同态加密域可逆数据隐藏新方法研究

In the information hiding community, reversible data hiding(also called reversible watermarking ) in encrypted domain （RWHED） is an important research issue. Useful information can be embedded into an encrypted host-signal without any loss of host information. In practice, this technique could be applied for privacy protection and data security. In the literature, existing RWHED algorithms often applied stream encryption operations on image before data hiding. In such a way, the ciphertext can not be implemented with those algebraic operations which are important for cloud computing service. Towards practical cloud computing requirements on information hiding techniques, this research project aims at developing homomorphic encryption based reversible data hiding (HEBLDH) algorithms, and HEBLDH based data protection techniques. This research project is composed of three main components: 1) To design new HEBLDH model, to solve the problem that in existing stream encryption based reversible data hiding approaches algebraic operations are not able to be implemented on the ciphertext; 2)To develop new robust and reversible watermarking algorithms in encrypted domain for copyright protection of the decrypted host-signal; 3) To combine homomorphic encryption, robust watermarking and reversible watermarking techniques, to develop new HEBLDH strategies for privacy protection (with encryption operation), cloud computing services (with homomorphic properties of Paillier encryption system) and data security (with robust and reversible watermarking technique). The cryptographic algorithms are applied to an image to make the content invisible for untrusted parties. Paillier homomorphic encryption system is introduced so that the ciphtertext can be computed in the cloud. In the encrypted domain, the information bits are embedded into the ciphertext for copyright protection and integrity verification by applying reversible and robust watermarking techniques. The task of this research project is to try the best to solve several key issues of RWHED regarding privacy protection, homomorphic computing, copyright protection and integrity verification under some attacks. This research is useful in both academic science and engineering by developing and improving information hiding techniques in encrypted domain in both theoretical and practical ways.

加密域可逆数据隐藏技术可用于隐私保护和数据安全，是当前信息隐藏研究领域中的一个热点。当前的加密域可逆数据隐藏策略存在一定问题，且缺少适用于云计算的加密域可逆数据隐藏关键技术。本项目针对云计算下信息隐藏技术的应用前景，重点研究基于同态加密的可逆数据隐藏算法。主要内容包括：1）研究同态加密域可逆数字水印算法，解决当前基于流加密的可逆数据隐藏策略在加密后数据难以进行计算的问题；2）研究在同态加密域具有一定鲁棒性的可逆水印算法，解决数据在解密后的版权保护问题；3）结合同态加密、鲁棒水印和可逆水印等技术，研究新的加密域可逆数据隐藏策略，解决云环境下的隐私保护（加密）、云计算（同态）和数据安全（水印）等安全问题。通过研究，试图解决加密域数字水印技术在云端的计算、版权保护和完整性认证方面的几个关键问题，发展和完善基于同态加密的可逆数据隐藏理论，为信息隐藏技术做出理论上和方法上的贡献。

项目“同态加密域可逆数据隐藏新方法研究（编号：61772234）”得到了2017年度国家自然科学基金面上项目的资助，执行期限为：2018.01—2021.12。项目主要研究多媒体安全领域中加密域可逆数据隐藏的几个关键问题。自项目立项以来，项目组一直按照项目研究计划有序进行，分别对同态加密域可逆数据隐藏、保序加密下的可逆数据隐藏等关键问题进行了深入研究，提出了几个有意义的可逆数据隐藏方法。在同态加密域所提出的算法能在隐私得以保护的情况下用于媒体文件的版权保护和完整性认证，且允许第三方在云端对加密文件进行一定的同态操作，具有较好的应用前景；在保序加密域所提出的可逆数据隐藏方法可用于加密文件的完整性认证，在数据库的隐私保护和完整性认证上有应用前景。主要成果分别发表IEEE TCSVT、Signal Processing：Image Communication、IET Information Security、《计算机学报》和《软件学报》等国内外主流期刊上。..在项目的支持下，除了在加密域可逆数据隐藏新方法方面直接取得成果之外，还在相关研究方向明文域大容量可逆数据隐藏、可抗几何攻击的可逆鲁棒水印、音频隐写分析和视频活体检测等几个相关领域取得了一些好的成果。在大容量可逆水印方面，分别提出了基于CNN预测器和全包围背景复杂度计算的几个可逆数据隐藏新算法，相关成果分别在IEEE TPAMI、TCSVT、SPL等权威期刊上发表；通过使用Zernike不变矩和二级误差等作为鲁棒统计特征，所提出的可逆鲁棒水印方法在实现水印可逆的同时对常规信号处理和几何攻击具有很好的鲁棒性，特别是很好地解决了可逆鲁棒水印抗几何失真的关键问题，相关成果发表到IEEE TIP、Signal Processing等期刊上；在视频活体检测、音频隐写分析和彩色图像转换等方面也取得了一定突破，发表到Signal Processing：Image Communication、《计算机学报》和ICME2021等，其中在音频隐写分析方面的成果获第一届全国信息隐藏大赛（CIHC2019）中获音频组冠军。..在项目的支持下，主要发表相关学术论文22篇，其中IEEE会刊4篇；申请国家发明专利7件（已获批2件）；培养硕士18人，毕业9人；获CIHC2019第一届全国信息隐藏大赛音频组冠军等。各项指标均圆满完成了项目的预定要求。