密文域可逆信息隐藏研究进展及技术难点分析

密文域可逆信息隐藏技术融合了加密技术和信息隐藏技术的双重优势,旨在实现公开信道上数据内容的隐私保护和信息的可逆嵌入功能,以应对云环境下日益复杂的用户应用需求。本文从密态数据管理、情报隐蔽通信、军事协同作战、技术融合创新4个应用场景分析密文域可逆信息隐藏的研究价值,根据信息嵌入与数据加密的操作关系对密文域可逆信息隐藏分类,对不同嵌入框架下的技术发展进行阐述和总结。同时,从嵌入性能提升、可分离性实现、图像的加密安全性、满足云环境下的应用需求4个方面对密文域可逆信息隐藏的技术难点进行剖析,并对后续研究方向进行分析和展望。     

加密域的可分离四进制可逆信息隐藏算法

针对当前加密域可逆信息隐藏技术可分离性差,载体恢复存在较大失真的问题,提出了一种可分离的加密域可逆信息隐藏方案。在对偶LWE(learning with errors)公钥密码算法加密过程中对密文冗余进行再编码,通过对加密域冗余区间的重量化,可以在密文冗余中嵌入四进制数构成的秘密信息。嵌入信息后,使用隐写密钥可以有效提取隐藏信息,使用解密密钥可以无差错恢复出加密前数据,提取过程与解密过程可分离。理论推导论证了信息提取与嵌入后明文直接解密的可分离性与结果的正确性。仿真实验结果表明与现有算法相比,所提方案在实现加密域的可分离可逆信息隐藏的基础上充分保证了嵌入后的明文解密的可逆性,并有效提高了嵌入负载。方案的实现与原始载体种类无关,适用性较强。     

基于纠错码的密文域鲁棒可逆信息隐藏

针对目前密文域可逆信息隐藏(reversible data hiding in encrypted domain,RDH-ED)存在嵌入容量较低、鲁棒性差的技术难点,提出一种基于纠错码的密文域鲁棒可逆信息隐藏方法。使用纠错码对低位信息进行编码,然后构造错误图样以嵌入信息。纠错码编码会在原有的图像信息基础上增加监督码元,利用对载体图片像素的高比特位信息进行无损压缩来节余空间,以应对编码后的载体数据量扩展的问题。对于高比特位与低比特位,分别使用不同的加密算法加密,用以保证算法的解密与消息提取的可分离。将图像分块使用投票原则,提高了算法的鲁棒性。在接收端,使用校验矩阵可以准确提取消息,利用纠错码的纠错特性可以实现算法可逆。实验证明,该算法可分离且嵌入率较高,实现了载体完全可逆恢复,具体较好的鲁棒性。     

基于直方图平移的安全可逆信息隐藏算法

可逆信息隐藏技术可以在提取隐藏的秘密信息之后完全恢复原始的载体信息,具有重要的理论意义和广阔的应用前景。基于直方图平移的可逆信息隐藏技术需要额外传送一部分信息,会带来较大的通信负担和安全隐患。通过对载体图像进行分块,并引入密钥,提出了一种基于直方图平移的安全可逆信息隐藏算法,不需要单独传送任何额外信息就能实现秘密信息提取和原始载体的无损恢复。能够有效弥补传统算法的缺陷,降低通信负担,同时具有较高的安全性。理论分析和实验仿真表明该算法具有较好的实用性能。     

图像可逆数据隐藏技术研究综述

可逆数据隐藏技术不仅能从嵌入数据后的载体中完整地提取嵌入的秘密数据,而且能无损地恢复原始载体,这在诸如医学图像、遥感图像等特殊的应用领域非常实用,已成为多媒体安全领域的研究热点。本文以数字图像为载体,首先对信息隐藏技术的分类、应用和特性与可逆数据隐藏技术的基本框架和性能评估进行简要描述。其次,对基于差值扩展、直方图平移、预测误差扩展、像素值排序和插值技术等五种典型的可逆数据隐藏技术分别进行了介绍和讨论,给出了每种典型技术的嵌入和提取过程。最后,对可逆数据隐藏技术未来的研究趋势进行了展望。     

基于插值图像的可逆信息隐藏算法

为了提高可逆信息隐藏算法的容量,提出一种基于插值图像的可逆信息隐藏算法。将原始图像用最近邻插值算法放大,以放大后的图像作为载体图像进行隐藏。计算插值像素与相邻两个原始像素均值的差值,根据差值控制嵌入秘密信息的位数,根据秘密信息的数值修改插值像素实现秘密信息的隐藏。接收方提取秘密信息后,可对载密图像下采样恢复出载体图像,实现可逆信息隐藏。实验表明提出的算法可实现较大容量的信息隐藏,同时,在相同隐藏容量的情况下,具有较好的视觉效果。     

