密文域可逆信息隐藏安全性研究-从图像到视频

前言

随着云存储、云计算等新兴技术的兴起，海量的隐私信息被广泛地上传、存储到服务器上。为保证用户的隐私性，必须对用户的数据进行加密，然后再将其上传到服务器上。因此，密文域的可逆信息隐藏(reversible data hiding in encrypted images , RDHEI)技术越来越受大家的关注。近年来加密图像RDH技术在可逆性、隐藏容量、解密图像质量等方面取得了较多研究成果。以隐藏容量为例,从早期算法不足0.01bpp (bit per pixel),逐步提高至1 bpp和2bpp,接近或超过3bpp。而对算法的安全性研究被忽视，本期介绍博主及团队（西南交大和红杰教授团队，广州大学网络空间安全先进技术研究院，清华大学深圳研究院等）在RDH-EI安全性方面的研究。

在RDH-EI系统中，我们考虑云端云管理者是“诚实但好奇”的。具体地说，云管理者将会“诚实”的履行规定的云安全协议，在RDH-EI模型中即云管理者会“诚实”的对数据加密并隐藏。但是，云管理者或第三方攻击者会对接收到的密文集进行推断和分析从而了解更多信息，这是一种“好奇”。 基于云服务器以及攻击者可能获取的信息，我们考虑了以下两种情况：

情况1. 第三方攻击者窃取云服务器上的含密-加密图像，当攻击者拥有少量与含密-加密图像对应的明文时。利用得到的明-密文分析云服务器中的加密图像，并尝试估计部分加密秘钥，以解密其余的密文图像。

情况 2. 云管理者本身作为攻击者或第三方攻击者，对收集到的加密图像进行分析并破解部分加密秘钥，利用估计的加密秘钥解密用户上传的加密图像。

1、基于图像载体的RDH-EI算法安全性

数字图像载体分为位图（bmp、png、tiff格式）和JPEG格式图像。

a) 块调制-置乱加密的RDH-EI算法安全性研究

我们分析指出了基于块调制生成密文块以较高的概率保持差值块不变的特性，采用全零块替换[1]的方式实现对块置乱密钥的估计。在文献[2]（期刊：《IEEE Trans. Multimedia》）中，我们进一步提出了一种伪差值图像构建、差值块立方均值索引查找等关键策略的块置乱密钥快速估计方法，并指出现有基于压缩编码类RDH-EI算法含密-密文图像中的秘密信息易被攻击者删除。下图为用2对明-密文在2×2和3×2分块下估计秘钥，用估计的秘钥解密密文结果。

1. Lingfeng Qu(屈凌峰), Fan Chen, Shanjun Zhang et al. Cryptanalysis of reversible data hiding in encrypted images by block permutation and Co-Modulation. IEEE Transactions on Multimedia, 2022, 24 : 2924-2937.  (中科院1区top)
2. 屈凌峰, 和红杰, 陈帆, 张善俊. 基于块调制-置乱的图像加密算法安全性分析. 计算机研究与发展, 2021, 58(4):849-861.  

b) 块异或-置乱加密的RDH-EI算法安全性研究

在文献[3]（期刊：《IEEE Trans. Circuits Syst. Video Technol.》）中，我们定义图像块均值等价划分理论，提出一种基于有序等价划分的块置乱密钥估计算法，推导给出块置乱密钥估计正确率与块大小、有序等价集个数和图像块个数的关系。证明了BPCX加密在已知明文攻击条件下存在安全隐患。下图为使用2对-密文估计秘钥，用估计的秘钥解密密文结果。为直观显示秘钥估计精度与图像内容信息泄露之间的关系，使用相同的加密密钥生成“Peppers”的密文图像，解密结果如下图所示。

