面向隱私保護(hù)的數(shù)字圖像隱寫方法研究.pdf

1、隨著云計(jì)算的不斷普及，信息安全問題越來越嚴(yán)峻，隱私保護(hù)需求越來越強(qiáng)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(duì)信息安全的擔(dān)憂。作為信息安全中重要的研究?jī)?nèi)容之一，隱寫術(shù)在保護(hù)秘密信息內(nèi)容的同時(shí)隱藏秘密信息存在的事實(shí)本身，也越來越被人們所關(guān)注，和密碼學(xué)一起被并稱為間諜秘籍家族的一對(duì)堂兄弟。任何多媒體信號(hào)，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(zhì)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(guó)新聞就曾報(bào)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(guān)恐怖襲擊的重要信息。近期，美國(guó)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(biāo)題的照片，引發(fā)了有關(guān)圖像隱秘通信的廣泛關(guān)注和討論。而在科學(xué)研究方面，隨著網(wǎng)絡(luò)和多媒體技術(shù)的發(fā)展，越來越多的信息采用圖像的形式進(jìn)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(gè)重要的研究領(lǐng)域。
　　隨著大數(shù)據(jù)的興

3、起和云計(jì)算的推廣，用戶對(duì)云數(shù)據(jù)安全性及隱私性的強(qiáng)烈需求推動(dòng)了云環(huán)境下加密算法的廣泛應(yīng)用和密文信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，也對(duì)圖像隱寫提出了新的挑戰(zhàn)。面向隱私保護(hù)的數(shù)字圖像隱寫不僅是新興研究熱點(diǎn)，而且是云環(huán)境下受隱私保護(hù)應(yīng)用需求強(qiáng)烈驅(qū)動(dòng)的研究點(diǎn)，是信息隱藏、密碼學(xué)和信號(hào)處理等多學(xué)科交叉的研究點(diǎn)。
　　本文聚焦于面向隱私保護(hù)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(shù)研究歷史和現(xiàn)狀，分析了在面向隱私保護(hù)的應(yīng)用需求時(shí)當(dāng)前隱

4、寫方法存在的問題和不足，重點(diǎn)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(jié)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(wù)的推廣、數(shù)據(jù)安全性保護(hù)需求的日益強(qiáng)烈，加密算法被廣泛用于保護(hù)用戶的數(shù)據(jù)安全性和隱私性，同時(shí)對(duì)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(dǎo)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(dāng)前已有的圖像密文域可逆隱寫算法均將創(chuàng)新重點(diǎn)放在可逆數(shù)據(jù)嵌入，而圖像加密部分卻大都應(yīng)用個(gè)別簡(jiǎn)單加密算法（如采用流密碼進(jìn)行位異或運(yùn)算加密）。針對(duì)該問題，本文提出了基于多粒度劃分的輕量級(jí)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(yīng)用擾亂技術(shù)分別進(jìn)行粗粒度加密（在全圖以塊為單位擾亂）和細(xì)粒度加密（在塊內(nèi)以像素為單位擾亂），實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明此算法計(jì)算簡(jiǎn)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(jì)特性，適用于RSEI領(lǐng)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(dǎo)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(nèi)容隱私性。而當(dāng)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(zhì)量均欠佳等各種弱點(diǎn)。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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法不僅成功實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)提取與內(nèi)容解密完全分離，且與同類算法相比，具有運(yùn)算簡(jiǎn)單高效、隱寫質(zhì)量好載荷高且零誤差等優(yōu)點(diǎn)。
　　C.基于MGE加密，我們進(jìn)一步提出了基于塊平滑度評(píng)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(shí)現(xiàn)零誤差高載荷的同時(shí)進(jìn)一步提高了非滿載情

8、況下的隱寫質(zhì)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(biāo)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(cè)到的失真或者畸變。然而，隱藏質(zhì)量和隱藏載荷二者往往是此消彼長(zhǎng)互相矛盾的，因此人們一般根據(jù)不同的應(yīng)用需求而有所權(quán)衡和側(cè)重。針對(duì)以往圖像隱寫算法更多側(cè)重于隱寫質(zhì)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(hù)的應(yīng)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(yīng)最優(yōu)化參