面向隱私保護的數(shù)字圖像隱寫方法研究.pdf

1、隨著云計算的不斷普及，信息安全問題越來越嚴峻，隱私保護需求越來越強烈。近年來，隱私數(shù)據(jù)的泄露和濫用的事件屢見不鮮，更是加劇了人們對信息安全的擔憂。作為信息安全中重要的研究內容之一，隱寫術在保護秘密信息內容的同時隱藏秘密信息存在的事實本身，也越來越被人們所關注，和密碼學一起被并稱為間諜秘籍家族的一對堂兄弟。任何多媒體信號，文字、聲音、圖像與視頻等均可作為載體嵌入信息。其中靜態(tài)圖像因其常見、易得且編碼方法多、冗余空間充足等性質成為使用最多的

2、隱寫載體。例如早在“911事件”發(fā)生半年之前，美國新聞就曾報道了恐怖分子通過某些公開網(wǎng)站的數(shù)字圖像隱蔽傳輸有關恐怖襲擊的重要信息。近期，美國CIA前雇員、“棱鏡”曝光者愛德華·斯諾登的女友米爾斯上傳一系列配有隱晦標題的照片，引發(fā)了有關圖像隱秘通信的廣泛關注和討論。而在科學研究方面，隨著網(wǎng)絡和多媒體技術的發(fā)展，越來越多的信息采用圖像的形式進行保存或傳輸，以圖像為載體的數(shù)據(jù)隱寫及隱寫分析逐漸成為一個重要的研究領域。
　　隨著大數(shù)據(jù)的興

3、起和云計算的推廣，用戶對云數(shù)據(jù)安全性及隱私性的強烈需求推動了云環(huán)境下加密算法的廣泛應用和密文信號處理技術的發(fā)展，也對圖像隱寫提出了新的挑戰(zhàn)。面向隱私保護的數(shù)字圖像隱寫不僅是新興研究熱點，而且是云環(huán)境下受隱私保護應用需求強烈驅動的研究點，是信息隱藏、密碼學和信號處理等多學科交叉的研究點。
　　本文聚焦于面向隱私保護的以數(shù)字圖像為載體的數(shù)據(jù)隱寫研究，梳理了以數(shù)字圖像為載體的隱寫技術研究歷史和現(xiàn)狀，分析了在面向隱私保護的應用需求時當前隱

4、寫方法存在的問題和不足，重點研究了圖像密文域可逆隱寫和圖像空間域大容量隱寫兩類方法。主要工作總結如下。
　　1)在圖像密文域可逆隱寫(Reversible Steganography in Encrypted Image,RSEI)方面隨著云服務的推廣、數(shù)據(jù)安全性保護需求的日益強烈，加密算法被廣泛用于保護用戶的數(shù)據(jù)安全性和隱私性，同時對數(shù)字圖像中的可逆隱寫提出了新的挑戰(zhàn):圖像數(shù)據(jù)變成密文后喪失了原有數(shù)據(jù)特性，導致目前絕大多數(shù)非密文

5、域可逆隱寫算法在密文域失效?；诖?，本文首先聚焦于圖像密文域可逆隱寫，主要研究工作和成果如下。
　　A.當前已有的圖像密文域可逆隱寫算法均將創(chuàng)新重點放在可逆數(shù)據(jù)嵌入，而圖像加密部分卻大都應用個別簡單加密算法（如采用流密碼進行位異或運算加密）。針對該問題，本文提出了基于多粒度劃分的輕量級多粒度圖像加密算法(Multi-granularity Encryption for Image，MGE)，先將圖像劃分為大小相等且不重疊的圖像塊，

6、然后應用擾亂技術分別進行粗粒度加密（在全圖以塊為單位擾亂）和細粒度加密（在塊內以像素為單位擾亂），實驗結果表明此算法計算簡單，加密效果好，更重要的是能夠保持圖像局部特征以及直方圖統(tǒng)計特性，適用于RSEI領域。
　　B.已有圖像密文域可逆隱寫研究中數(shù)據(jù)提取和圖像解密常常相互依賴，即只有先將圖像解密之后才能提取所嵌入數(shù)據(jù)，這導致?lián)碛袛?shù)據(jù)提取密鑰而沒有圖像解密密鑰的合法接收方無法正確提取數(shù)據(jù)而數(shù)據(jù)提取必然威脅載體內容隱私性。而當前研究中

7、能夠解決該問題的算法往往存在隱寫載荷和隱寫質量均欠佳等各種弱點。為了全面改善該問題，本文提出了基于MGE及差值直方圖漂移的可分離圖像密文域可逆隱寫方法，實驗結果表明該方法不僅成功實現(xiàn)了數(shù)據(jù)提取與內容解密完全分離，且與同類算法相比，具有運算簡單高效、隱寫質量好載荷高且零誤差等優(yōu)點。
　　C.基于MGE加密，我們進一步提出了基于塊平滑度評估、排序及局部直方圖雙向修改的圖像密文域可逆隱寫算法，在實現(xiàn)零誤差高載荷的同時進一步提高了非滿載情

8、況下的隱寫質量。
　　2)在圖像空間域大容量隱寫方面信息隱藏算法的終極目標是嵌入盡可能多的秘密信息而不向宿主載體中引入任何可檢測到的失真或者畸變。然而，隱藏質量和隱藏載荷二者往往是此消彼長互相矛盾的，因此人們一般根據(jù)不同的應用需求而有所權衡和側重。針對以往圖像隱寫算法更多側重于隱寫質量而往往隱寫載荷不高，難以滿足大數(shù)據(jù)背景下隱私保護的應用需求問題，研究了圖像空間域大容量隱寫，提出了以下算法。
　　D.提出了基于自適應最優(yōu)化參