一種動(dòng)態(tài)更新失真代價(jià)的自適應(yīng)±k隱寫算法

湯光明 邊 媛 韋大偉 高瞻瞻 朱垚臻

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一種動(dòng)態(tài)更新失真代價(jià)的自適應(yīng)±隱寫算法

湯光明 邊 媛*韋大偉 高瞻瞻 朱垚臻

(解放軍信息工程大學(xué) 鄭州 450001)

基于失真函數(shù)的自適應(yīng)隱寫技術(shù)在嵌入過程中，忽略了嵌入操作相互間的影響，隱寫策略無(wú)法隨載體統(tǒng)計(jì)特性的改變自適應(yīng)地調(diào)節(jié)?？紤]嵌入操作的交互影響，該文提出一種基于動(dòng)態(tài)更新失真代價(jià)的±隱寫算法。首先分析了中心像素與其鄰域的相關(guān)性，理論證明了在4-鄰域修改情況下中心像素的最優(yōu)修改方式，進(jìn)而提出了失真代價(jià)更新策略MDS(Modification Degree Strategy)；并結(jié)合該策略設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種自適應(yīng)±隱寫算法。實(shí)驗(yàn)表明，五元修改方式下算法UNIWARD-MDS(Pentary Version)在高嵌入率下(0.5~1.0 bpp)的抗SRM檢測(cè)性優(yōu)于S-UNIWARD(Pentary Version)，同時(shí)在抵抗maxSRMd2檢測(cè)時(shí)不同嵌入率下均優(yōu)于S-UNIWARD(Pentary Version)；三元修改方式下算法HILL-MDS和UNIWARD-MDS(Ternary Version)抗檢測(cè)性能優(yōu)于對(duì)應(yīng)的自適應(yīng)隱寫算法HILL和S-UNIWARD(Ternary Version)。

信息安全；隱寫；自適應(yīng)隱寫；動(dòng)態(tài)更新失真代價(jià)

1 引言

隱寫術(shù)作為信息隱藏的重要分支，利用數(shù)字載體在時(shí)間、空間等方面的冗余特性，將秘密信息隱藏于公開的數(shù)字載體中進(jìn)行傳遞。目前隱寫術(shù)主要分為兩大類：自適應(yīng)隱寫和非自適應(yīng)隱寫技術(shù)。自適應(yīng)隱寫[1]，即在秘密信息嵌入過程中根據(jù)載體內(nèi)容特性自定義隱寫策略，將秘密信息嵌入到最不容易被懷疑的區(qū)域，提高算法抗隱寫分析的能力。

自適應(yīng)隱寫技術(shù)，待解決的關(guān)鍵問題是失真函數(shù)的定義和隱寫編碼的設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[2]提出的病灶格子編碼(Syndrome Trellis Code, STC)可較好地解決自適應(yīng)隱寫編碼的設(shè)計(jì)問題。因此，目前自適應(yīng)隱寫技術(shù)的主要研究點(diǎn)為設(shè)計(jì)合理的失真函數(shù)。文獻(xiàn)[3]利用單個(gè)像素修改前后含密載體與原載體圖像特征前后變化量定義像素失真，該特征來(lái)源于隱寫分析算法SPAM[4]。文獻(xiàn)[5]提出了WOW，利用方向?yàn)V波(小波分析領(lǐng)域)來(lái)定義空域圖像嵌入失真。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)的隱寫算法通過方向?yàn)V波對(duì)載體圖像進(jìn)行分解，利用水平、垂直、對(duì)角方向的濾波噪聲殘差定義像素的修改代價(jià)。該算法可應(yīng)用于定義任意域的通用小波相對(duì)失真(UNIversal WAvelet Relative Distortion, UNIWARD)，其中應(yīng)用于空域的算法稱為空域UNIWARD (Spatial-UNIWARD, S-UNIWARD)。文獻(xiàn)[7]提出了HILL，該算法利用文獻(xiàn)[8]提出的擴(kuò)散原則對(duì)UNIWARD中的失真函數(shù)進(jìn)行修改，使用了一個(gè)高通濾波器和兩個(gè)低通濾波器，使像素的修改位置集中在載體紋理復(fù)雜區(qū)域，提高了抗隱寫分析能力。

