联合多重对抗与通道注意力的高安全性图像隐写

目的 现有基于对抗图像的隐写算法大多只能针对一种隐写分析器设计对抗图像,且无法抵御隐写分析残差网络(steganalysis residual network,SRNet)、Zhu-Net等最新基于卷积神经网络隐写分析器的检测。针对这一现状,提出了一种联合多重对抗与通道注意力的高安全性图像隐写方法。方法 采用基于U-Net结构的生成对抗网络生成对抗样本图像,利用对抗网络的自学习特性实现多重对抗隐写网络参数迭代优化,并通过针对多种隐写分析算法的对抗训练,生成更适合内容隐写的载体图像。同时,通过在生成器中添加多个轻量级通道注意力模块,自适应调整对抗噪声在原始图像中的分布,提高生成对抗图像的抗隐写分析能力。其次,设计基于多重判别损失和均方误差损失相结合的动态加权组合方案,进一步增强对抗图像质量,并保障网络快速稳定收敛。结果 实验在BOSS Base 1.01数据集上与当前主流的4种方法进行比较,在使用原始隐写图像训练后,相比于基于U-Net结构的生成式多重对抗隐写算法等其他4种方法,使得当前性能优异的5种隐写分析器平均判别准确率降低了1.6%;在使用对抗图像和增强隐写图像再训练后,相比其他4种方法,仍使得当前性能优异的5种隐写分析器平均判别准确率降低了6.8%。同时也对对抗图像质量进行分析,基于测试集生成的2 000幅对抗图像的平均峰值信噪比(peak signal-tonoise ratio,PSNR)可达到39.925 1 dB,实验结果表明本文提出的隐写网络极大提升了隐写算法的安全性。结论 本文方法在隐写算法安全性领域取得了较优秀的性能,且生成的对抗图像具有很高的视觉质量。     

优化参数化二元模映射信息隐藏

目的 针对目前信息隐藏的嵌入和提取函数为固定表达式,存在容易被隐写分析和非法提取信息的安全隐患,以及基于模函数的隐写研究现状,提出信息隐藏参数化设计思想、优化参数化二元模映射隐写算法。方法 首先提出信息隐藏参数化设计定义和分析参数化信息隐藏算法的安全性,然后提出优化参数化二元模映射隐写算法。优化参数化二元模映射隐写算法将两个像素值优化组合后的模运算结果映射到一位n²进制信息,从而实现信息隐藏。结果 优化参数化二元模映射隐写算法的密钥空间大,载密图像均方差小于或等于同类算法。结论 信息隐藏参数化设计可以有效提高信息隐藏算法的抗隐写分析能力和抗信息提取能力;优化参数化二元模映射隐写算法与同类算法相比,具有更好的载密图像视觉质量和安全性。     

分类与分割相结合的JPEG图像隐写分析

目的 隐写分析研究现状表明,与秘密信息的嵌入过程相比,图像内容和统计特性差异对隐写检测特征分布会造成更大的影响,这导致图像隐写分析成为了一个"相同类内特征分布分散、不同类间特征混淆严重"的分类问题。针对此问题,提出了一种更加有效的JPEG图像隐写检测模型。方法 通过对隐写检测常用的分类器进行分析,从降低隐写检测特征类内离散度的角度入手,将基于图像内容复杂度的预分类和图像分割相结合,根据图像内容复杂度对图像进行分类、分割,然后分别对每一类子图像提取高维富模型隐写检测特征,构建分类器进行训练和测试,并通过加权融合得到最终的检测结果。结果 在实验部分,对具有代表性的隐写检测特征集提取了两类可分性判据,对本文算法的各类别、区域所提取特征的可分性均得到明显提高,证明了模型的有效性。同时在训练、测试图像库匹配和不匹配的情况下,对算法进行了二分类测试,并与其他算法进行了性能比较,本文算法的检测性能均有所提高,性能提升最高接近10%。结论 本文算法能够有效提高隐写检测性能,尤其是在训练、测试图像库统计特性不匹配的情况下,本文算法性能提升更加明显,更适合于实际复杂网络下的应用。     