基于排序码分多址的密文域可逆信息隐藏

为解决图像密文域可逆信息隐藏嵌入容量小的问题,通过使用码分多址的方法研究了密文域可逆信息隐藏,提出了利用排序码分多址的方法嵌入秘密信息。首先对图像进行置乱加密。然后对加密后的图像按列进行升序排列并记录排序索引。最后,使用码分多址的嵌入序列对秘密信息进行扩频编码;而后嵌入至载体图像,嵌入后再利用排序索引进行逆排序,得到携密图像。利用码分多址嵌入序列的正交特性,实现秘密信息的多层嵌入。通过仿真实验表明,算法的密文域可逆信息隐藏嵌入容量显著提高,消除了使用码分多址嵌入时图像纹理复杂度对嵌入容量的影响。     

基于二叉树标记与码分复用的密文域图像可逆信息隐藏

针对当前密文域可逆信息隐藏中嵌入容量不高的问题,结合码分复用的特性,提出了一种基于二叉树标记的密文域可逆信息隐藏优化方案,首先利用梯度下降的预测方法在图像加密前获取冗余空间,然后借助参数二叉树标记的方法对像素进行分类,最后利用码分复用的正交特性将重要的辅助信息嵌入密文图像中。经仿真实验验证:该算法同时具有可逆性与可分离性,嵌入率可高达到3.473 bpp,与现有的基于二叉树标记的密文域可逆信息隐藏的方法相比,有效提高了密文域可逆信息隐藏算法的嵌入容量。。     

一种基于余数嵌入的隐写算法

针对最低有效位嵌入数值的方法存在的缺点,设计一种新的数值嵌入方法——基于余数的嵌入法.该嵌入法根据余数映射表将载体数值的余数修改为某一区域内的随机值,同时修改载体数值的商,使得载体值在嵌入信息前后接近.映射表可自由设计,使得嵌入更加灵活和安全.与此同时,鉴于现有隐写算法多在离散余弦变换域隐藏信息、隐藏区域缺乏可变性的缺点,构造出在小波域内使用余数嵌入法的隐写算法.实验证明,当余数映射表的长度不太大时,该隐写算法具有很好的隐蔽性和安全性.     

基于图像插值和参考矩阵的可逆信息隐藏算法

本文提出一种基于插值技术和参考矩阵的可逆信息隐藏算法。该算法首先用一种改进的线性插值方法对载体图像进行插值,生成一幅插值图像;然后对插值图像进行不重叠分块,分块大小为2×2,在每个分块中以左上角的像素值作为平面坐标点的横坐标,其他像素值作为纵坐标构造3个坐标点并将其映射到参考矩阵中;最后根据秘密信息的十进制值和参考矩阵中相应坐标点的值来修改纵坐标以实现信息隐藏。在提取秘密信息时,通过信息隐藏时相同方法构造每个分块的3个坐标点并映射到参考矩阵中获取相应坐标点处的值完成秘密信息的提取。由于信息隐藏过程仅修改插值像素,原始像素保持不变,因此可无损还原载体图像。大量实验结果表明,该算法具有较大的信息隐藏容量和较好的视觉效果。     

基于像素值排序最值阶跃响应的可逆信息隐藏

针对现有明文域可逆信息隐藏方案对于单个像素值修改过程中仅嵌入单比特秘密信息,提出一个基于像素排序值(pixel value ordering,PVO)阶跃响应的可逆信息隐藏方案。PVO对像素块排序后的最值进行预测和修改实现秘密信息的可逆嵌入,具有高保真的特性。利用PVO后的参考像素来确定高保真阶跃修改量,然后通过阶跃处理进行块内冗余像素的选择,最终通过排序序列与像素位置的映射关系来实现信息的嵌入。方案每修改单个像素值信息能够实现多比特秘密信息的嵌入,并且由像素排序确定得到的阶跃修改量能够保证信息提取后图像的无损恢复。经仿真实验验证,在达到同样嵌入容量要求条件下,研究结果较先前基于预测扩展处理的像素值排序方案能够大幅减少像素修改的数量,并且低负载条件下峰值信噪比性能指标得到显著提升。     

基于自适应直方图修改的网格可逆信息隐藏

可逆信息隐藏是一种特殊的信息隐藏技术, 在医学、军事和法律等领域具有重要的应用价值.本文提出一种基于自适应直方图修改的网格可逆信息隐藏算法. 首先, 利用模型形状的局部相似性, 预测顶点位置以获得预测误差序列, 构造陡峭的预测误差直方图. 然后, 根据直方图的分布特点, 直接使用嵌入区域内两组指定的预测误差来嵌入秘密信息,减少了辅助信息的传输. 最后, 为减少模型失真, 根据载荷大小自适应地选取合适的嵌入区域, 有效避免对预测误差过多移动. 实验结果表明, 本文提出的算法在小容量嵌入时能保持较高的视觉质量, 适用于高保真的网格可逆信息隐藏.     