上述失真函數(shù)一次性分配載體元素的失真代價(jià)，將單個(gè)載體元素對(duì)整個(gè)載體統(tǒng)計(jì)特性的影響作為該載體元素的失真代價(jià)，忽略像素鄰域修改方式對(duì)其嵌入失真代價(jià)的影響。而當(dāng)載體元素發(fā)生修改時(shí)，整個(gè)載體的統(tǒng)計(jì)特性發(fā)生變化，初始分配的失真代價(jià)此時(shí)并不能完全反映載體的紋理特性，即不能根據(jù)載體統(tǒng)計(jì)特性的變化自適應(yīng)地調(diào)節(jié)隱寫策略。文獻(xiàn)[9]提出了一種在嵌入過程中動(dòng)態(tài)更新失真代價(jià)的隱寫算法，即在嵌入秘密信息后更新整個(gè)載體，并重新計(jì)算待嵌入?yún)^(qū)域載體元素的失真代價(jià)。該算法首次提出了動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)失真代價(jià)的思想。文獻(xiàn)[10]提出了基于2-像素基團(tuán)的像素失真代價(jià)更新策略。此更新策略主要考慮了4鄰域的每個(gè)像素對(duì)中心像素的失真代價(jià)造成的影響，將此種改變疊加以定義中心像素的失真代價(jià)。該算法計(jì)算復(fù)雜度較低，但缺陷是未同時(shí)考慮4鄰域像素的修改情況對(duì)中心像素的交互影響。文獻(xiàn)[11]提出了CMD算法，一種動(dòng)態(tài)更新載體元素失真代價(jià)的空域隱寫方案。根據(jù)其原載體圖像中4鄰域?qū)?yīng)位置的像素修改方式頻數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)像素失真代價(jià)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，提高了算法的抗檢測(cè)性。上述失真代價(jià)更新策略的研究工作主要針對(duì)三元修改方式下的載體元素，針對(duì)多元隱寫的失真代價(jià)動(dòng)態(tài)更新策略并未見公開文獻(xiàn)予以討論。

因此，本文在文獻(xiàn)[11]工作的基礎(chǔ)上，主要研究了多元修改方式下的自適應(yīng)隱寫技術(shù)，推廣了文獻(xiàn)[11]提出的失真代價(jià)更新策略；提出一種適用于多元修改方式的像素失真代價(jià)更新策略—MDS (Modification Degree Strategy)，并結(jié)合該策略實(shí)現(xiàn)了的自適應(yīng)隱寫算法。首先，引入了像素相關(guān)度的概念，用以衡量像素與其4鄰域的相關(guān)性強(qiáng)弱；定義了像素修改度，以度量像素在不同修改方式下與其4鄰域的相關(guān)度大小；之后，根據(jù)像素在不同修改方式下的修改度大小，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)其對(duì)應(yīng)的失真代價(jià)，保證像素隱寫后與其鄰域保持較強(qiáng)的相關(guān)性。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)±的修改方式提出具體的失真代價(jià)更新方法，進(jìn)而結(jié)合現(xiàn)有的多元失真函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)隱寫。

2 預(yù)備工作

(3)

(4)

3 失真代價(jià)動(dòng)態(tài)更新策略的設(shè)計(jì)

現(xiàn)有基于失真函數(shù)的自適應(yīng)隱寫算法在分配失真代價(jià)時(shí)，認(rèn)為嵌入操作對(duì)像素的影響是相互獨(dú)立的，不考慮像素嵌入操作帶來(lái)的交互影響。但在實(shí)際隱寫過程中，像素的嵌入操作會(huì)使整個(gè)載體圖像的統(tǒng)計(jì)特性發(fā)生變化，進(jìn)而影響其他相鄰像素的失真代價(jià)。目前，如何衡量嵌入操作對(duì)鄰域像素的影響仍處在一個(gè)探索階段。本節(jié)通過定量衡量像素與其鄰域像素相關(guān)性強(qiáng)弱，將像素修改方式的選擇與其鄰域相關(guān)性關(guān)聯(lián)，提出一種像素失真代價(jià)動(dòng)態(tài)更新策略，在秘密信息嵌入過程中達(dá)到動(dòng)態(tài)調(diào)整像素失真代價(jià)的目標(biāo)。

3.1 像素相關(guān)度

圖1 像素的4鄰域 圖2 像素的4鄰域的修改方式

根據(jù)上述定義的像素鄰域系統(tǒng)，首先提出了定量衡量鄰域相關(guān)性強(qiáng)弱的相關(guān)度，隨后分析相關(guān)度在鄰域發(fā)生嵌入操作時(shí)的變化強(qiáng)弱，得到保持像素之間相關(guān)性的最優(yōu)修改方式。

(6)