1. Lingfeng Qu(屈凌峰), Hongjie He and Fan Chen. On the security of block permutation and Co-XOR in reversible data hiding. IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology, 2022, 32(3):920-932.  (中科院1区top)

c) 冗余空间转移加密的RDH-EI算法安全性研究

针对冗余空间转移（RST）及其改进（IRST）加密算法提出几种已知明文攻击方法。我们从不同角度分析RST加密的安全性问题，从理论和实验角度证明了RST加密在KPA下不具备安全性。在文献[5]（期刊：《J. King Saud Univ.-Comput. Inf. Sci.》）中，我们分析了IRST加密算法三重置乱密钥的特性，证明了基于RST和IRST这一类加密算法生成的含密-加密图像中的秘密信息易被攻击者删除，在KPA下不具备安全性。分别用估计的块置乱序列和位平面置乱序列解密“Wine”的密文图像，解密图像如下图所示。下图中，(a)-(c)分别为分块大小为3×3、5×5和8×8分块大小下的解密结果，(d)-(f)为8×8分块大小下的解密结果局部放大图。

1. 陈帆, 屈凌峰, 原长琦等.基于有序等价划分的冗余空间转移图像加密安全性分析.电子学报,2021, 49(4):666-671.  
2. Lingfeng Qu(屈凌峰), Mohan Li, Yanbin Sun, et al. Security analysis of a reversible data hiding scheme in encrypted images by redundant space transfer. Journal of King Saud University - Computer and Information Sciences, 2024, 36(1): 101914.  (中科院2区)

2、基于视频载体的RDH-EI算法安全性

我们分析了基于HEVC目前加密语法元素最多、安全性能做好的视频选择加密在KPA下的安全性。 

HEVC编码视频流加密的RDH-EI安全性研究：

随着视频应用的不断增长，确保其安全性变得至关重要。选择性加密（SE）由于其与视频编解码器的兼容性、良好的视觉失真和较低的时间复杂度，在视频内容保护领域受到了极大的关注。然而，很少有研究考虑加密攻击下的SE安全性。为了填补这一空白，我们分析了SE方案加密比特流的安全问题，并提出了两种已知的明文攻击（KPA）。然后针对KPA提出了相应的防御措施。为了验证KPA的有效性，将其应用于在HEVC视频中攻击两种具有优异视觉退化的现有SE方案[6]。实验结果提供了充分的证据，证明两个现有的SE计划容易受到所提出的KPA的攻击。下图为仅利用一对明-密文估计密钥流得到文献[6]的解密结果。

1. Fei Peng, Xiang Zhang, Zixing Lin, and Min Long. A tunable selective encryption scheme for h. 265/hevc based on chroma ipm and coefficient scrambling. IEEE Trans. Circuits Syst. Video Technol., 30(8):2765–2780, 2019.
2. Chen Chen, Lingfeng Qu*(通信作者)，Hadi Amirpour, Xingjun Wang,Christian Timmerer, Zhihong Tian. On the Security of Selectively Encrypted HEVC Video Bitstreams. ACM Trans. Multimedia Comput. Commun, 2024. (CCF B)