利用模运算及其周期性特点的安全隐写算法

为了提供较大的可调信息嵌入量和保持载密图像良好的视觉质量,提出一种基于模运算及其周期性特点的安全隐写算法。首先将秘密信息流转为n进制信息流表示,然后根据余数循环的特点,应用具有安全特性的模函数将一位n进制信息嵌入载体图像的一个像素中,直至信息嵌入完毕。选择不同的参数n可以得到不同的嵌入率和载密图像视觉质量。理论分析和实验结果表明,本文算法在保持高嵌入率的同时仍保持较好的载密图像视觉质量,且安全性好;其信息嵌入率选择具有高度弹性,可以根据实际要求选择在嵌入率和载密图像质量都很理想的隐写方案。与同类算法相比具有更强的实用性。     

利用像素置换的自适应可逆信息隐藏

目的 像素置换作为一种可逆信息隐藏方式具有良好的抗灰度直方图隐写分析能力,但嵌入容量偏小一直是其缺陷。针对这一问题,提出了一种基于像素置换的自适应可逆信息隐藏算法。方法 首先,与传统2×2像素块结构相比构造了尺寸更小的像素对结构,使得载体图像可以被更稠密地分割,为嵌入容量的提升提供了基数条件。其次,提出适用于该新像素结构的可嵌像素对（EPP）筛选条件,避免嵌入过程引起图像质量大幅下降。之后,根据EPP的灰度趋势差异对其进行自适应预编码,提高Huffman编码压缩比,进一步提升算法嵌入容量。最终,通过像素置换嵌入信息。结果 与2×2像素块结构的非自适应图像隐写算法相比,在同样保证灰度直方图稳定性的情况下该算法的PSNR提高了32%左右,嵌入容量提高了95%以上。其中自适应性对嵌入容量提升的贡献极大。结论 本文算法同时具有抗灰度直方图隐写分析能力与高嵌入容量性的可逆信息隐藏。算法构造了更高效的可嵌单位,并且针对不同载体图像的特点对其可嵌区域进行差异化编码。实验结果表明,本文算法在具有更好的不可见性的同时,嵌入容量得到大幅提升。     

以运动矢量残差为载体的视频隐写算法

目的 以运动矢量（MV）为载体的视频隐写算法会破坏同一帧内相邻宏块或者相邻帧相同位置宏块的运动矢量之间的相关性,从而容易被基于运动矢量时空相关性（temporal-spatial correlation）特征的隐写分析算法检测到。为了解决这个问题,在H.264/AVC的视频编解码标准下构建了一种能抵抗基于运动矢量时空相关性隐写分析的视频隐算法。方法 通过分析运动矢量残差（MVD）与运动矢量时空相关性的联系,证明了保持运动矢量残差的统计特征的隐写算法能够很好地保持视频运动矢量的时空相关性;通过分析运动矢量残差的统计特征设置了一种能保持其直方图特征的嵌入规则,使用4个标记符和一个队列来记录修改载体造成的特征改变,并进行相应的补偿操作,将秘密信息嵌入到视频压缩过程中的熵编码之前的运动矢量残差中;结合可变长度的矩阵编码,有效降低了嵌入秘密信息对载体的修改量。结果 实验结果表明,该算法能较好地保持运动矢量残差在隐写前后的直方图特征,具有较好的视觉不可见性,对视频峰值信噪比（PSNR）和码率影响都不超过0.5%,满载嵌入的情况下基于运动矢量时空相关性的隐写分析算法对其的检测正确率只有70%左右。结论 本文算法以运动矢量残差为隐写嵌入的载体,使用保持其直方图特征的嵌入规则,结合了矩阵编码以减低对载体的修改量,能较好抵抗基于运动矢量时空相关性的隐写分析。     

