摘要：密文域可逆信息隱藏（RDHED）技術通過將秘密信息嵌入加密載體，實現(xiàn)數(shù)據(jù)隱私保護，并確保秘密信息的準確提取與原始載體的可逆恢復。該文首先提出了RDHED的通用框架，并根據(jù)數(shù)據(jù)加密與嵌入空間預留的操作順序及其可分離性，對現(xiàn)有RDHED技術進行了分類與方案分析。隨后，結(jié)合遠程醫(yī)療、文檔溯源及保密通信等應用場景，探討了RDHED的研究價值。最后，展望了RDHED的未來研究方向，包括可分離性的實現(xiàn)、算法性能的提升及全同態(tài)加密方案的設計。

關鍵詞：密文域；可逆信息隱藏；圖像加密；數(shù)據(jù)隱私保護

中圖分類號：TP309.7文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）20-0082-03

隨著云存儲和云計算等新興技術的迅猛發(fā)展，用戶越來越傾向于將數(shù)據(jù)上傳至云端，以節(jié)省本地存儲資源或提升計算能力。然而，數(shù)據(jù)隱私泄露問題也隨之頻發(fā)。例如，近日阿里云盤用戶數(shù)據(jù)泄露事件中，用戶存儲在云相冊的照片和視頻因系統(tǒng)自動加載而意外暴露，引發(fā)了公眾對數(shù)據(jù)隱私的深切擔憂。此類事件不僅削弱了云服務商的用戶信任，也對整個云存儲行業(yè)提出了嚴峻挑戰(zhàn)。為應對隱私泄露問題，云服務商普遍采用加密技術保護敏感數(shù)據(jù)。然而，單純依賴加密技術雖然能防止數(shù)據(jù)內(nèi)容泄露，但如何高效處理密文數(shù)據(jù)成為新的挑戰(zhàn)，而傳統(tǒng)信息隱藏方法難以直接應用于密文數(shù)據(jù)處理。

密文域可逆信息隱藏（ReversibleDataHidinginEncryptedDomain，RDHED）技術通過將秘密信息以不可見方式嵌入加密載體，實現(xiàn)數(shù)據(jù)隱私保護，并確保秘密信息的準確提取與原始載體的可逆恢復[1]。隨著云服務的廣泛應用，RDHED技術逐漸成為云環(huán)境下實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)隱私保護的研究重點之一。

1RDHED技術框架

1.1RDHED通用框架

由于目前RDHED大多以圖像作為信息隱藏的載體，因此本文主要以圖像密文域可逆信息隱藏展開介紹。RDHED通用框架[1-3]如圖1所示。

該框架主要涉及圖像所有者、信息嵌入者和圖像接收者3類角色。首先，圖像所有者使用加密密鑰對載體圖像進行加密，并將加密后的圖像發(fā)送給信息嵌入者；然后，信息嵌入者使用隱藏密鑰將秘密信息嵌入加密圖像中，并將載密的加密圖像發(fā)送給圖像接收者。圖像接收者則可以根據(jù)掌握的密鑰不同進行以下操作：第一，擁有解密密鑰的用戶可以解密圖像，得到包含嵌入秘密信息的解密圖像。第二，擁有隱藏密鑰的用戶能夠在圖像不解密的情況下提取嵌入信息。第三，同時擁有解密密鑰和隱藏密鑰的用戶，則可以先后使用這兩個密鑰提取嵌入秘密信息并還原原始載體圖像[1-3]。

1.2根據(jù)嵌入空間的預留方式不同分類

在RDHED方案設計過程中，最重要的是盡可能壓縮明文圖像或密文圖像，為后續(xù)的嵌入秘密信息創(chuàng)造空間。因此，根據(jù)圖像加密和預留嵌入空間的操作次序不同，現(xiàn)有RDHED算法可以分為3類：在圖像加密之后預留空間（VacatingRoomAfterEncryption，VRAE）、在圖像加密之前預留空間（VacatingRoomBe?foreEncryption，VRBE）、在圖像加密的同時預留空間（VacatingRoomInEn?cryption，VRIE）[2-3]。以上3種算法預留嵌入空間的方式如圖2所示。

