信息技术的发展给我们的社会和生活不仅带来了巨大变化,也带来了新的问题和机遇。加密和数据隐藏都是在不安全信道中保护数据的常用技术,密码技术虽然保障了数据的安全性,但密文数据因其不可读给信息宣传带来了诸多不便,而数据隐藏通常将秘密数据隐藏在数字媒体(如图像、音频、视频等)中,在达到信息保密目的的同时,不影响数字媒体的使用价值。为了保障数据的通信安全,可以将密码技术和数据隐藏技术结合起来,达到优势互补的目的。近年来,数据隐藏技术在数字水印、隐写术和其他方面的应用越来越广泛,通常数字水印和隐写术由于信息嵌入会对载体造成失真,然而,医学图像、司法证据等敏感数据一般不允许有失真,而可逆数据隐藏(Reversible Data Hiding,RDH)技术由于可以无损地恢复原始载体和嵌入的数据,为这些场景的应用提供了可行性。当今,在云环境下由第三方处理数字图像变得越来越普遍,其中涉及数据存储或管理等第三方服务,便于用户可以随时随地访问数据。其中,采用数据隐藏技术可以将一些附加数据(如源信息,时间标记,备注等)嵌入到数字图像中,以实现大量数据的有效管理。此外,考虑到一些敏感图像的安全性,在发送给第三方图像数据之前,可以先对其加密,然后再将这些附加数据嵌入到密文图像中。因此,数据隐藏的可逆性以及载体加密的需求,使得密文域可逆数据隐藏技术具有重要的研究价值和应用前景。本文主要研究了密文图像可逆数据隐藏技术及其在多媒体安全与通信中的应用。现有的密文图像可逆数据隐藏方案存在嵌入率低、恢复图像质量不高、数据膨胀等问题,针对这些问题,本文提出了四种方案进行解决或改进。这些方案保留了密文图像可逆数据隐藏方案的基本架构,涉及内容所有者、数据隐藏者和接收者。首先,内容所有者加密图像得到密文图像,然后将密文图像发送给数据隐藏者,数据隐藏者将秘密数据嵌入到密文图像中,最后,接收者从标记的密文图像中恢复嵌入的数据和原始载体图像。本文主要创新点如下:1.提出了一种面向多用户的可分离密文图像可逆数据隐藏方案。首先,内容所有者采用流密码对图像进行加密,然后数据隐藏者使用不同的嵌入密钥将多个消息(N个用户的N个消息)嵌入到密文图像中。在接收端,不同用户的接收者可以从标记的密文图像中提取出嵌入的消息数据。该方案解决了在云环境中针对单个图像来管理多个用户信息的问题,并改善了用户提取消息数据的可伸缩性。2.提出了一种基于预测误差和对称密码体制的密文图像可逆数据隐藏方案。首先,Page II Southwest Jiaotong University Doctoral Degree Thesis对原始图像进行预处理,便于图像加密时可以预测合适的信息嵌入位置。然后,采用对称密码体制对预处理后的图像进行加密,最后,数据隐藏者将预测的嵌入位置信息(位置图)压缩并嵌入到加密后的预处理图像中。在接收端,接收者从标记的图像中提取秘密数据并恢复原始图像。实验结果表明,与现有方法相比,该方案提高了直接解密图像的质量,且原始图像的恢复不依赖于嵌入密钥。3.提出了一种基于Paillier公钥加密系统和插值技术的密文图像可逆数据隐藏方案。首先,对图像进行预处理以创建信息嵌入空间,具体方法是通过插值技术选择合适的像素,并将这些像素的MSB(Most Significant Bit)置零。然后,采用Paillier密码系统对预处理后的图像加密,该加密系统具有概率和加法同态性。最后,数据隐藏者基于Paillier密码系统的加法同态性将秘密数据嵌入到密文图像中。在接收端,接收者采用私钥对载密图像解密,并提取出嵌入的秘密数据。实验结果表明,该方案可有效控制数据隐藏阶段的额外数据膨胀。4.提出了一种基于公钥加密系统的可分离密文图像无损数据隐藏方案。首先,采用Paillier公钥加密系统对图像加密,然后,数据隐藏者基于Paillier密码系统的加性特性,修改加密后的像素以嵌入秘密数据。最后,在接收端,接收者直接从标记的密文图像中提取嵌入的秘密信息数据。该方案基于Paillier密码系统的加性特性,在信息嵌入过程不会在密文图像中引入任何失真,且内容所有者不需要做任何预处理,接收者仅使用私钥就可以无损地恢复图像,解决了密文图像数据隐藏系统的密钥管理问题,因此,相比基于对称密码算法的密文图像数据隐藏方案更具有优势。