[论文解读] Reversible Data Hiding in Encrypted Images based on MSB Prediction and Huffman Coding

Youzhi Xiang, Zhaoxia Yin+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2018

Advanced Steganography and Watermarking Techniques参考文献 23被引用 4

一句话总结

本文提出了一种基于自适应MSB预测与哈夫曼编码的加密图像中高容量可逆数据隐藏方案。通过在加密前预测并编码像素的最高有效位，该方法创造了可预测的冗余，从而实现在加密域内高效嵌入秘密数据，同时确保原始图像和嵌入数据的无损恢复。

ABSTRACT

With the development of cloud storage and privacy protection, reversible data hiding in encrypted images (RDHEI) has attracted increasing attention as a technology that can embed additional data in the encryption domain. In general, an RDHEI method embeds secret data in an encrypted image while ensuring that the embedded data can be extracted error-free and the original image can be restored lossless. In this paper, A high-capacity RDHEI algorithm is proposed. At first, the Most Significant Bits (MSB) of each pixel was predicted adaptively and marked by Huffman coding in the original image. Then, the image was encrypted by a stream cipher method. At last, the vacated space can be used to embed additional data. Experimental results show that our method achieved higher embedding capacity while comparing with the state-of-the-art methods.

研究动机与目标

• 应对云存储中对安全隐私保护数据嵌入的日益增长需求，特别是在加密图像中。
• 克服现有加密图像可逆数据隐藏（RDHEI）方案中嵌入容量低的局限性。
• 在提取后确保原始图像和嵌入数据均可无损恢复。
• 通过在加密域内执行数据嵌入而不解密，维持高安全性。

提出的方法

• 采用对原始图像中每个像素的最高有效位（MSB）进行自适应预测，以估计像素值。
• 对预测得到的MSB值应用哈夫曼编码，以压缩并标记预测误差，从而创建冗余空间。
• 在完成MSB预测和哈夫曼编码后，使用流密码对图像进行加密，以确保加密域内的安全性。
• 利用压缩后的预测误差所释放出的空间，在加密图像中嵌入秘密数据。
• 通过以可逆方式存储预测与编码信息，确保原始图像可被精确重建，从而实现可逆性。
• 在不造成任何失真的前提下，实现嵌入数据的提取以及原始图像的完整恢复。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种高容量可逆数据隐藏方案，用于加密图像，同时保持无损恢复？
• RQ2 如何将MSB预测与哈夫曼编码结合，以在加密域内最大化嵌入容量？
• RQ3 通过预测与编码进行预处理，对加密图像中数据嵌入的效率与安全性有何影响？
• RQ4 所提出的方法是否能在嵌入容量与可逆性方面超越当前最先进的RDHEI技术？
• RQ5 将无损压缩（哈夫曼编码）与加密相结合，如何提升可逆数据隐藏的性能？

主要发现

• 所提方法在嵌入容量方面优于当前最先进的RDHEI方案。
• 自适应MSB预测与哈夫曼编码的结合，有效创造了用于数据嵌入的冗余空间，且未损害图像质量。
• 在数据提取后，原始图像可无损恢复，证实了该方案的可逆性。
• 该方法通过完全在加密域内执行数据嵌入，维持了强大的安全性。
• 实验结果表明，所提方法在嵌入速率方面优于现有方法。
• 该方案在标准图像数据集上得到验证，显示出在各种测试用例中一致的性能提升。