[01685267]信息隐藏图像安全认证及嵌入数据恢复研究

由于数字图像具有易于复制和修改的特点，恶意攻击者很容易对信息隐藏图像进行篡改，因此图像内容的安全认证和恢复成为亟待解决的事情。该项目研究信息隐藏图像的内容安全认证及恢复技术，其中内容安全认证主要研究基于图像Hash的认证技术，而内容恢复则主要考虑篡改攻击和噪声干扰下的图像恢复技术。图像Hash是一种基于视觉内容的图像压缩表达方式。与传统密码学Hash函数(如MD5和SHA-1)不同，图像Hash函数并不依赖于图像的具体数字表达，仅对视觉内容变化敏感。换言之，图像Hash函数应满足两个基本条件：(1)稳健性，即视觉相似图像，Hash以很大的概率相同或十分接近；(2)唯一性也称抗冲突性，即不同图像的Hash冲突概率接近于0。此外，具体应用还有具体的性能要求，如篡改检测应用要求图像Hash对局部内容变化敏感并且Hash值由密钥控制。图像Hash又可称为“图像摘要”或“图像认证码”，可广泛应用于内容认证、篡改检测、图像检索、图像索引等领域，是图像内容安全和多媒体应用的前沿研究课题。 主要研究成果如下： (1)在国际顶级期刊、CCF推荐A类杂志发表重要研究结果“Zhenjun Tang，Xianquan Zhang，Xianxian Li，Shichao Zhang，Robust imageHashing with ring partition and invariant vector distance，IEEE Transactions on Information Forensics and Security，vol.11，no.1，pp.200-214，2016.”。该成果提出了用环形像素的均值、方差、偏斜度和峭度构造图像感知统计特征，发现从CIE L*a*b*颜色空间提取该统计特征比从YCbCr和HIS颜色空间提取更为稳健；该成果还提出将特征向量看作高维空间中的点，用点与点之间的欧式距离来描述特征向量，从而实现数据的高效压缩。该论文提出的基于环形分割和向量不变距离的图像哈希算法具有优良的旋转稳健性，以及很好的唯一性，整体分类性能优于多种主流哈希算法。该论文为前3％ESI高被引论文。 (2)在国际顶级期刊、CCF推荐A类杂志发表重要研究结果“Zhenjun Tang，Lv Chen，Xianquan Zhang，Shichao Zhang，Robust imageHashing with tensor decomposition，IEEE Transactions on Knowledge and Data Engineering，2018，DOI：10.1109/TKDE.2018.2837745.”。该文将图像哈希计算被看作是从一个张量中提取出来的一个紧凑的表示，提出了一种基于张量分解的新型图像哈希算法，简称TD哈希算法。为了提高TD哈希算法的鲁棒性，先从规格化的图像中构造出一个稳定的3阶张量，然后运用一种名叫Tucker分解的张量分解方法将3阶张量分解成1核心张量和3个正交因子矩阵。由于因子矩阵可以反映原始张量的内在结构，因此TD哈希算法利用因子矩阵来构造哈希序列，确保算法具有较好的唯一性。选取14551幅图像作为实验数据来测试算法性能，接收机操作特性(ROC)曲线的对比实验结果表明，TD哈希算法的分类性能和哈希长度均优于多种文献的图像哈希算法。 (3)在国际著名期刊、CCF推荐C类杂志发表重要研究结果“Zhenjun Tang，Xuelong Li，Xianquan Zhang，Shichao Zhang*，Yumin Dai，ImageHashing with color vector angle，NeuROComputing，vol.308，pp.147-158，2018，DOI：10.1016/j.neucom.2018.04.057”。颜色向量角对色调和饱和度的变化敏感，但对亮度调整不敏感。与颜色欧氏距离相比，颜色向量角能更好反映彩色的感知变化，因此更适合描述彩色图像特征。考虑到图像内切圆内的像素不受旋转变换影响，该论文提取它们的颜色向量角直方图作为特征，并用正交变换压缩以生成短小的Hash序列。该算法同样对旋转变换等常见操作稳健，并有较好的唯一性。 (4)在国际著名期刊、CCF推荐C类杂志发表重要研究结果“Xianquan Zhang，Zerui Sun，Zhenjun Tang，Chunqiang Yu，Xiaoyun Wang，High capacity data hiding based on interpolated image，Multimedia Tools and Applications，2017，76：9195-9218”。利用抛物线插值算法对图像进行插值操作，将秘密信息隐藏在插值图像中实现无损隐藏。 (5)在国际著名期刊、CCF推荐C类杂志发表重要研究结果“Chunqiang Yu，Xianquan Zhang，Zhenjun Tang，Yan Chen，and Jingyu Huang，Reversible Data Hiding with Pixel Prediction and Additive Homomorphism for Encrypted Image，Security and Communication Networks，vol.2018，Article ID9103418，13pages，2018. https：//doi.org/10.1155/2018/9103418.”。该成果对原始图像进行预测，由原始像素和预测值构成载体像素，利用模256加性同太方法对载体像素进行加密。隐藏时，将二进制秘密信息转换成十进制，将十进制秘密信息与加密像素同太相加实现隐藏。对图像进行解密，根据预测像素和载密像素提取秘密信息以及恢复原始像素。该成果具有较大的隐藏容量，且直接解密图像具有较高的峰值信噪比。 (6)在国际著名期刊、CCF推荐C类杂志发表重要研究结果“Zhenjun Tang*，Shijie Xu，Heng Yao，Chuan Qin，Xianquan Zhang，Reversible data hiding with differential compression in encrypted image，Multimedia Tools and Applications，DOI：10.1007/s11042-018-6567-3.”。该成果提出了一种基于像素差分压缩的加密域可逆信息隐藏算法，有较大的嵌入容量。该算法利用分块的图像加密方案将明文图像的空域相关性传递到加密图像，然后利用像素差分压缩技术腾出空间，从而实现高效的数据嵌入。