基于门限秘密共享的密文图像可逆数据隐藏

密文图像可逆信息隐藏(Reversible Data Hiding in Encrypted Images, RDHEI)是图像云存储的一种重要技术，它可在保护图像机密性的同时，可逆地在图像中嵌入额外的数据。传统的方案大多是对一个明文图像加密，得到一个密文图像。但是，如果该密文图像丢失或被恶意损坏，将无法恢复原始图像。另一方面，图像的安全性由一方决定，相比于多方共同决定的方式，安全性较低。一个好的解决方案是利用门限机制将图像分散存储到多个服务器上。这样，即使一台或者多台机器被攻破，仍可通过其它的分存图像来恢复原始图像。同时，只有获得满足门限要求数目的分存图像，才能恢复原始图像，提高了图像的安全性。

针对秘密图像的分布式云存储场景，本研究组先后提出两项工作，均为多数据隐藏器的(r, n)-阈值RDHEI方案。内容所有者将图像加密成n个密文图像，并将其外包给n个数据隐藏者。每个数据隐藏者都可在密文图像中嵌入数据，例如版权和身份信息，用于存储、管理或其他处理，这些数据也可以无损地提取。授权的接收方可以从r份密文图像中恢复出机密图像。

工作一提出一个(r, n)-阈值的RDHEI方案CFSS-RDHEI。在方法实现上，利用AES加密标准的密码反馈策略，提出一种密码反馈秘密共享(Cipher-Feedback Secret Sharing, CFSS)技术进行图像加密；采用多MSB预测方法进行秘密数据嵌入。内容所有者首先根据预测精度确定最优预测层数；然后生成用以恢复图像多个MSB位面的辅助信息；再利用CFSS将最终辅助信息和图像的多个LSB位面分别加密成若干份；在将每份最终辅助信息嵌入到相应的一份密文图像中后，将获得n份尺寸减小的密文图像。内容所有者将n份密文图像分发给n个数据隐藏者，每个数据隐藏者可以通过读取密文图像固定位置的信息，获得图像空闲空间的位置，来嵌入额外数据。

图1 CFSS-RDHEI方案框图

工作二提出一个(r, n)-阈值的RDHEI方案MSS-RDHEI。在方法实现上，利用矩阵理论和密码反馈机制，设计了一个基于(r, n)-阈值矩阵的秘密共享(Matrix-based Secret Sharing, MSS)技术进行图像加密，并从理论上验证了其有效性和安全性；采用一种高效的块误差混合编码(Block Error Mixture Encoding, BEME)方法对密文图像进行编码腾出空间。在该方案中，内容所有者将原始图像分块加密，得到n个与原始图像等大的密文图像，并将其外包给n个数据隐藏者。每个数据隐藏者将密文图像分块，通过BEME，对非块首像素的预测误差进行编码压缩，可以充分利用密文图像中的像素冗余，为数据嵌入腾出较大空间。

图2 MSS-RDHEI方案框图

在以上两项研究工作中，数据提取和图像恢复过程均为可分离的。接收方可以从标记的密文图像中提取嵌入的数据，或者使用相关的密钥从r个标记的密文图像中重建原始图像。性能评估表明，与现有的基于秘密共享的RDHEI方案相比，CFSS-RDHEI和MSS-RDHEI方案均具有更高的嵌入率，同时保护效果更好。此外，CFSS-RDHEI方案生成的密文图像尺寸更小，仅为原始图像大小的1/(r-1)。

论文信息

研究工作一的论文[1]已被 IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology录用，作者为哈尔滨工业大学（深圳）花忠云、王彦翔、贾小华，西南政法大学易爽和澳门大学周怡聰。

研究工作二的论文[2]已被 IEEE Transactions on Dependable and Secure Computing录用，作者为哈尔滨工业大学（深圳）花忠云、王彦翔、郑宜峰、刘星雨、陈勇勇，西南政法大学易爽和复旦大学张新鹏。

[1] Zhongyun Hua, Yanxiang Wang, Shuang Yi, Yicong Zhou and Xiaohua Jia. "Reversible Data Hiding in Encrypted Images Using Cipher-Feedback Secret Sharing". IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology, vol. 32, no. 8, pp. 4968-4982, Aug. 2022, doi: 10.1109/TCSVT.2022.3140974.

[2] Zhongyun Hua, Yanxiang Wang, Shuang Yi, Yifeng Zheng, Xingyu Liu, Yongyong Chen and Xinpeng Zhang. "Matrix-Based Secret Sharing for Reversible Data Hiding in Encrypted Images". IEEE Transactions on Dependable and Secure Computing, 2022, doi: 10.1109/TDSC.2022.3218570.

供稿：刘星雨、花忠云，哈尔滨工业大学（深圳）计算机科学与技术学院

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