附录：

其他的一些关于博主在RDH-EI安全性及信息隐藏方面的研究的文献如下（需要代码私信）：

1. Lingfeng Qu(屈凌峰), Fan Chen, Shanjun Zhang et al. Cryptanalysis of reversible data hiding in encrypted images by block permutation and Co-Modulation. IEEE Transactions on Multimedia, 2022, 24 : 2924-2937.  (中科院1区top)
2. Lingfeng Qu(屈凌峰), Hongjie He and Fan Chen. On the security of block permutation and Co-XOR in reversible data hiding. IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology, 2022, 32(3):920-932.  (中科院1区top)
3. Chen Chen, Lingfeng Qu*(通信作者)，Hadi Amirpour, Xingjun Wang,Christian Timmerer, Zhihong Tian. On the Security of Selectively Encrypted HEVC Video Bitstreams. ACM Trans. Multimedia Comput. Commun, 2024. (CCF B)
4. Xu Wang, Lingfeng Qu*(屈凌峰, 通信作者), Hao-Tian Wu, Yi Han and Zhihong Tian. Reversible image thumbnail preservation with high visual naturalness. IEEE Internet of Things Journal, 2024, doi: 10.1109/JIOT. 2024.3366328.  (中科院1区top)
5. Lingfeng Qu(屈凌峰), Hui Lu, Peng Chen, et al. Ring Co-XOR encryption based reversible data hiding for 3D mesh model. Signal Processing, 2024, 217: 109357.  (中科院2区)
6. Lingfeng Qu(屈凌峰), Mohan Li, Yanbin Sun, et al. Security analysis of a reversible data hiding scheme in encrypted images by redundant space transfer. Journal of King Saud University - Computer and Information Sciences, 2024, 36(1): 101914.  (中科院2区)
7. Lingfeng Qu(屈凌峰), Mohan Li, Peng Chen. Reversible data hiding in encrypted image with secure multi-party for telemedicine applications. Biomedical Signal Processing and Control, 2024, 93:106209.  (中科院2区)
8. Lingfeng Qu(屈凌峰), Hongjie He and Fan Chen. Security analysis of multiple permutation encryption adopt in reversible data hiding. Multimedia Tools and Applications, 2020, 79(39-40): 29451-29471.  (CCF C)
9. Lingfeng Qu(屈凌峰), Hongjie He and Fan Chen. Reversible data hiding in encrypted images based on prediction and adaptive classification scrambling. Computers, Materials & Continua, 2020, 65(3): 2623-2638.
10. Lingfeng Qu(屈凌峰), Hongjie He, Hadi Amirpour, et al. Cryptanalysis of a reversible data hiding scheme in encrypted images by improved redundant space transfer. 2023 IEEE International Conference on Visual Communications and Image Processing (VCIP), Jeju Island, South Korea, 2023. 
11. Lingfeng Qu(屈凌峰), Hadi Amirpour, Mohammad Ghanbari, et al. Secure reversible data hiding in encrypted images based on classification encryption difference. 2022 IEEE 24rd International Workshop on Multimedia Signal Processing (MMSP), 2022.  
12. Ningxiong Mao, Hongjie He, Fan Chen, Yuan Yuan, Lingfeng Qu(屈凌峰). Reversible data hiding of JPEG image based on adaptive frequency band length. IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology, 2023, 33(12):7212-7223.  (中科院1区top)
13. Fan Chen, Yuan Yuan, Yuyu Chen, Hongjie He, Lingfeng Qu(屈凌峰). Reversible data hiding scheme in encrypted-image based on prediction and compression coding. International Workshop on Digital Watermarking (IWDW), 216–229, 2018. 
14. Ningxiong Mao, Fan Chen, Shanjun Zhang, Hongjie He, Lingfeng Qu(屈凌峰). Reversible data hiding based on global adaptive pairing and optimal 2d mapping set [J]. Multimedia Tools and Applications, 2023, 82(7): 10553-10574.  (CCF C)
15. Ningxiong Mao, Hongjie He, Fan Chen, Lingfeng Qu(屈凌峰), et al. Reversible data hiding for color images based on pixel value order of overall process channel. Signal Processing, 2023, 205: 108865.  (中科院2区)
16. Yuan Yuan, Hongjie He, Fan Chen, Lingfeng Qu(屈凌峰). On the security of JPEG image encryption with RS pairs permutation. Journal of Information Security and Applications, 2024, 82: 103722. (中科院2区)
17. 屈凌峰, 和红杰, 陈帆, 张善俊. 基于块调制-置乱的图像加密算法安全性分析. 计算机研究与发展, 2021, 58(4):849-861. (中文CCF A)
18. 陈帆（导师）, 屈凌峰, 原长琦等.基于有序等价划分的冗余空间转移图像加密安全性分析.电子学报,2021, 49(4):666-671.  (中文CCF A)
19. 屈凌峰, 陈帆, 和红杰, 袁源. 基于位平面-块置乱的图像加密算法安全性分析.应用科学学报, 2019, 37(5): 631-642.  (全国信息隐藏大会推荐期刊) (中文核心)
20. 屈凌峰, 和红杰, 陈帆. 基于预测误差分类置乱的图像加密域可逆信息隐藏. 光电子·激光, 2019, 30(2):168-174.  (中文核心)
21. 罗雅婷，和红杰，陈帆，屈凌峰．基于非 0 比特个数特征的冗余转移图像加密安全性分析. 计算机研究与发展, 2022, 59(11): 2606-2617.  (中文CCF A)  

22. Amirpour H, Ghasempour M, Lingfeng Qu, et al. EVCA: Enhanced Video Complexity Analyzer[C]//Proceedings of the 15th ACM Multimedia Systems Conference. 2024: 285-291.