[论文解读] Reversible Data Hiding in Encrypted Images Based on Bit-plane Compression of Prediction Error

Youqing Wu, Wenjing Ma+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2020

Advanced Steganography and Watermarking Techniques参考文献 32被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种高容量的加密图像可逆数据隐藏（RDHEI）方法，通过联合压缩预测误差的比特平面以最大化嵌入容量。通过在加密前重新排列并联合编码预测误差的比特平面，该方法为数据嵌入预留了更多空间，在标准数据库上实现了高达3.763 bpp的平均嵌入速率，优于现有最先进方法。

ABSTRACT

As a technology that can prevent the information from being disclosed, the reversible data hiding in encrypted images (RDHEI) acts as an important role in privacy protection and information security. To make use of the image redundancy and further improve the embedding performance, a high-capacity RDHEI method based on bit-plane compression of prediction error is proposed in this paper. Firstly, the whole prediction error is calculated and divided into blocks of the same size. Then, the content owner rearranges the bit-plane of prediction error by block and compresses the bitstream with the joint encoding algorithm to reserve room. Finally, the image is encrypted and the information can be embedded into the reserved room. On the receiver side, the information extraction and the image recovery are performed separably. Experimental results show that the proposed method brings higher embedding capacity than state-of-the-art RDHEI works.

研究动机与目标

• 解决现有可逆数据隐藏在加密图像（RDHEI）方法中嵌入容量有限的问题。
• 通过确保原始图像即使在密文中嵌入数据时仍保持机密性，保护图像隐私。
• 通过使用不同密钥实现信息提取与图像恢复的分离，提升实际应用性。
• 通过预测误差的比特平面压缩更有效地利用图像冗余。
• 通过高效的联合编码在加密域中预留更多空间，从而提升嵌入容量。

提出的方法

• 使用预测器计算原始图像中每个像素的预测误差。
• 将预测误差划分为块，并重新排列每个块的比特平面以提高压缩效率。
• 应用一种联合编码算法——结合霍夫曼编码与游程编码——以压缩比特平面，最小化比特流大小。
• 将压缩后的比特流用于在加密前预留图像中的空间，为数据嵌入创造条件。
• 然后使用对称加密方案对图像进行加密，同时保留预留空间用于嵌入。
• 在接收端，首先提取嵌入的数据，随后使用相同密钥和解压缩过程恢复图像。

实验结果

研究问题

• RQ1 预测误差的联合比特平面压缩是否能显著提升RDHEI中的嵌入容量？
• RQ2 所提方法在嵌入速率和可逆性方面与现有最先进RDHEI技术相比表现如何？
• RQ3 与单独编码相比，联合编码算法在压缩效率方面提升了多少？
• RQ4 该方法是否能在不损害安全性或容量的前提下实现可分离的数据提取与图像恢复？
• RQ5 该方法在嵌入和解密后是否能保持高图像质量并实现完美可逆性？

主要发现

• 在BOSSBase数据库上，所提方法实现了3.763 bpp的平均嵌入速率，比现有最佳方法高出0.081 bpp。
• 在BOWS-2数据库上，平均嵌入速率达到了3.642 bpp，优于现有最先进方法0.147 bpp。
• 对于Lena和Baboon测试图像，该方法分别实现了3.15 bpp和1.526 bpp的嵌入速率，表现出高容量。
• 该方法确保了完美可逆性，MSE = 0且SSIM = 1，证实了图像的精确恢复。
• 联合编码算法通过利用短和长比特串模式，有效压缩了比特平面，优于单独编码策略。
• 即使在复杂纹理区域，该方法仍保持高性能，对无效像素（如参考像素和溢出像素）的影响极小。