融合最小化失真与模型保持的隐写算法

目的 为了保证载密图像的抗统计分析能力同时避免对特定载体模型的过度优化,提出一种以最小化失真为目标的隐写算法。方法 算法以各方向元素基团为基本单元定义失真函数,以Fisher准则函数的极大值为标准对失真参数进行优化,将失真函数与统计特征相关联。在秘密信息的嵌入过程中,首先依据邻域系统将图像载体分为若干元素阵列,令不同的阵列对应不同的特征子集,再利用Gibbs抽样和STC(Syndrome-trellis code)编码实现对这些有所差异的特征子集的集成,从而在最小化失真的同时保持载体的统计特征。结果 在3组不同维数的检测算法下比较该算法与同类算法的分类误差。结果表明,该算法能更好地保持统计模型,嵌入率为0.5 bit/pixle时相应特征集的检测误差仍高于0.4,面临高维检测时算法同样具有较高的安全性。结论 该算法借助最小失真思想实现了隐写前后统计特征的保持,且有效避免了在不完整模型上的过度优化,拥有比同类算法更好的适应性和安全性。     

生成对抗网络驱动的图像隐写与水印模型

目的 图像信息隐藏包括图像隐写术和图像水印技术两个分支。隐写术是一种将秘密信息隐藏在载体中的技术,目的是为了实现隐秘通信,其主要评价指标是抵御隐写分析的能力。水印技术与隐写术原理类似,但其是通过把水印信息嵌入到载体中以达到保护知识产权的作用,追求的是防止水印被破坏而尽可能地提高水印信息的鲁棒性。研究者们试图利用生成对抗网络（generative adversarial networks,GANs）进行自动化的隐写算法以及鲁棒水印算法的设计,但所设计的算法在信息提取准确率、嵌入容量和隐写安全性或水印鲁棒性、水印图像质量等方面存在不足。方法 本文提出了基于生成对抗网络的新型端到端隐写模型（image information hiding-GAN,IIH-GAN）和鲁棒盲水印模型（image robust blind watermark-GAN,IRBW-GAN）,分别用于图像隐写术和图像鲁棒盲水印。网络模型中使用了更有效的编码器和解码器结构SE-ResNet（squeeze and excitation ResNet）,该模块根据通道之间的相互依赖性来自适应地重新校准通道方式的特征响应。结果 实验结果表明隐写模型IIH-GAN相对其他方法在性能方面具有较大改善,当已知训练好的隐写分析模型的内部参数时,将对抗样本加入到IIH-GAN的训练过程,最终可以使隐写分析模型的检测准确率从97.43%降低至49.29%。该隐写模型还可以在256×256像素的图像上做到高达1 bit/像素（bits-per-pixel）的相对嵌入容量;IRBW-GAN水印模型在提升水印嵌入容量的同时显著提升了水印图像质量以及水印提取正确率,在JEPG压缩的攻击下较对比方法提取准确率提高了约20%。结论 本文所提IIH-GAN和IRBW-GAN模型在图像隐写和图像水印领域分别实现了领先于对比模型的性能。     

基于运动矢量多直方图修正的视频可逆隐写算法

针对基于直方图平移的视频隐写算法与视频内容相关性不强进行了研究,提出了一种基于运动矢量多直方图修正的H.264视频可逆隐写算法。该算法通过统计特定帧中宏块移动的速度特性和散乱度对人眼视觉的敏感程度设计修正参数,再根据修正参数设计多个二维直方图,最后在非特定帧中通过二维直方图修正算法嵌入信息。实验结果表明：与同类型视频隐写算法相比,嵌入容量平均提高8.2%,在满嵌时该算法的PSNR和SSIM的变化值分别平均降低19.9%和17.5%,该算法在保持较低的比特率变化下,具有更好的嵌入容量和不可感知性。     

