密文域可逆信息隐藏技术综述(上)

加密图像可逆信息隐藏是一种加密原始图像后,在密文图像中可逆地隐藏附加数据,并且在数据提取后,原始图像可以被无损重建的技术。RDH-EI的分类如图1所示。

按对图像的加密方法,现有RDH-EI算法可分为对称加密域和非对称(公钥)加密域可逆信息隐藏两大类。

基于公钥加密系统的RDH-EI算法利用加密算法的同态性隐藏信息,或利用加密算法引入信息冗余,为信息隐藏创造空间。2014年,Chen等在文献1中首次提出了基于Paillier同态加密的RDH-EI算法,该算法具有较高信息嵌入率。2015年,Shiu2等对文献1算法进行改进,通过引入传统RDH算法中基于差分扩展(difference expansion, DE)的信息隐藏方法降低计算复杂度。2016年,Zhang等提出了基于Paillier和Damgard-Jurik(Paillier改进算法)同态加密的RDH-EI算法3,该算法基于湿纸编码(wet paper coding)和直方图收缩在加密图像中嵌入秘密信息,接收者若有隐藏密钥,可以从含密的加密图像中提取部分秘密信息,若接收者还有加密密钥,可以在图像解密后提取余下秘密信息并无损恢复原始图像。基于Paillier同态加密的RDH-EI算法还有文献4-8。其中,文献4基于像素值扩展(value expansion)隐藏秘密信息;文献5先对原始图像进行信号能量转换操作,i.e.,将原始图像的每个像素表示为三部分之和,然后利用Paillier同态加密算法加密能量转换后的信号,生成加密图像,通过操作加密信号隐藏秘密信息,该算法的特点是直接解密图像与原始图像一致,无需进行原始图像重建操作;文献6在加密前选择部分像素作为目标像素,基于DE的方法将目标像素的各比特嵌入其他像素,为信息隐藏留出空间;文献7对加密图像进行小波变换,秘密信息被嵌入高频子带中;文献8利用加密域的乘法同态性进行直方图扩展,基于加密域的加法同态性进行直方图平移(Histogram shifting, HS)隐藏秘密信息。除了基于Paillier同态加密的RDH-EI算法,还有基于mod 256同态加密的RDH-EI算法9-11。其中,文献9基于差分直方图平移(difference histogram shifting, DHS)在密文图像中隐藏秘密信息;文献10在图像加密前对原始像素分组,计算并保存每组像素的均值,用于秘密信息提取和原始图像重建;文献11基于像素值排序(pixel value ordering, PVO)(实质是预测误差直方图平移)在密文图像中隐藏秘密信息。上述RDH-EI算法1-11采用的图像加密算法只满足半同态性(加同态或乘同态),利用同态加密的明文值与密文值对应,允许对密文进行算数运算的性质6隐藏秘密信息。2016年,张敏情等提出基于全同态加密加密算法(R-)LWE的RDH-EI算法12,13,利用(R-)LWE加密算法引入信息冗余从而进行信息隐藏。

基于对称加密系统的RDH-EI算法一般采用流密码加密图像,利用图像的空间相关性重建原始图像。根据信息提取与图像解密恢复是否独立,基于对称加密系统的RDH-EI算法又可分为联合RDH-EI和可分离RDH-EI两类。

联合RDH-EI中,接收者首先根据加密密钥解密密文图像,再根据信息隐藏密钥提取隐藏的秘密信息,同时恢复原始图像。2011年,Zhang在文献14中首次提出加密图像可逆信息隐藏,用户基于加密密钥按位异或(bitwise XOR)加密原始图像,信息隐藏者将加密图像分为大小相等的图像块,根据隐藏密钥翻转图像块中一半像素的3 LSB(Least significant bit)嵌入1比特秘密信息,接收者收到含密加密图像后,利用加密密钥可得到与原始图像相似的解密图像。根据隐藏密钥,接收者利用一个波动函数计算像素的波动值,从解密图像中提取秘密信息同时恢复原始图像。由于每个图像块中只能隐藏1比特秘密信息,所以该算法信息嵌入率低,此外,该算法中的波动函数准确性不高使得信息提取和图像恢复出现错误。2012年,Hong等对文献14中的波动函数和图像块恢复顺序进行改进,提出了基于边匹配的改进算法15,相较于文献14,该改进算法充分利用了图像块边缘像素的相关性,降低了信息提取错误率。其后,研究者从降低秘密信息提取错误率的角度对文献14中的波动函数进行改进,提出了多种改进联合RDH-EI算法16-20。2016年,Zhang等对文献14的信息隐藏方法和波动函数进行进一步改进,提出基于交换/位移(swapping/shifting)的改进联合RDH-EI算法21,该算法基于数据交换和循环位移(data swapping and cyclic shifting)实现三层信息隐藏隐藏,在降低信息提取错误率的同时显著提高了信息嵌入率。2016年,Zhou等提出一种基于密钥调制的RDH-EI算法22,基于公钥调制机制在XOR加密的图像中嵌入秘密信息,该算法无需隐藏密钥,为密钥管理提供了方便。

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