多媒体信息安全问题研究前瞻 - 密文域信号处理

张新鹏
2015年11月1日，15：00-16：30

密文图像压缩

信号处理与数据加密：

• 传统方式，处理与加密分离

为什么要进行密文域信号处理：

• 云与大数据时代的要求
  -· 加密与处理结合（信源加密原始信号，处理者在加密域进行处理，信宿解密即得信号，在不知道信号内容的条件下提供处理的服务）
• 加密-> 压缩，处理，计算 -> 解密

意义：
云计算，多媒体内容安全服务提供核心技术支撑
学术意义：联接了密码学，信号处理两个领域，对加密与处理提出了新的要求，构建加密信号处理的理论基础

研究内容：

• 密文域信号变换
• 密文信号压缩
• 密文域内容检索
• 密文域信息隐藏

加密的主要方式：

• 基于部分加密： 安全性低，处理容易
• 基于对称加密，安全性高，处理容易但是受限（信息冗余）
• 基于同态加密，安全性高，处理复杂度高

密文图像压缩
参与方：

• 内容所有者：加密图像
• 信道提供者（无密钥）：降低数据量
• 接受者（有密钥）： 重建明文图像
  加密图像的无损压缩：原理类似于分布式信源编码

置乱加密图像的有损压缩

• 内容所有者：置乱加密图像
• 信道提供者：正交变换，量化压缩，去除粗糙信号和精细信息
• 接受者：迭代重建图像
  图像重建
  恢复像素位置
  estimate other pixels as the values of the first part nearest to them
  问题： 仍然会有信息泄露，只是打乱了像素位置，解决办法如下：

加密图像可伸缩编码
内容所有者： 模256加密，安全性更好
Hadamard变换（加减运算），量化压缩
重建分辨率依赖于接收到的数据量
（◀️要能整出256）

（加密在本地进行，可以集成入本地软件，在接触网络前完成加密）

密文域可逆信息隐藏

对密文信号以可逆形式添加额外信息，实现对密文数据的管理
参与者：

• 内容所有者： 加密
• 信息隐藏者： 通过修改密文信号实现数据嵌入
• 合法接受者： 数据提取，恢复明文信号

主要思路：
密文信号无冗余信息可以利用
解决办法：合法用户拥有密钥，可利用明文域冗余
实现：

• 可逆信息隐藏 部分加密
• 可逆信息隐藏 完全加密
• 无损，可逆信息隐藏 同态加密

部分加密+可逆隐藏
jpeg
加密：加密DCT系数符号，保持DCT系数绝对值
信息嵌入：在DCT系数绝对值中进行直方图平移或扩值
信息提取与内容恢复：提取后恢复系数符号
未压缩图像
加密：置乱
信息嵌入：直方图平移
信息提取与内容恢复：直方图平移，逆置乱

完全加密+可逆隐藏
基于数据调整的方法
主要思想：

• 信息嵌入：以一定的方式调整密文信号

内容所有者（加密）：像素：8比特表示，流密码或异或加密
信息嵌入者：嵌入，分信息块，逐块加入隐写数据，修改每个8比特中的低三位。
合法用户，解密，流密码异或。数据提取，内容恢复。
数据提取内容恢复性能依赖于分块大小（块大性能更好）
改进：引入翻转率，块处理次序
不足：只有信息隐藏密钥的用户无法提取数据

在密文域进行隐写
：低三位进行压缩，压缩后剩余空间嵌入信息
接收方如果只有信息隐藏密钥，可以直接在密文中提取信息
在解压缩的时候，乘以变换矩阵，会有多组解，穷举所有的解，判断平滑度。

同态加密+无损，可逆隐藏
主要思想：
概率加密：无损信息隐藏
同态加密：预处理+加减调整实现无损隐藏
无损，可逆，可合并

逐像素加密
Paillier 加密
Damgard-Jurik 加密
无损隐藏
可逆隐藏
无损，可逆合并方案

结束语
密文域可逆信息隐藏
密文图像压缩
进一步研究：

• 新问题：密码学和信号处理两个不同纬度上的进步
• 新理论：加密信号处理的理论基础
• 新技术： 性能提升
• 新方法：更广泛的加密处理
• 新载体：视频音频及其它
• 新功能：应用驱动下的新发展