基于奇异值的鲁棒图像隐写算法

为提高数字图像隐写算法的鲁棒性和透明性,提出一种基于奇异值分解和矩阵编码的图像隐写算法。分析奇异值分解的稳定性,采用EMD （exploiting modification direction）矩阵编码方法,将秘密信息嵌入在将图像块进行奇异值分解所得的奇异值向量中。图像块奇异值的稳定性保证隐写算法的鲁棒性,采用EM D编码算法嵌入秘密信息比特使得算法具有较高的嵌入效率。实验结果表明,该算法嵌入秘密信息后图像失真小,与原始 EM D算法相比,该算法具有更好的鲁棒性。该算法能够很好的应用于噪声环境下的图像隐写技术。     

无损载体和鲁棒代价结合的JPEG图像鲁棒隐写

目的传统隐写技术在实际社交网络信道上难以保护秘密信息的完整性。在社交网络中,图像往往经过有损压缩信道进行传输,从而导致隐蔽通信失效。为了保证经过压缩信道传输的载密图像鲁棒性,设计安全鲁棒的隐蔽通信技术具有实际应用价值。基于最小化图像信息损失,本文提出无损载体和鲁棒代价结合的JPEG图像鲁棒隐写。方法首先,指出构造无损载体能有效维持隐写安全性和鲁棒性的平衡,对经过压缩信道前后的JPEG图像空域像素块进行差分,构造无损载体以确定鲁棒嵌入域;其次,通过对离散余弦变换(discrete cosine transform, DCT)系数进行"±1"操作,并计算空域信息在压缩传输前后的损失,设计衡量DCT系数抗压缩性能的鲁棒代价;同时,验证在低质量因子压缩信道下鲁棒代价更能区分DCT系数的鲁棒能力,最后,利用校验子格编码(syndrome-trellis code, STC),结合无损载体和鲁棒代价对秘密信息进行嵌入。结果实验在BossBase1.01图像库上进行对比实验,相比于传统JPEG隐写技术,构造无损载体作为嵌入域能有效地将信息平均提取错误率降低24.97%,图像的正确提取成功率提高了21...     

基于边缘计算的进化多目标优化图像隐写算法

边缘计算解决了终端因计算资源有限而不能运行复杂应用的弊端,在实际应用中可以支持计算资源受限的终端实现基于图像隐写的隐蔽通信.提出了一种适用于边缘计算场景的进化多目标优化图像隐写算法,首先将优化隐写不可察觉性和隐写安全性作为目标函数,给出了图像隐写的形式化定义;其次通过多个定向和非定向的高通滤波器对图像进行预处理,得到叠加的滤波残差作为秘密信息嵌入的候选位置;然后利用遗传算法中的基因操作,在候选位置中逐代寻找适应度高的个体以得到进化多目标优化问题的最优解;最后,在最优解对应的像素位置实现秘密信息的嵌入.通过和现有算法的仿真对比分析结果表明：提出的算法能够很好地保持图像质量,具有较好的抵抗隐写分析的能力.     

安全的MPEG压缩视频数字隐写算法

视频数字隐写具有隐藏容量大的优点,但是通常在获得隐藏容量的间时,却忽视了安全性.为了在二者之间取得平衡,利用纠错码信息隐藏的原理,提出了一种以压缩视频为载体的数字隐写算法.该算法在进行秘密信息嵌入时,采用了二次嵌入的策略,即首先将秘密信息嵌入到纠错码码字,然后将得到的载密纠错码码字嵌入到与不采用差分编码的系数相对应的行程幅度对的幅度值,同时采用比特率控制策略来减小信息嵌入前后的视频流长度变化.实验及分析表明,该算法的隐写结果不仅具有较好的视觉和统计上的不可感知性,而且满足密码学中的"Kerchhoff准则".此外,该算法在确保一定的嵌入容量的情况下,能够使视频流长度在信息嵌入前后保持近似不变.     