根據(jù)隱寫分析相關(guān)理論知，隱寫操作破壞了載體元素之間的相關(guān)性；空域隱寫分析算法SRM利用多種濾波模板提取載體圖像的噪聲殘差，進(jìn)而捕獲載體圖像相關(guān)性的變化，可較為有效地檢測(cè)載體圖像是否隱寫。因此，隱寫算法應(yīng)保證隱寫后載體元素之間仍具有較強(qiáng)的相關(guān)性。為保證像素嵌入秘密信息后仍同其鄰域保持較強(qiáng)的相關(guān)性，其最小化其相關(guān)度值，如式(9)所示。

(9)

由像素空間相關(guān)性知：

(11)

針對(duì)現(xiàn)有隱寫算法對(duì)像素相關(guān)性的破壞，現(xiàn)代隱寫分析算法利用多種濾波模板提取特征，根據(jù)隱寫前后像素相關(guān)性的變化強(qiáng)弱進(jìn)行分類。為提高隱寫算法的安全性，隱寫的嵌入操作應(yīng)使載體像素修改后與其鄰域仍保持較高的相關(guān)性，修改方式應(yīng)接近最優(yōu)修改方式，即

(13)

3.2 MDS策略的設(shè)計(jì)(Modification Degree Strategy)

根據(jù)隱寫的真實(shí)情況，本節(jié)提出了在秘密信息嵌入過程中動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)像素失真代價(jià)的策略。當(dāng)中心像素的鄰域像素發(fā)生嵌入操作時(shí)，中心像素不同修改方式下的失真代價(jià)變化不同。根據(jù)3.1節(jié)像素相關(guān)度的定義及最優(yōu)修改方式的證明，本文提出像素修改度的概念；并根據(jù)修改度的大小，決定不同修改方式對(duì)應(yīng)的代價(jià)更新方式。

隨后，根據(jù)修改方式的不同，設(shè)計(jì)像素失真代價(jià)更新策略MDS。

(19)

4 自適應(yīng)隱寫算法設(shè)計(jì)

本節(jié)應(yīng)用基于修改度的MDS更新策略，提出一種基于局部加性、動(dòng)態(tài)更新像素失真代價(jià)的自適應(yīng)±隱寫算法。本算法主要包括4個(gè)步驟：(1)圖像預(yù)處理，對(duì)圖像進(jìn)行分塊形成圖塊，并對(duì)各圖塊采樣生成采樣塊；秘密信息預(yù)處理，對(duì)秘密信息采用同樣的方式進(jìn)行分塊。(2)利用初始失真函數(shù)計(jì)算載體像素失真代價(jià)。(3)根據(jù)規(guī)定的掃描、嵌入順序，使用STC編碼對(duì)第1個(gè)采樣塊實(shí)現(xiàn)隱寫；(4)根據(jù)像素失真代價(jià)更新策略調(diào)整像素失真代價(jià)。

4.1 秘密信息的嵌入

秘密信息的嵌入過程如下：

例 對(duì)圖3的矩陣塊進(jìn)行采樣，得到9個(gè)采樣塊，如圖4所示。

步驟3 設(shè)定秘密信息的嵌入順序，如圖5(a)，圖5(b)所示。嵌入方式為水平Z字形，因此，采樣塊按圖5(a)方式標(biāo)記。

步驟6 計(jì)算像素初始失真代價(jià)。利用目前已有的自適應(yīng)隱寫算法，如HUGO[3], WOW[5], S-UNIWARD[6]等計(jì)算像素失真代價(jià)。

(22)

其中，為小波分解低通濾波器(Daubechies 8-tap wavelet decomposition low-pass filter),為小波分解高通濾波器(Daubechies 8-tap wavelet decomposition high-pass filter)。

步驟7 根據(jù)MDS策略更新像素失真代價(jià)：

步驟8 根據(jù)更新后的像素失真代價(jià)，按上述制定的嵌入順序依次在采樣塊中嵌入秘密信息。

4.2秘密信息的提取

5 實(shí)驗(yàn)及安全性分析

安全性是數(shù)字隱寫的一個(gè)重要指標(biāo)。在圖像隱寫中，安全性主要包括不可感知性和抗檢測(cè)性兩方面?？箼z測(cè)性是指抵抗檢測(cè)工具區(qū)分載體、載密圖像的能力。本節(jié)主要從抗檢測(cè)性方面對(duì)本文提出的自適應(yīng)隱寫算法進(jìn)行安全性分析。

