[论文解读] 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 4

一句话总结

该论文提出了一种全同态加密封装的差分扩展（FHEE-DE）方案，可在加密域内直接实现可逆数据隐藏。通过将密钥切换和自举技术与一种新型基于密钥切换的最低有效位嵌入方法相结合，该方案使服务器能够在不解密的情况下对密文进行数据嵌入与提取，实现了高嵌入容量、优异保真度和完全可分离性，同时保持了加密安全性。

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.

研究动机与目标

• 在不解密的情况下实现在加密域内的可逆数据隐藏。
• 仅使用公开信息即可直接从标记后的密文中提取和恢复数据。
• 在确保完全可分离性和强加密安全性的前提下，保持高保真度和高嵌入容量。
• 简化同态运算，以提升实际部署中的效率。

提出的方法

• 该方案采用密钥切换和自举技术，以控制密文噪声增长并防止解密失败。
• 设计了一种基于密钥切换的最低有效位（KS-LSB）嵌入方法，可在无需私钥访问的情况下将额外数据嵌入加密域。
• 该方法支持服务器直接从标记后的密文中提取隐藏数据，同时保持原始明文和附加负载的完整性。
• 引入保真度约束，以最小化解密后标记明文的失真。
• 通用FHEE-DE方案经过优化，以降低计算开销，从而获得适用于实际应用的高效变体。
• 该框架确保了完全可分离性，即原始明文和嵌入数据可独立且准确地恢复。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以仅使用公开信息，在不解密的情况下直接在加密域内实现可逆数据隐藏？
• RQ2 如何稳定和控制同态运算，以防止在加密数据中嵌入数据时发生解密失败？
• RQ3 在加密域可逆数据隐藏中，嵌入容量、保真度与安全性之间可达到怎样的平衡？
• RQ4 数据提取与恢复过程是否可完全与私钥分离，从而支持服务器端操作？
• RQ5 如何在不损害性能或安全性的前提下简化同态运算？

主要发现

• 所提出的FHEE-DE方案相比现有加密域可逆数据隐藏（RDH-ED）方法具有更高的嵌入容量。
• 由于引入了保真度约束，标记后明文的保真度显著提升，感知失真得以减少。
• 该方案支持直接从标记后的密文中提取数据而无需解密，证明了完全可分离性。
• FHEE-DE的优化版本在保持高性能的同时降低了计算复杂度。
• 在整个过程中安全性得以保持，因为数据提取或恢复无需使用私钥。
• 该方法成功将全同态加密与差分扩展相结合，实现了加密域内安全且可逆的数据隐藏。