基于同态加密的密文图像可逆信息隐藏研究

Reversible data hiding is a key technology for secret communication and image integrity and availability protection while fully protecting the image content. In the open environment, privacy protection becomes one of the most important problems of digital images. Although image encryption can protect the privacy efficiently, it makes reversible data hiding significantly more difficult. By using the homomorphic property of the image encryption based on the homomorphic cryptography, this work achieves reversible data hiding in encrypted images in various ways. Based on existing additive homomorphic encryptions, histogram shifting in encrypted domain is studied, and is achieved by using additive homomorphism, and then reversible data hiding in encrypted images based on the histogram shifting is proposed. The homomorphic encryption scheme based on cross division is also constructed to leave some of the spatial correlations in the encrypted image, so as to obtain the difference histogram and achieve the histogram shifting, and the corresponding scheme of reversible data hiding in encrypted images is proposed. The homomorphic property of flipping in block compressed sensing images is revealed, the hiding area is selected properly, the fluctuation measurement is designed elaborately, and the reversible data hiding in block compressed sensing images is achieved successfully. In this work, a series of reversible data hiding schemes in encrypted images based on homomorphic cryptosystem are proposed, which enriches and develops the theory and methods of reversible data hiding in encrypted images greatly.

可逆信息隐藏是在不损失宿主内容前提下进行秘密通信以及图像完整性和可用性保护的重要手段。在开放环境中，图像隐私保护是目前普遍存在且较为突出的安全问题，虽然加密可以有效保护图像隐私，但是会使可逆信息隐藏变得格外困难。本项目采用同态加密机制加密图像，并利用同态性实现不同类型的密文图像可逆信息隐藏：基于现有加同态加密机制，研究密文域直方图扩展问题，通过加同态操作在密文域实现直方图移位，提出基于直方图移位的密文图像可逆信息隐藏方案；基于构造十字型图像同态加密机制，研究图像空域相关性保留方法，提取差值直方图并设计相应的移位方法，提出基于构造同态加密的密文图像可逆信息隐藏方案；挖掘块压缩感知图像对翻转操作的同态性，在此基础上划分隐藏区域和设计波动函数，提出块压缩感知图像的可逆信息隐藏方案。本项目在同态加密图像上提出一系列有效的可逆信息隐藏方案，对密文图像可逆信息隐藏理论与方法的发展起到重要推动作用。

在当前以云和物联网为代表的开放网络环境中，数字资源的隐私保护以及重要数据的隐蔽传输问题面临着巨大挑战。传统的信息隐藏难以保护载体图像的隐私性，而密文图像信息隐藏技术则可以在保证宿主图像隐私安全的前提下通过信息隐藏有效实现载体图像保护和信息隐蔽传输。本项目主要研究运用同态加密方法实现高质量的密文图像可逆信息隐藏，包括基于现有加同态加密机制的密文域直方图移位及可逆信息隐藏、基于十字型构造同态加密机制的密文图像可逆信息隐藏、基于翻转同态操作的块压缩感知图像可逆信息隐藏，以及和项目密切相关的基于同态、混沌、压缩感知的图像加密算法设计与安全性分析，面向图像隐私保护、完整性保护、安全发布与管理的信息隐藏应用等内容。构建了基于同态加密的密文图像可逆信息隐藏一般模型。利用加密的同态性在密文域保留了一定程度的空域相关性，进而提出了有效的大容量的可逆信息隐藏方案，并达到了较好的信息隐藏效果。揭示了块压缩感知图像对翻转操作的同态性，并提出了若干压缩感知域信息隐藏方案，等等。研究成果涉及同态密码、图像加密、信息隐藏和压缩感知等技术领域。该研究丰富和发展了密文域信息隐藏及相关领域研究的理论与方法，促进了加密方式与信息隐藏算法的进一步融合与发展，并拓展了信息隐藏技术在新网络环境和新形式媒体中的安全应用。