圖3 圖像分塊示意圖 圖4 圖塊采樣示意圖 圖5 采樣塊間、塊內(nèi)掃描嵌入順序示意圖

5.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)基于BOSSBASE[12]圖像庫(kù)，該樣本庫(kù)圖片數(shù)量為10000張，圖片大小均為。實(shí)驗(yàn)時(shí)從樣本庫(kù)中隨機(jī)選取5000張圖片做為載體庫(kù)。選出其中的2500幅圖像所對(duì)應(yīng)的載體、載密圖像用于訓(xùn)練，剩余2500幅參考圖像所對(duì)應(yīng)的載體、載密圖像用于測(cè)試。使用集成分類器作為分類器[13]。實(shí)驗(yàn)環(huán)境為MATLAB R2012b平臺(tái)，硬件為Intel Core TM2 CPU6320@1.86 GHz。根據(jù)嵌入率，使用偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器生成的二元序列模擬秘密信息。

實(shí)驗(yàn)時(shí)先將不同嵌入率下的載密圖像特征及對(duì)應(yīng)的載體圖像特征，平均分成訓(xùn)練集和測(cè)試集，然后利用訓(xùn)練所得的分類器對(duì)對(duì)應(yīng)的測(cè)試集進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果用最小平均錯(cuò)誤率表示如式(24)所示。

5.2 參數(shù)選擇

5.3抗檢測(cè)性分析

針對(duì)三元修改方式，選用了S-UNIWARD (Ternary-Version)[6], HILL[7]及HILL-CMD[11], UNIWARD-CMD(Ternary-Version)[11], Synch- HILL[9]，與本文提出的HILL-MDS, UNIWARD- MDS(Ternary-Version)進(jìn)行嵌入率為的隱寫，得到載密圖像庫(kù)；然后采用SRM[14]特征分別對(duì)圖像庫(kù)中的圖像進(jìn)行特征提取，采用集成分類器得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

由圖7(a)和圖7(b)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果知，相同條件下，利用MDS策略結(jié)合現(xiàn)有自適應(yīng)隱寫算法形成的隱寫算法抗SRM檢測(cè)性能優(yōu)于初始的自適應(yīng)隱寫算法，驗(yàn)證了所提策略的有效性。同時(shí)，將使用MDS策略形成的三元隱寫算法UNIWARD-MDS, HILL- MDS分別與UNIWARD-CMD算法，Synch- UNIWARD算法，HILL-CMD算法、Synch-HILL算法進(jìn)行比較。由圖7(a)知算法UNIWARD-MDS抗SRM檢測(cè)性能好于Synch-UNIWARD算法，接近UNIWARD-CMD算法的性能；由圖7(b)知算法HILL-MDS抗SRM檢測(cè)性能好于Synch-HILL算法，接近HILL-CMD算法的性能。由于Synch類隱寫算法的更新策略是分別考慮2像素基團(tuán)的交互性，而MDS和CMD類隱寫算法的更新策略是同時(shí)考慮4像素基團(tuán)的相關(guān)性，因此MDS類和CMD類隱寫算法抗SRM的性能優(yōu)于Synch類隱寫算法。同時(shí)，由于MDS策略所選用的相關(guān)性并不能完全反映隱寫操作的影響，因此其隱寫算法的安全性低于CMD類隱寫算法。

針對(duì)五元修改方式，選用了S-UNIWARD[6](Pentary-Version), MVGG[15]與本文提出的UNIWARD-MDS(Pentary-Version)進(jìn)行嵌入率從0.05到1.00的隱寫，得到載密圖像庫(kù)；然后采用SRM[14]特征和maxSRMd2[16]特征分別對(duì)圖像庫(kù)中的圖像進(jìn)行特征提取，利用集成分類器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8，圖9所示。