基于相邻像素相似性的可逆信息隐藏算法

在基于相邻两像素差值的无损数据隐藏算法的基础上,提出基于相邻像素相似性的可逆信息隐藏算法,并进行实例验证。该算法用希尔伯特曲线扫描载体图像得到载体图像一维序列,先从第一个像素开始将序列分成不相交的包含两个像素的连续组,选择组元素相等的组嵌入信息,其它组作一定的修改以避免数据的重叠,然后从修改后序列的第二个像素开始分组进行同样的操作。该算法隐藏容量大,具有较好的视觉效果。     

基于NTRU的密文域可逆信息隐藏算法

NTRU (number theory research unit)具有抗量子计算攻击、加解密速度快、安全性高的特点,非常适合用于无线保密数据网、认证系统等业务。结合可逆信息隐藏技术,提出了一种基于NTRU的密文域可逆信息隐藏算法。首先利用差值扩展算法完成对图像像素的预处理;然后使用NTRU算法对图像像素进行加密,利用NTRU算法的加法同态性质在密文中嵌入信息,嵌入的信息得到NTRU算法加密的安全性理论保证;解密与信息提取后,利用差值扩展算法的特点可逆恢复出图像像素。采用图像的直方图及方差、信息熵、相邻像素的相关性等统计学方法,论证了在密文中嵌入信息的不可感知性。仿真实验结果表明：该算法既能实现嵌入信息后密文的正确解密,又能无损提取秘密信息,平均嵌入率可达到0.5 bpp (bit per pixel)。     

基于图像插值技术的可逆数据隐藏算法

针对现有基于插值技术可逆数据隐藏算法具有较高的隐藏容量,但隐秘图像质量不是很高问题的问题,提出一种新的大容量图像可逆数据隐藏算法。首先对输入图像进行插值处理生成载体图像,然后对载体图像进行重叠分块并计算分块中每一个非基准像素能隐藏的数据量,最后采用自适应的方法隐藏秘密数据。在Kodak图像集上的实验结果表明,本文算法能完整地提取隐藏的秘密数据和不会出现像素溢出现象;与相似的算法相比,该算法的秘密数据隐藏容量平均提升了约98%,隐秘图像质量平均提升了约6%。     

基于秘密共享的同态加密图像可逆信息隐藏算法

为了利用秘密共享在隐私保护中的独特优势,通过Shamir门限秘密共享的方法研究了加密域可逆信息隐藏。首先用Shamir秘密共享体制对图像加密,然后利用Shamir秘密共享体制的加法同态特性嵌入信息。仿真实验结果表明:本文算法比使用Paillier密码体制的同类算法有较低的时间复杂度;当持有足够的份额,就可以完成原始图像的可逆恢复,实现了在加密域可逆信息隐藏中的秘密共享;所提算法平均最大嵌入率为0.498 bpp (bit per pixel)。     

一种基于YUV空间的DCT彩色图像信息隐藏算法

信息隐藏作为一种信息安全技术已经得到越来越多的关注和研究,但是实用的彩色图像信息隐藏技术不多。文中充分考虑到人类视觉系统对彩色细节的分辩能力远比对亮度细节的分辩能力低的特点,采用JPEG2000推荐的可逆彩色变换RCT在YUV彩色空间,将秘密信息嵌入到载体彩色图像的V分量的中频DCT系数中。实验证明,该算法对几何裁剪,叠加噪声,滤波以及JPEG压缩等攻击具有较好的鲁棒性。     

基于直方图平移的加密域可逆水印算法

为了能保证载体所有者隐私的安全性和原始载体图像的完整性,提出了一种在加密域中进行直方图平移的可逆水印算法.该算法首先对原始载体图像和数字水印进行加密,然后利用直方图平移的方法进行加密水印的嵌入和提取,保证在数字水印的嵌入和提取过程中不会影响到原始载体图像,并具有隐私保护的功能.实验结果表明,该算法能够在加密域中直接进行加密数字水印的嵌入和提取,提高了直接解密图像的峰值信噪比,确保了可逆隐藏的安全性.     

一种有效的图像密写算法

信息隐藏是在不影响载体数据可用性的前提下,将秘密信息隐藏在诸如图像、视频和语音信号等数字多媒体中的一种信息安全技术。提出一种基于变换域容量较大的数字图像密写算法,算法首先将图像在空域进行解相关,之后在变换域进行信息嵌入。通过对图像的解相关可以大大增加变换域的可用系数,也就相应增加了可嵌入的信息量。实验结果表明,算法在达到最大的嵌入信息量时,不但可以保持较高的密写图像质量,而且对于信息量估计法、RS分析法以及Jeremiah提出的直方图分析法都具有很好的抵抗性。     

基于AVS音频编码的信息隐藏方法

提出了一种基于AVS音频编码的信息隐藏方法.该方法基于AVS独特的量化与位平面编码模块,使用位平面嵌入与比例因子修改技术,可以有效降低编码器码率控制对信息隐藏效果的不利影响,而且不使数据载体音质受到破坏.在量化过程中实施信息的嵌入,嵌入过程中主动修改比例因子以降低量化噪声.将隐藏信息进行矢量分组与位平面处理,进而在量化过程中将其嵌入到量化频谱中.仿真结果证明：该方法可以有效降低编码器码率控制对信息隐藏效果的不利影响,且嵌入隐藏信息后AVS音质也无明显损失.