适应多种信道的安全隐写：基础理论和关键技术研究

Steganography is important for the national security. However, there still exists a gap between the current studies and what is needed in the practice, and the following problems need to be solved: (1) the conventional steganography is not well-established and standardized for the complex communication environment; (2) the current mainstreams of steganography, i.e., the variations combination of STC with a specific design of cost function, are all empirically designed without rigorous proofs, and cannot guarantee the optimal security; (3) there still lacks the notable steganography applications for some real-world scenarios including the mobile Internet, big data processing and social network. To address these problems, the proposed project will develop the basic theories and the key techniques for multi-channels steganography, and formulate a corresponding validation system for secure steganography. For theoretical aspect, we will study the theoretical capacity-distortion limits for variational steganography channel and multi-channels steganography, respectively. For key techniques, we aim to develop a new framework by considering the optimal modification probability to minimize the embedding distortion with respect to the secure steganographic rule, so that the current steganography can be improved in terms of variational, multi-covers and robust aspects.

隐写技术对国家安全而言意义重大。然而，现有研究成果远不能满足各种实际需求, 亟待解决的问题主要包括：（1）面对不断涌现的通信新形态，传统隐写理论尚不足以对复杂通信环境中的隐写方法设计进行有效指导；（2）目前主流的“STC+失真代价函数”隐写框架是一种经验性设计方法，无法保证隐写安全性达到最优；（3）面对移动互联、大数据与社交网络等新环境下的隐写需求，目前隐写技术缺乏应对策略。本项目将针对上述问题，研究面向多种信道安全隐写的基础理论和关键技术，并构建隐写验证系统，推动隐写技术发展。基础理论方面，将针对两种具体应用场景，发展状态可变信道隐写和多信道隐写的容量理论界。关键技术方面，将通过极小化隐写安全性度量得到最优修改概率和失真代价，构建基于最优修改概率的安全隐写新框架；将发展可伸缩隐写技术、鲁棒安全隐写技术和多载体联合隐写技术，为拓展隐写应用新模式提供技术储备。

本项目研究面向多种信道安全隐写的基础理论和关键技术，构建安全隐写新框架，发展可伸缩隐写技术（快速嵌入）、鲁棒安全隐写技术（鲁棒嵌入）和多载体联合隐写技术（多载体嵌入），并构建隐写验证系统。理论方面，和传统的通过优化图像失真设定失真代价的方式不同，我们转而考虑隐写检测对隐写安全性的影响，并基于此提出了一种一般化的JPEG图像隐写的失真代价函数设计框架。此外，我们提出了一种高效的基于多直方图修改的嵌入框架，并给出了相应离散优化问题的最优解，可以满足高容量嵌入。针对快速嵌入，对于低容量的高保真嵌入要求，我们拓展了项目负责人之前提出的PVO方法，和像素位置信息相结合，生成了更适合嵌入的直方图。同时，结合自学习机制，实现了该框架下的快速映射选择以及嵌入。鲁棒嵌入方面，我们提出了一种基于独立嵌入域的两阶段鲁棒可逆隐藏算法。首先将载体图像转换为两个独立嵌入域，然后将鲁棒和可逆水印分别嵌入到每个域。通过独立变换，两个域水印的嵌入互不干扰，第一嵌入阶段产生的携带鲁棒水印的载体不会受第二阶段可逆水印嵌入的影响，因此很好地保持了第一阶段的鲁棒性。多载体嵌入方面，之前工作的失真函数是从载体选择和有效负载分配中分离出来的，并大都是基于经验设计的。为了提高安全性，我们提出了一种新的基于生成网络的多载体隐写策略。我们全面考虑了载体选择、有效载荷分配和失真评估等问题，最后利用由修正概率矩阵转换而来的代价矩阵结合STC编码实现三元嵌入。此外，我们研究了多载体嵌入中的载体选择问题，提出对部分可用载体图像进行前期处理以提高视觉质量和隐写安全性。本项目还实现了原型验证系统，并在国家某部委得到初步应用。本项目的研究成果将为拓展隐写应用新模式提供技术储备。