在VRAE算法中，加密方無須事先進行任何預處理操作，直接對圖像加密即可。信息嵌入者通過修改加密圖像進行信息嵌入。圖像接收者得到含密加密圖像后，則可根據(jù)不同的嵌入算法特性，進行信息提取和原始圖像還原。在VRBE算法中，通過在明文域中預留嵌入空間，加密前需要對圖像進行預處理，因此可以直接采用非密文域信息隱藏算法來進行信息嵌入。VRBE算法信息嵌入率較高，并且可以實現(xiàn)嵌入載體圖像的完全可逆。但由于該算法需要用戶在加密前對圖像進行預處理，因此不便于用戶操作。由于信息熵的約束決定了VRAE和VRBE算法都無法嵌入大容量信息，因此這兩類算法創(chuàng)造嵌入空間的方式都受限于圖像的冗余空間[1]。而VRIE算法則是采用特殊加密方式，通過在圖像加密過程中創(chuàng)造冗余空間來實現(xiàn)大容量的信息嵌入，從而大大提升了嵌入容量。

1.3根據(jù)操作可分離性分類

根據(jù)圖像解密與信息提取過程是否獨立，RDHED又可劃分為聯(lián)合算法和可分離算法兩類。兩種算法的框架圖分別如圖3、圖4所示。

在聯(lián)合算法中，接收者需要先解密圖像，才能提取嵌入信息并還原原始圖像，因此秘密信息的提取只能在密文域中進行[3]。在可分離算法中，則可以根據(jù)用戶掌握的密鑰不同，為其設置不同的訪問控制權(quán)限，以分別實現(xiàn)信息提取和圖像恢復操作。掌握不同密鑰的用戶可以選擇以下3種方案：

1）掌握解密密鑰的用戶（圖像解密者），首先對含密的加密圖像進行解密，得到解密圖像并將其發(fā)送給信息提取者；然后掌握隱藏密鑰的信息提取者再從含密的解密圖像中提取嵌入的秘密信息并恢復原始載體圖像。

2）掌握隱藏密鑰的用戶（信息提取者），首先從含密加密圖像中進行信息提取，得到秘密信息與加密圖像，并將加密圖像發(fā)送給圖像解密者；然后掌握解密密鑰的圖像解密者對加密圖像進行解密和圖像恢復，從而得到原始載體圖像。

3）同時掌握解密密鑰和隱藏密鑰的用戶，則可以使用這兩種密鑰對含密的加密圖像分別進行信息提取、圖像解密與恢復，從而得到秘密信息和原始載體圖像。

2RDHED研究價值

在當前密文數(shù)據(jù)爆發(fā)式增長的云計算環(huán)境下，特別是對于遠程醫(yī)療、文檔溯源、保密通信等對載體內(nèi)容精確性要求較高的領域，RDHED具有廣闊的應用前景與巨大的研究價值。

2.1遠程醫(yī)療

為保護患者隱私，醫(yī)學圖像在遠程傳輸和存儲過程中通常需要進行加密處理。同時，醫(yī)生在診斷和管理醫(yī)學檔案時需要在醫(yī)學圖像中標注附加信息，如患者身份、病歷及診斷結(jié)果等。然而，任何細微的圖像修改都可能影響后續(xù)的診斷或引發(fā)醫(yī)療糾紛。因此，如何在加密的醫(yī)學圖像中嵌入標注信息，同時確保圖像的準確解密與恢復，成為一大挑戰(zhàn)。

RDHED技術通過在加密醫(yī)學圖像中隱蔽嵌入附加信息，不僅降低了醫(yī)學圖像與用戶的誤匹配風險，還在保護患者隱私的同時優(yōu)化了加密圖像的檢索和管理[2]。

