基于载体后验信息的隐写分析方法研究

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随着网络多媒体和隐写术的高速发展,计算机用户可以轻松利用数字载体的天然掩蔽性在不被察觉的情况下实现信息传递。现实中该技术也常被非法分子利用从而威胁社会和国家安全。隐写分析作为隐写的有效对抗技术可以检测数字载体是否被隐写,体现出了重要的研究和应用价值。许多时候,由于受到强大载体信号的遮盖,即便是相对较高的嵌入率下,隐写检测准确率也难以达到让人满意的程度。检测率较低的分类模型在现实环境下无法提供有价值的分析结论。因此,这种信噪比极低的隐写信号检测是一项相当有挑战的工作。已有的研究表明,载体的自身属性对于隐写分析至关重要,并且这些研究已经使隐写分析技术取得较大的进步。但是目前对于隐写载体与隐写分析准确率之间存在的关联性尚未得到细致研究。本文研究发现载体的掩蔽效应存在显著的个体化差异。在现实环境下,这种掩蔽性的强弱对于检测者来说既增加了检测的挑战也带来了成功检测的机遇。如果载体自身固有的属性信息能对隐写分析特征进行增强或将检测结果的确信度提升,那么就可以增强现有隐写分析检测模型应用价值。针对这些问题,本文从数字载体获取隐写分析的后验信息,对隐写分析特征和准确率分别进行了针对性的增强与重新评估。本文主要工作包括以下四个方面:1.提出运动矢量隐写分析融合特征提取方法。利用运动矢量相关性原理,本文通过计算运动矢量水平分量H、垂直分量V、方向D和长度L各自最低4比特的熵均值得到16维HVDL特征。该特征使用局部范围内熵值作为运动矢量相关性强弱的描述。利用运动矢量最优性原理,本文分别使用SAD和RSAD增量作为载体信息进行邻域8个运动矢量对的校准权重,提取16维的运动矢量最优性特征SIC。该特征使用运动矢量对代替传统的运动矢量个体作为特征统计的基本单位。实验表明,利用载体信息进行特征校准相比传统最优概率统计特征具有更高的准确率,而且由于融合特征克服了单一特征的短板,HVDL+SIC特征相比单一特征检测率更高。2.提出运动矢量隐写分析后验准确率评估方法。本文理论分析了运动矢量隐写对于运动矢量编码代价的影响,论证了宏块复杂度与视频运动矢量局部最优性存在直接相关性。宏块复杂度的概率分布表明宏块复杂度虽然具有较大的分布范围,但大部分的宏块的复杂度较低。理论和测试均表明,具有更多更大复杂度宏块的视频帧对于最优性运动矢量隐写分析特征具有更高的检测准确率。基于这一规律,本文将预测帧内的宏块复杂度量化取整数值的概率分布通过加权求和得到帧后验信息数值P。实验表明,基于该数值P可以实现运动矢量隐写分析准确率重新估计,相比先验准确率可以有效区分单个样本或测试子集检测结果可信度高低。3.提出空域图像隐写分析后验准确率评估方法。本文提出一种自适应卷积方法,计算得到空域图像的低频信号,然后将原始图像与该得到低频图像的残差作为空域图像的高频噪声。将残差矩阵中元素进行截断和量化以后,使用二阶共生概率矩阵描述对该截断量化残差的概率分布,从而得到196维ACF特征。本文对ACF特征的聚类表明,共生概率的分布越集中检测准确率相对越高。基于该规律,本文将ACF特征中的共生概率进行加权求和,得到数值S进行概率分布集中程度的度量。基于该S数值的后验准确率表明,其相比先验准确率可以有效评估单个样本或子集检测性能的高低。在高S数值端,样本准确率甚至可以达到100%。4.提出JPEG图像隐写分析后验准确率评估方法。为了研究JPEG图像空域相关性,本文对JPEG图像空域像素进行局部线性回归,得到回归系数矩阵。系数矩阵数值表明,图像空域像素相关性随着像素距离的增加而显著下降。为了进一步研究像素之间相关性的强弱,本文在JPEG空域像素邻域内选出四种临近像素对,并计算对应的皮尔逊相关系数。将四个相关系数的均值C作为该JPEG图像的后验载体信息。该线性相关性的描述数值C可以近似代表空域像素之间的相关性强弱。实验结果表明,JPEG图像隐写分析准确率与C存在显著的线性正相关性。与先验准确率相比,在同样bpnzAC嵌入率的情况下,使用数值C后验评估测准确率更加可靠。非零AC系数与数值C的关系曲线表明,该后验准确率对同样bpp嵌入率下的JPEG图像会有更好检测率区分效果。
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