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,Shiu[2]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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