2.2文檔溯源

對于一些安全性要求較高的企業(yè)和單位，工作中經(jīng)常會涉及機密文檔和數(shù)據(jù)。為了提高涉密文檔的安全性、防止文檔被濫用，可通過RDHED對文檔進行加密處理后，再將文檔的元數(shù)據(jù)、發(fā)送者信息、時間戳等附加信息以不可見的方式嵌入加密文檔中，以保證每份文檔的唯一性以及擴散路徑的可追蹤、可溯源。當泄密事件發(fā)生后，就可以通過提取文檔中嵌入的附加信息，對文檔傳播路徑進行快速追蹤溯源，為之后的追責和審計提供可靠依據(jù)。

2.3保密通信

秘密情報在通信過程中，對數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院碗[蔽性都有極高要求。通過采用RDHED，可以將通信對象、通信行為、通信內(nèi)容以及通信信道都隱藏在海量的通信對象和信息傳輸過程中，從而使得秘密情報可以在常用的密文數(shù)據(jù)交流平臺上實現(xiàn)公開信道上的隱蔽通信。

綜上所述，RDHED不僅是密碼學、信息隱藏、圖像處理等多學科融合交叉的研究點，而且是當前大數(shù)據(jù)環(huán)境下受數(shù)據(jù)隱私保護需求強烈驅(qū)動的新興研究熱點。

3RDHED未來研究方向

盡管RDHED技術已取得一定研究成果[4-6]，但相關領域仍處于發(fā)展的初級階段，存在諸多待解決的問題。

3.1可分離性的實現(xiàn)

可分離性旨在使圖像解密與信息提取操作過程互不依賴，確保算法不受操作次序的限制。在設計RDHED方案時，須有效結(jié)合圖像加密與可逆信息隱藏技術，選擇合適的加密算法和嵌入策略，確保信息提取不受加解密操作的影響。對于VRIE算法，由于信息嵌入與提取不影響圖像的正常加解密，本身具有可分離性的優(yōu)勢。但在VRIE方案設計時，需要在不影響加密算法安全性的前提下，合理構(gòu)造可控的冗余空間。

3.2算法性能的提升

RDHEI早期研究主要通過修改加密圖像的低有效位來嵌入信息，此時的衡量指標主要是秘密信息的嵌入容量和解密后含密圖像的人眼視覺質(zhì)量。而RDHEI后期研究主要是通過在修改加密圖像的高有效位實現(xiàn)圖像完全可逆的同時，大幅度提升嵌入容量。由于解密后的含密圖像可以完全可逆恢復，因此后期的衡量指標主要為嵌入容量。但嵌入容量的提升往往會導致圖像失真、安全性下降和計算開銷增加等問題。因此，在追求提升算法嵌入性能的同時，還須兼顧嵌入操作對圖像失真的影響。

3.3全同態(tài)加密方案的設計

全同態(tài)加密技術可以實現(xiàn)對密文進行特定代數(shù)運算后得到的結(jié)果，與對明文進行同樣運算后再加密得到的結(jié)果一樣[5]。因此，根據(jù)全同態(tài)加密可保持數(shù)據(jù)原始特征不變的這一性質(zhì)，可以將所有非密文域可逆信息隱藏的研究成果應用于密文域中。但由于加密效率問題，目前全同態(tài)加密技術還無法完全走向應用。因此，如何更好地結(jié)合全同態(tài)加密技術與可逆信息隱藏技術以降低算法復雜度和基于其他算法的可逆信息隱藏方案值得深入研究。

RDHED技術雖然取得了一定的研究成果，但在如何設計更加安全高效的圖像加密與可逆信息隱藏算法以提高算法性能，如何設計合理的操作流程以實現(xiàn)圖像加解密與信息嵌入提取的操作可分離，以及在保證算法安全性的同時降低計算開銷等方面，仍然有較大的研究空間。

參考文獻：

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[6]張成，歐博，廖鑫.基于JPEG圖像的模塊化可逆信息隱藏方法[J].計算機應用研究，2024，41（4）：1177-1183.

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