從圖8可以看出，當(dāng)嵌入率小于0.3 bpp時(shí)，本文設(shè)計(jì)的五元隱寫算法UNIWARD(Pentary Version)-MDS算法逼近于S-UNIWARD(Pentary Version)算法，這是由于嵌入率較小時(shí)更新策略沒有發(fā)揮作用；當(dāng)嵌入率大于0.3 bpp小于0.5 bpp時(shí)，由于UNIWARD(Pentary Version)-MDS算法存在五元嵌入的情況，導(dǎo)致隱寫算法抗SRM檢測(cè)性能下降。隨著嵌入率的增加，當(dāng)嵌入率大于0.5 bpp時(shí)，UNIWARD(Pentary Version)-MDS的更新策略起主導(dǎo)作用，抗SRM檢測(cè)性能超過S-UNIWARD (Pentary-Version)，逼近算法MVGG。由圖9知，本文設(shè)計(jì)的五元隱寫算法UNIWARD(Pentary Version)-MDS 在不同嵌入率下抵抗maxSRMd2檢測(cè)性能均好于S-UNIWARD(Pentary-Version)算法，主要原因是maxSRMd2檢測(cè)算法是基于信道選擇的隱寫檢測(cè)算法。該隱寫檢測(cè)算法利用估計(jì)得到的失真代價(jià)確定信道。例如，maxSRMd2算法利用S-UNIWARD(Pentary-Version)的初始失真代價(jià)作為算法UNIWARD(Pentary Version)-MDS的估計(jì)失真代價(jià)，由于更新策略帶來(lái)的失真代價(jià)的動(dòng)態(tài)變化導(dǎo)致了檢測(cè)算法性能的下降。

圖6 不同隱寫算法結(jié)合更新策略MDS在不同分塊參數(shù)、不同動(dòng)態(tài)參數(shù)條件下抗SRM性能隱寫算法抗SRM性能 圖7 不同嵌入率下的三元自適應(yīng)圖8 不同嵌入率下五元自適應(yīng)隱寫算法抗SRM性能

圖9 不同嵌入率下五元自適應(yīng)隱寫算法抗maxSRMd2性能

6 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種適用于多元修改方式的像素失真代價(jià)更新策略，結(jié)合策略提出了一種自適應(yīng)±隱寫算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：三元修改方式下，結(jié)合現(xiàn)有自適應(yīng)隱寫失真函數(shù)和更新策略的隱寫算法可提高自適應(yīng)隱寫算法抵抗SRM檢測(cè)的性能，且更新策略MDS優(yōu)于Synch。五元修改方式下，在嵌入率大于0.5 bpp時(shí)所提算法UNIWARD(Pentary Version)-MDS抗SRM檢測(cè)性能優(yōu)于S-UNIWARD (Pentary-Version)；對(duì)于抵抗maxSRMd2檢測(cè)性能，UNIWARD(Pentary Version)-MDS 在不同嵌入率下均好于S-UNIWARD(Pentary-Version)算法。未來(lái)考慮中心像素與其8鄰域的交互影響，進(jìn)一步改進(jìn)本文像素失真代價(jià)更新策略。

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湯光明： 女，1963年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樾畔踩?、信息隱藏.

邊 媛： 女，1992年生，碩士生，研究方向?yàn)樾畔㈦[藏.

韋大偉： 男，1962年生，本科，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī).

高瞻瞻： 男，1988年生，博士生，研究方向?yàn)殡[蔽通信、隱寫.

朱垚臻： 男，1992年生，本科，研究方向?yàn)樾畔踩?

Adaptive ±Steganography Based on Dynamic Updating Distortion Cost

TANG Guangming BIAN Yuan WEI Dawei GAO Zhanzhan ZHU Yaozhen

(,450001,)

Adaptive steganography ignores the interactive impact introduced by the embedding operation during the embedding operation. Considering the cross impact of the embedding operation, an adaptive ±steganography is put forward based on the dynamic distortion cost updating strategy Modification Degree Strategy (MDS). First, the analysis is conducted to prove the optimizing modification of the central pixel under the condition of the neighborhood’s modifications. Then theMDS of updating the distortion cost is presented to adjust the distortion cost according to the modification of neighborhood. Finally, the steganography scheme is proposed using the MDS. The experimental result illustrates that the UNIWARD-MDS (Pentary Version) has a better performance than S-UNIWARD (Pentary Version) at the embedding rate 0.5~1.0 bpp when resisting the steganalysis SRM. Meanwhile the UNIWARD-MDS (Pentary Version) is better than the S-UNIWARD (Pentary Version) at the embedding rate 0.05~1.0 bpp when resisting the maxSRMd2 detection. The HILL-MDS and UNIWARD-MDS (Ternary Version) perform better than the corresponding schemes HILL and S-UNIWARD (Ternary Version).

Information security; Steganography; Adaptive steganography; Dynamic updating distortion cost

TP309

A

1009-5896(2017)01-0058-08

10.11999/JEIT160254

2016-03-17；改回日期：2016-08-17；

2016-09-30

邊媛 bianyuanlara@163.com

國(guó)家自然科學(xué)基金(61303074)，信息保障技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(KJ-14106)

The National Natural Science Foundation of China (61303074), The Foundation of Science and Technology on Information Assurance Laboratory (KJ-14106)