基于混合加密的密文图像可逆数据隐藏研究

An encrypted image outsourced to cloud storage can effectively realize the privacy protection of the image content. Some additional data reversibly embedded in encrypted image without affecting use is an effective way for convenient encrypted images management. This project focuses on a convenient key management and aims at the security and file expansion of encrypted images. Taking into account both hiding capacity and time complexity, new methods of reversible data hiding (RDH) in encrypted image are studied by adopting the mixed encryption technique including symmetric encryption and asymmetrical one. The main research content includes the following four aspects. (1) the key management is studied based on the mixed encryption under PKI framework to achieve two key distributions including "same key at many images" and " one key at an image" without a secure channel. (2) the security and performance of existing methods of RDH in encrypted image will be analyzed and evaluated. (3) Under different key distributions, secure RDH in encrypted image will be studied by considering both embedding capacity and time complexity. (4) new methods of automatic extraction regions containing private information in an image and RDH in mixed-encrypted image are studied. The mixed encryption enables hierarchical protection of image content, which effectively alleviates the conflict between content security and file expansion. And the mixed encryption achieve the convenience of key management by combining with the RDH technique. This project provides new methods and theories for RDH in encrypted image.

数字图像加密后再存储到云端能有效实现图像内容的隐私保护，在密文图像中可逆地隐藏附加数据是实现密文图像管理的有效途径。本项目以方便的密钥管理为着眼点，以密文图像的安全性和文件扩展为目标，以混合使用“对称和不对称”加密技术为技术手段，开展大隐藏容量、低复杂度的图像加密域可逆数据隐藏新方法研究。主要研究内容包括：(1)PKI框架下基于混合加密的密钥管理，以实现无需安全信道的“多图一密”和“一图一密”密钥分配；(2)现有图像加密域可逆数据隐藏算法的安全性分析与评价；(3)不同密钥分配方式下，兼顾嵌入容量与效率的安全图像加密域可逆数据隐藏算法研究；(4)关键区域自动提取及图像混合加密域可逆数据隐藏研究。混合加密能实现对图像内容的分级保护，有效缓解内容安全与文件扩展之间的矛盾；混合加密与可逆数据隐藏相结合，还能方便地实现密钥管理。本项目研究为图像加密域可逆数据隐藏提供新方法、新理论。

随着互联网、数字成像、云计算等技术的发展，如何安全、高效地共享图像、视频等数字数据已成为提高工作效率、生活品质等需要解决的关键问题之一。图像加密后存储到云端能有效实现图像内容安全与隐私保护，在加密图像中可逆地隐藏附加数据是实现云存储密文图像管理的有效途径。本项目以方便密钥管理为着眼点，以密文图像的安全性和文件低扩展为目标，在分析现有图像加密域可逆数据隐藏(RDHEI)安全性的基础上，展开大隐藏容量、低复杂度的安全RDHEI新方法的研究工作。根据项目研究计划，课题组有序展开并取得以下研究成果：(1)算法安全性分析方面。提出了基于有序等价划分、非0比特个数特征的冗余转移RDHEI算法的安全性分析、基于比特块反转的一致异或块置乱RDHEI算法安全性分析和基于first-pixel difference block的一致调制块置乱RDHEI算法安全性分析，为探索研究密钥重用条件下的“一图一密”提供了新思路；(2)大隐藏容量的安全RDHEI算法研究方面，提出了MSB二维标记、Multi-MSBs反转、自适应IPVO等图像预测方法和变长稀疏编码、霍夫曼编码等自适应压缩编码方法。它们与比特置乱-XOR加密相结合，不仅提高了RDHEI的隐藏容量，还实现了“多图一密”的KPA安全；(3)低复杂的安全RDHEI研究方面，提出了基于有序索引扩展置乱、时变霍夫曼编码表的RDHEI算法，密钥重用(不增加密钥管理负担)条件下实现了密文图像的“一图一密”，降低时间复杂度的同时，实现了差分攻击安全；(4) 开展了基于GAN的图像生成和图像认证等方面的拓展研究，为满足特定应用场景(例如存证云)的具有完整性认证的RDHEI研究奠定了基础。本项目按计划完成了全部研究内容，达到了预期研究目标。项目的具体成果主要以学术论文和发明专利形式呈现，发表标注本项目资助的学术论文32篇，其中期刊论文30篇，会议论文2篇，SCI收录期刊论文14篇(其中包括，IEEE Trans. 5篇,Signal Processing 2篇)，EI收录期刊论文11篇；申请国家发明专利6件，其中5件已授权；培养博士毕业生3人，硕士毕业生15人。