自适应图像隐写的失真函数与嵌密位置研究

Image content features based adaptive image steganography is an important technology in the field of information hiding. This technology focuses on the design of distortion function and the choice of embedding positions to achieve secure steganography. In case a steganographer chooses embedding positions with minimal distortion, it is straightforward for an attacker to find out these positions given the information of the distortion function, which leads to a potential threat to steganographic security. The existing distortion functions tend to neglect the interactions among image pixel modifications, and the effect of steganographic capacity on the distortion. This project is proposed to improve steganographic security and tackle the above problems from three aspectives: 1) Construct the matrix of differential complexity to quantitatively reflect the interactions among image pixel modifications, establish an optimization model to describe the effect of steganographic capacity, and design a non-additive distortion function. 2) Establish a game-theoretic model for adaptive image steganography with a public distortion function, and present embedding strategies that satisfy Nash equilibrium. 3) Propose security constraints of embedding distortions and selection strategies of embedding positions, and design secure adaptive image steganographic methods to optimize embedding distortions and conceal embedding positions. The project is expected to expand the research area of adaptive image steganography, and provide theoretical support for covert communication applications in military and commercial domains.

基于图像内容特征的自适应图像隐写已成为信息隐藏领域的一项重要技术，其研究重点是合理设计失真函数和选择嵌密位置以实现安全隐写。若仅以失真最小化为目标选择嵌密位置，易被已知失真函数的攻击者获取位置信息，对隐写安全性构成潜在威胁。现有失真函数尚未较好地反映图像像素发生嵌入修改时的相互作用，以及隐写容量对嵌入失真的影响。针对上述问题，本项目以提高隐写安全性为目的展开深入研究。具体包括：1) 构建反映嵌入修改相互作用的差分复杂度矩阵，建立定量刻画隐写容量影响的最优化模型，解决非加性失真函数设计问题。2) 以失真函数完全公开化为背景，建立自适应图像隐写博弈模型，提出满足纳什均衡的隐写策略。3) 提出失真函数的安全约束和嵌密位置的选择策略，设计满足嵌入失真优化和嵌密位置掩蔽的安全自适应图像隐写方案。本项目有望扩展自适应图像隐写的研究领域，为隐写术在军事和商业等高机密领域上的隐秘通信应用提供理论支撑。

本项目属于多媒体信息安全领域，致力于研究自适应图像隐写实际应用中亟需解决的失真函数合理设计和嵌密位置安全选择。课题组主要研究了基于失真函数的自适应图像隐写方案设计、自适应图像隐写的博弈论模型、嵌密位置的选择策略、加密图像以及彩色图像的信息隐藏技术。研究成果丰富了自适应图像隐写的基础理论与方案设计，有效提高了自适应图像隐写安全性，扩展了图像隐写的研究领域。.在本项目的资助下，课题组共发表学术论文19篇（项目负责人为第一/通信作者14篇），其中包括SCI论文12篇，CCF 推荐学术会议论文3篇，国内权威期刊1篇。培养了6名研究生，参与国际国内学术会议13人次，邀请国内外专家来校讲学2人次，取得了预期的研究成果。.取得的主要研究成果包括：1）提出一种针对图像空间域像素关系的自适应图像隐写设计通用框架；构造了一种基于三维立体参考表的图像隐写算法；设计了一种聚合DCT系数块间的嵌密修改方向的策略；提出了两种多载体图像隐写的嵌密策略。上述成果实现了以优化嵌入失真和掩蔽嵌密位置为双重目标的自适应图像隐写方案。2）设计了一种基于博弈论的失真函数以及相应的隐写方案；建立混合策略博弈模型刻画隐写者和攻击者的博弈对抗关系。上述成果为安全自适应图像隐写提供了基础理论依据。3）利用取整函数对图像像素值进行置乱预处理；通过系统参数控制和Arnold变换设计了随机非满嵌操作；引入多进制来动态修改单位像素块的待嵌密信息；利用补丁分块增强各子块图像的动态嵌密相关性。上述成果解决了现有研究仅以嵌入失真最小化为目标选取嵌密位置所造成的信息泄露问题。4）提出一种基于多维度图像平滑度计算方法的密文域信息隐藏算法；结合压缩感知技术和DFT变换提出了一种密文域信息隐藏算法；设计了基于兴趣区域的加密医学图像数据隐藏方案。上述成果实现了将自适应隐写思想引入到加密图像。5）通过预测彩色图像不同通道的失真度量分布和像素修改位置，分别提出了内容自适应的彩色图像隐写和隐写分析方法；提出了一种基于增大通道间修改概率的容量分配策略。上述成果对基于失真函数的彩色图像信息隐藏研究具有重要的指导意义。