数字图像自嵌入与恢复的理论和方法研究

在数字图像中隐藏与自身相关的信息，利用嵌入数据进行完整性认证并恢复被篡改的原始内容，是数字图像内容保护的有效手段之一。该思路提出至今，尚缺乏系统的理论分析，许多学术问题有待深入研究。本项目从信息论出发，建立图像自嵌入与恢复的理论模型，研究嵌入引起的载体失真、篡改程度、恢复质量三者之间相互制约的规律。并在此基础上实现自嵌入与恢复的方法创新和技术突破：发展对局部特性自适应的非均匀自嵌入策略与恢复方法，改变单一的均匀数据表示方式，实现非均匀参考数据的生成与嵌入，并在自恢复中结合图像修复的思想，从而有效提高参考数据编码的嵌入效率和篡改区域的恢复质量；发展具有弹性恢复（flexible recovery）能力的嵌入与恢复方法，打破交叉嵌入与等质恢复的局限，充分利用载体的嵌入容量，实现恢复质量随篡改或攻击程度动态变化的自适应恢复。项目成果对数字图像保护和多媒体信息安全具有重要意义。

本项目开展基于自嵌入与恢复的数字图像内容保护技术研究，对多媒体信息安全有重要意义。项目组围绕图像自嵌入与恢复主题展开理论与方法研究，取得了一系列研究成果。在自嵌入与恢复的理论和编码研究中，从嵌入容量与恢复两方面分析了嵌入与图像恢复的基本原理，提出的数据嵌入与纠错理论，可为自嵌入问题中的篡改恢复提供理论支持；发展了系列可用于自嵌入与恢复的数据隐藏编码方法，其中大容量可逆数据隐藏编码方案，在提取数据的同时可无损恢复原始图像，其性能优于以往的嵌入方法。在自嵌入与恢复的方法研究方面，项目组首先提出了基于局部特性自适应的非均匀自嵌入与恢复方法，使用显著性分类算法来界定图像各区域的不同特点，相应地采用不同的编码方法生成参考数据，数据嵌入时在不同区域隐藏非均匀的数据量，可避免含密图像中出现伪轮廓等现象，接收端对篡改图像进行恢复时，通过提取参考数据并重构图像，可对具有不同显著性程度的区域实现不同质量的恢复。在此基础上，项目组先后提出了两种基于弹性恢复原理的自嵌入与恢复方法，即基于分层编码的弹性恢复、结合嵌入式小波零树编码和喷泉码的弹性自恢复，在表示参考数据时使用采用分层编码的思想来提升压缩性能，结合嵌入式小波零树与Fountain编码来抵抗“篡改巧合”问题，接收端从未被篡改区域提取数据可有效恢复原始内容，且恢复质量随篡改面积的大小而动态变化：篡改越少恢复质量越高；与以往基于分块DCT的同类型方法相比，克服了传统方法在重建图像时出现的块效应问题，有效地提高了恢复图像的视觉效果。另外，项目组提出密文图像的可逆数据隐藏方法，在隐私保护的前提下，允许云服务器实现附加信息的嵌入，并保证接收端在提取附加信息的同时可无损恢复原始图像；还提出了基于局部能量特性的数字图像篡改取证方法、基于质量优化的JPEG图像反取证方法、自适应JPEG隐写与隐写分析方法等，推动了多媒体信息安全的发展。