[論文レビュー] Fully Homomorphic Encryption Encapsulated Difference Expansion for Reversible Data hiding in Encrypted Domain

Yan Ke, Minqing Zhang+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2019

Advanced Steganography and Watermarking Techniques参考文献 36被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、暗号化領域内で直接可逆的データ隠しを可能にする完全準同型暗号による差分拡張（FHEE-DE）方式を提案する。鍵スイッチングおよびブートストラップ技術を組み合わせ、新規の鍵スイッチングベースのLSB埋め込み法を用いることで、サーバーは復号化を経ずに暗号文からデータを埋め込み・抽出できる。高い埋め込み容量、優れた忠実度、完全な分離性を実現しながらも、暗号化の安全性を保持する。

ABSTRACT

This paper proposes a fully homomorphic encryption encapsulated difference expansion (FHEE-DE) scheme for reversible data hiding in encrypted domain (RDH-ED). In the proposed scheme, we use key-switching and bootstrapping techniques to control the ciphertext extension and decryption failure. To realize the data extraction directly from the encrypted domain without the private key, a key-switching based least-significant-bit (KS-LSB) data hiding method has been designed. In application, the user first encrypts the plaintext and uploads ciphertext to the server. Then the server performs data hiding by FHEE-DE and KS-LSB to obtain the marked ciphertext. Additional data can be extracted directly from the marked ciphertext by the server without the private key. The user can decrypt the marked ciphertext to obtain the marked plaintext. Then additional data or plaintext can be obtained from the marked plaintext by using the standard DE extraction or recovery. A fidelity constraint of DE is introduced to reduce the distortion of the marked plaintext. FHEE-DE enables the server to implement FHEE-DE recovery or extraction on the marked ciphertext, which returns the ciphertext of original plaintext or additional data to the user. In addition, we simplified the homomorphic operations of the proposed universal FHEE-DE to obtain an efficient version. The Experimental results demonstrate that the embedding capacity, fidelity, and reversibility of the proposed scheme are superior to existing RDH-ED methods, and fully separability is achieved without reducing the security of encryption.

研究の動機と目的

• 復号化を必要とせずに暗号化領域内で可逆的データ隠しを可能にすること。
• 公開情報のみを用いて、マークされた暗号文からデータの抽出および回復を可能にすること。
• 高い忠実度と埋め込み容量を維持しながら、完全な分離性と強固な暗号化セキュリティを確保すること。
• 実世界への導入における実用的効率を高めるために、準同型演算を簡素化すること。

提案手法

• 同型演算による暗号文のノイズ増加を制御し、復号失敗を防ぐために、鍵スイッチングおよびブートストラップ技術を採用する。
• 秘密鍵にアクセスせずに暗号化領域に追加データを埋め込むために、鍵スイッチングベースの最下位ビット（KS-LSB）埋め込み法を設計する。
• サーバーがマークされた暗号文から直接隠しデータを抽出でき、元の平文および追加ペイロードの整合性を保持する。
• 復号後のマークされた平文における歪みを最小限に抑えるために、忠実度制約を導入する。
• 計算オーバーヘッドを低減するため、普遍的なFHEE-DE方式を最適化し、実用用途に適した効率的バージョンを実現する。
• フレームワークは完全な分離性を保証しており、元の平文と埋め込まれたデータが独立してかつ正確に回復可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 公開情報のみを用いて、復号化を経ずに暗号化領域内で可逆的データ隠しを実行できるか？
• RQ2 暗号化データへのデータ埋め込み中に復号失敗を防ぐために、準同型演算をどのように安定化・制御できるか？
• RQ3 暗号化領域における可逆的データ隠しにおいて、埋め込み容量、忠実度、セキュリティの間に達成可能なバランスは何か？
• RQ4 データ抽出および回復プロセスを秘密鍵から完全に分離でき、サーバー側での処理が可能か？
• RQ5 パフォーマンスやセキュリティを損なわずに、準同型演算をどのように簡素化できるか？

主な発見

• 提案されたFHEE-DE方式は、既存の暗号化領域内可逆的データ隠し（RDH-ED）手法と比較して、より高い埋め込み容量を達成している。
• 導入された忠実度制約のおかげで、マークされた平文の忠実度が顕著に向上し、感覚的歪みが低減された。
• 復号化を経ずにマークされた暗号文から直接データを抽出でき、完全な分離性を示している。
• 最適化されたFHEE-DEバージョンは、計算複雑性を低減しながらも高い性能を維持している。
• 秘密鍵がデータ抽出や回復に必要とされないため、セキュリティがプロセス全体で保持されている。
• 本手法は、完全準同型暗号と差分拡張を効果的に統合し、暗号化領域内で安全かつ可逆的なデータ隠しを実現した。