引入超分辨率下采样误差的图像边信息估计隐写

目的由于空域图像下采样过程中提供的量化误差边信息能够有效提升隐写安全性,为了得到下采样之前的高分辨率图像,提出一种基于超分辨率网络的空域图像边信息估计隐写方法。方法受原始下采样边信息隐写方法的启发,使用超分辨率网络生成被称为预载体的高分辨率图像。同时利用现有的空域图像对称失真算法得到每个像素点的修改失真,然后以浮点型精度对预载体下采样,得到和载体同分辨率的图像形式,利用对应像素点间的差值指导像素点的修改方向,实现基于初始失真的非对称失真调整。首先以峰值信噪比和极性估计准确率为指标对比了多种超分辨率网络以及基于传统插值方法的上采样性能,并通过调整初始失真分别进行隐写和隐写分析实验,选择使安全性提升最大的残差通道注意力机制网络及其对应调整系数作为本文的下采样边信息估计隐写方法。结果使用隐写领域中常用的3个数据库、两种传统初始失真函数以及两类隐写分析方法进行实验。在跨数据集的隐写安全性上,相比传统隐写方法,在对抗基于手工特征和基于深度学习的隐写分析时,本文方法的安全性均有显著提升,如在测试集载体图像上,嵌入率为0.5 bit/像素时,安全性分别提升6.67%和6.9%;在训练集载体图像上,本...     

基于多尺度滤波器的空域图像隐写增强算法

隐写是一种利用图像、视频、音频等多媒体载体实现隐蔽传输的技术.如何在尽可能减少对载体影响的情况下嵌入尽可能多的信息一直是隐写算法的研究重点.随着双层校验格码(syndrome tellis codes, STC)的引入,隐写算法的嵌入效率能够达到理论上界.因此,隐写算法的设计重心变为了设计用于衡量图像像素嵌入安全性的失真函数.失真函数是自适应隐写算法的核心.对于空域图像隐写而言,失真函数通常是基于图像的复杂性原则,即载体图像中的纹理区域通常具有较低的失真代价,而平坦区域通常具有更高的失真代价.然而,基于图像内容的多样性,这种准则并不能适用于一幅图像中的所有像素点.提出了一种适用于空域隐写算法的隐写增强算法,通过多尺度滤波器对载体图像进行增强,使得在增强不同尺度的纹理区域的同时减少对图像平坦区域的增强.增强后的失真代价遵循了复杂性原则,并解决了失真代价分配不当的问题.实验结果表明：所提出的算法能够适用于现有的空域隐写算法,并且能够提升它们的抗隐写分析检测能力.     

面向可逆图像处理网络的可证安全自然隐写

目的 自然隐写是一种基于载体源转换的图像隐写方法,基本思想是使隐写后的图像具有另一种载体的特征,从而增强隐写安全性。但现有的自然隐写方法局限于对图像ISO(International Standardization Organization)感光度进行载体源转换,不仅复杂度高,而且无法达到可证安全性。为了提高安全性,本文结合基于标准化流的可逆图像处理模型,在隐空间完成载体源转换,同时通过消息映射的设计做到了可证安全的自然隐写。方法 利用目前发展迅速的基于可逆网络的图像处理方法将图像可逆地映射到隐空间,通过替换使用的隐变量完成载体源的转换,从而避免对原始图像复杂的建模。同时,改进了基于拒绝采样的消息映射方法,简单地从均匀分布中采样以获得需要的条件分布,高效地将消息嵌入到隐变量中,并且保证了嵌入消息后的分布与原本使用的分布一致,从而实现了可证安全的自然隐写。结果 针对图像质量、隐写容量、消息提取准确率、隐写安全性和运行时间进行了实验验证,结果表明在使用可逆缩放网络和可逆去噪网络时能够在每个像素值上平均嵌入5.625 bit消息,且具有接近99%的提取准确率,同时隐写分析网络SRNet(st...     

