基于像素矢量成本的彩图隐写方案
责编：gltian ｜2019-12-12 11:22:111.前言
彩图作为通用的图像是良好的信息传播工具，本文从彩图像素矢量的角度设计并实现了隐写方案，经过多次隐写分析结果可知其具有良好的安全性能。
2.背景
现代图像隐写方案是在最小化嵌入失真理论框架下设计的，而失真与嵌入隐写信息的成本有密切的关联。近期，有学者已经提出了一种可用于彩色图像的CMD（clustering modification directions，聚类修改方向）隐写方案，但其尚未充分利用颜色相关性的特征。
3.彩图隐写方案
3.1综述
在本文中，作者从CPV（color pixel vectors，彩色像素矢量）的角度构建了彩色图最小化嵌入失真框架，提出了彩色图像的隐写术方案，其中来自同一像素位置的三个颜色分量形成一个矢量。嵌入成本是根据颜色像素矢量而不是单个颜色分量直接定义的。因此，可以在嵌入数据后更好地保留颜色相关性。作者提出了VPF（vector product filtering ，向量乘积滤波）运算方法以简化基于向量的嵌入成本的构建过程。并将基于向量的成本转换为基于颜色成分的成本，此时，即可采用常规的隐写编码方案做编码操作，例如STCs（syndrome-trellis codes ，校正子网格码）。近期提出的CMD方案也可以加入到提出的隐写方案中以进一步提高性能。
3.2彩色图像最小化嵌入失真框架的构建
已知彩色图具有三个颜色通道，则做如下声明（嵌入概率和嵌入成本分别有四种标识方式，它们是一样的）：
在已有的知识经验基础下，本文规定在有效载荷的约束下最小化失真，如下：
上述公式中，详细说明如下：
嵌入概率结合公式（1）设计得：
其中：
为了方便失真函数的分析，声明彩色图嵌入成本和嵌入概率如下：
则针对彩色图像，最小化失真的公式（1）可展开为：
通过化简，可得：
3.3彩色图隐写方案
本方案概图如下图。
和传统的隐写方案相比，本方案主要有两点不同：
在这里，修改了基于CPV的嵌入成本的计算方式，主要分为计算基于CPV的成本集、分解CPV成本集为三个颜色分量成本。
3.3.1计算基于CPV的成本集
首先对每个颜色通道执行高通滤波运算，以获得残差图像。然后，使用一种称为残差相关性水平（RCL，Residual Correlation Level）的方式来评估邻域中残差矢量之间的复杂关系。通过评估不同干扰模式下的RCL，生成RCL的相对变化即灵敏度指数（SI，Sensitivity Index）来衡量干扰的影响。最后针对每种干扰模式对SI图像进行低通滤波运算，以获得最终的嵌入成本集。由于嵌入成本是基于CPV的，因此其包含了颜色通道内部和颜色通道之间的相关性。
下图是计算基于CPV的成本集的概图。
详细展开说明。第一步：
其中标识说明如下。
第二步：
相关标识说明如下。
第三步：
第四步：
相关标识说明如下。
3.3.2分解嵌入成本集为三个颜色分量成本
分解基于CPV的嵌入成本集为三个颜色分量成本，这样易于使用传统的3元编码器计算求解。
3.4融合的CPV-CMD隐写方案
研究表明，当局部区域嵌入信息后的修改模式朝相同方向同步时，秘密信息不易被检测到，近期提出的CMD即时应用这一思想设计实现的隐写方案。本文将CMD融合到基于CPV的隐写方案中。则最终的CPV-CMD隐写方案的隐写过程如下图。
详细的隐写过程说明如下。
4隐写方案应用于分析
4.1数据集+参数
基础数据集：BOSSBase
隐写算法：HILL、MiPOD、CPV、S-UNIWARD及其变体
使用了CFA去马赛克算法（PPG）和降采样算法（LAN、BIL）处理基础数据集，生成两个实验数据集：BOSS-LAN、BOSS-BIL
使用BOSSBase 生成10000对彩色的原始图像和隐写图像。在10000对原始图像和隐写图像中，随机选择5000对用于训练，5000对用于测试。
使用传统的隐写分析方案检测此隐写方案的安全性。在传统隐写分析方案中，分别使用SRMQ1、CRMQ1、SCRMQ1、SCRMQ1+GTM、SCRMQ1+SGF做特征提取，它们的分类器均使用Fisher线性判别器。
4.2隐写方案结果分析
实验结果如下图。
分析结果可知，CPV-CMD方案的隐写分析检测错误率更高，说明此隐写方案安全性更高。
4.3隐写方案贡献
(1)在彩色像素矢量上定义了嵌入成本，从而使得秘密信息可以自适应地分配到三个颜色分量中。
(2)嵌入成本集易分为个颜色分量的嵌入成本，有利于使用一般编码方案进行秘密信息的嵌入工作。
(3)提出的方案与CMD方案兼容。
4.4展望
（1）可改进方案使其适用于其他类型彩色图像（例如YCbCr的图像）。
（2）可改进方案使其满足一些实际工程类隐写术的需求（例如流隐写术）。
（3）可改进方案使其适用于JPEG图像的隐写。