领域的发展。