LSB嵌入方法的载体图像区域选择

针对在密写术中的LSB（最低有效位）嵌入方法会对载体图像的平滑区域造成破坏,导致载体图像的不可感知性下降和不可检测性降低的问题,提出了一种区域选择方法,避免载体图像的脆弱区域在LSB嵌入操作中被破坏。通过实验证明了,该方法可以有效改善视觉不可感知性,提高对LSB嵌入操作的不可检测性。     

基于行程编码的二值图像数字隐写算法

针对二值图像仅有两种颜色,对像素修改敏感的特点,提出了一种基于行程编码的二值图像数字隐写算法.将原始图像划分成子块,并以zigzag扫描的顺序对块内像素进行行程编码,通过修改较大的行程来嵌入信息.修改行程时采用行程拆分与合并策略.并考虑对应像素的"可翻转度".同时.秘密信息嵌入时利用纠错码数字隐写的原理,通过使用共享密钥来进一步增强算法的安全性.实验结果表明,该算法不仅具有一定的隐藏容量,而且保证了我密图像质量,并能够较好地保持行程统计特性,从而说明该算法具有较高的安全性.     

基于注意力机制的高容量通用图像隐写模型

随着深度学习与隐写技术的发展,深度神经网络在图像隐写领域的应用越发广泛,尤其是图像嵌入图像这一新兴的研究方向.主流的基于深度神经网络的图像嵌入图像隐写方法需要将载体图像和秘密图像一起输入隐写模型生成含密图像,而最近的研究表明,隐写模型仅需要秘密图像作为输入,然后将模型输出的含密扰动添加到载体图像上,即可完成秘密图像的嵌入过程.这种不依赖载体图像的嵌入方式极大地扩展了隐写的应用场景,实现了隐写的通用性.但这种嵌入方式目前仅验证了秘密图像嵌入和恢复的可行性,而对隐写更重要的评价标准,即隐蔽性,未进行考虑和验证.提出一种基于注意力机制的高容量通用图像隐写模型USGAN,利用注意力模块, USGAN的编码器可以在通道维度上对秘密图像中像素位置的扰动强度分布进行调整,从而减小含密扰动对载体图像的影响.此外,利用基于CNN的隐写分析模型作为USGAN的目标模型,通过与目标模型进行对抗训练促使编码器学习生成含密对抗扰动,从而使含密图像同时成为攻击隐写分析模型的对抗样本.实验结果表明,所提模型不仅可以实现不依赖载体图像的通用嵌入方式,还进一步提高了隐写的隐蔽性.     

基于条件可逆网络的生成式图像隐写算法

近年来,随着生成模型的广泛使用,生成式隐写领域得到了快速发展。生成式隐写是在图像合成过程中隐藏信息的技术。它无需真实图像参与,只需秘密消息驱动生成模型即可合成载密图像。然而,现有方法无法控制生成的图像内容,因此不能保证隐蔽通信行为的安全性。针对上述问题,本文提出了基于条件可逆网络(Conditional Invertible Neural Network,cINN)的生成式图像隐写术steg-Cinn。在本文中,我们将信息隐藏建模为图像着色问题,并将秘密信息嵌入到灰度图像的颜色信息中。首先,我们使用映射模块将二进制秘密信息转换为服从标准正态分布的隐变量。而后,我们以灰度图像作为先验来指导着色过程,使用条件可逆网络来将隐变量映射为颜色信息。其中steg-Cinn生成的彩色图像匹配灰度图像的语义内容,从而保证了隐蔽通信的行为安全。对比实验结果表明,本文方法能够控制生成的图像内容并且使得合成颜色真实自然,在视觉隐蔽性方面表现良好。在统计安全性方面,本文方法的隐写分析检测正确率为56.28%,说明它能够抵御隐写分析检测。此外,本文方法在比特消息提取方面可以实现100%正确提取,这种情况下的隐藏容量是2.00 bpp。因此,与现有方法相比,本文方法在图像质量、统计安全性、比特提取正确率和隐藏容量方面取得了良好的综合性能表现。迄今为止,本文方法是在图像隐写术中首次使用cINN的工作。考虑到任何信息都可以转换为二进制形式,我们可以在图像中隐藏任意类型的数据,因此本文方法在现实世界里也具备实用价值。