基于编码-解码网络的大容量鲁棒图像隐写方案

doi:10.11772/j.issn.1001-9081.2023040477

《计算机应用》唯一官方网站››2024,第44卷››问题（3）: 772-779.内政部：10.11772/j.issn.100-9081.2023040477

基于编码-解码网络的大容量鲁棒图像隐写方案

董炜娜¹^,²,刘佳¹^,²(),潘晓中¹^,²,陈立峰¹^,²,孙文权¹^,²

¹武警工程大学密码工程学院，西安 710086
²网络与信息安全武警部队重点实验室（武警工程大学），西安 710086

收稿日期:2023-04-26 修回日期:2023-07-06 接受日期:2023-07-10 发布日期:2023-12-04 出版日期:2024-03-10
通讯作者:刘佳
作者简介:董炜娜（1997—），女，山东烟台人，硕士研究生，主要研究方向：信息隐藏
潘晓中（1964—），男，陕西西安人，教授，博士，主要研究方向：网络与信息安全
陈立峰（2000—），男，湖北应城人，硕士研究生，主要研究方向：信息隐藏
孙文权（2000—），男（满族），辽宁锦州人，硕士研究生，主要研究方向：信息隐藏。
基金资助:
国家自然科学基金资助项目(62272478)

基于编解码网络的高容量鲁棒图像隐写方案

Weina DONG（维纳·东）¹^,²,贾柳¹^,²(),潘晓忠¹^,²,陈立峰（Lifeng CHEN）¹^,²,孙温泉¹^,²

¹PAP工程大学密码工程学院，陕西西安710086
²PAP（PAP工程大学）网络与信息安全重点实验室，陕西西安710086

收到：2023-04-26 修订过的：2023-07-06 认可的：2023-07-10 在线：2023-12-04 出版：2024-03-10
联系人：刘佳
关于作者：董维娜，1997年出生，硕士研究生。她的研究兴趣包括信息隐藏。
潘晓忠，1964年生，博士，教授。他的研究兴趣包括网络和信息安全。
陈立峰，2000年出生，硕士研究生。他的研究兴趣包括信息隐藏。
孙温泉，2000年生，硕士研究生。他的研究兴趣包括信息隐藏。
支持单位：
国家自然科学基金（62272478）

摘要/摘要

摘要：

针对基于编码-解码网络的大容量隐写模型存在鲁棒性弱、无法抵抗噪声攻击和信道压缩的问题，提出一种基于编码-解码网络的大容量鲁棒图像隐写方案。首先，设计了基于密集连接卷积网络（DenseNet）的编码器、解码器和判别器，编码器将秘密信息和载体图像联合编码成隐写图像，解码器提取秘密信息，判别器用于区分载体图像和隐写图像。在编码器和解码器中间加入噪声层，采用删除、JPEG压缩、高斯模糊、高斯噪声和椒盐噪声模拟真实环境下的各类噪声攻击，编码器输出的隐写图像经过不同种类的噪声处理，再由解码器解码；通过训练模型，解码器能够对噪声处理后的隐写图像提取秘密信息，以抵抗噪声攻击。实验结果表明，所提方案在360×360像素的图像上隐写容量达到0.45~0.95 bpp与次优的鲁棒隐写方案相比，相对嵌入容量提升了2.04倍；解码准确率可达0.72~0.97；与未添加噪声层的隐写方案相比，平均解码准确率提高了44个百分点。所提方案在保证高嵌入量、高编码图片质量的同时具有更强的抗噪声攻击能力。

关键词: 深度学习, 信息隐藏, 图像隐写, 大容量, 鲁棒性, 编码-解码网络, 对抗性训练

摘要：

针对基于编码-解码网络的大容量隐写模型鲁棒性弱、无法抵抗噪声攻击和信道压缩的问题，提出了一种基于编码-编码网络的高容量鲁棒图像隐写方案。在该方案中，设计了基于密集连接卷积网络（DenseNet）的编码器、解码器和鉴别器。秘密信息和载体图像通过编码器联合编码为隐写图像，秘密信息通过解码器提取，并使用鉴别器区分载体图像和隐写图像。在编码器和解码器之间添加了噪声层使用衰减、JPEG压缩、高斯模糊、高斯噪声和椒盐噪声来模拟具有各种噪声攻击的真实环境。编码器输出的隐写图像经过不同种类的噪声处理后，由解码器进行解码。通过训练模型，解码器可以从经过噪声处理的隐写图像中提取秘密信息，从而抵抗噪声攻击。实验结果表明，该方案在360×360像素图像上的隐写容量达到0.45～0.95bpp，相对嵌入容量比次优鲁棒隐写方案提高了2.04倍解码精度达到0.72~0.97，与无噪声层的隐写术相比，平均解码精度提高了44个百分点。该方案不仅保证了高嵌入量和高编码图像质量，而且具有较强的抗噪能力。

关键词： 深度学习，信息隐藏，图像隐写术，高容量，稳健性，编码器-解码器网络，对抗训练

中图分类号:

TP309.2标准

董炜娜, 刘佳, 潘晓中, 陈立峰, 孙文权. 基于编码-解码网络的大容量鲁棒图像隐写方案[J] ●●●●。计算机应用, 2024, 44(3): 772-779.

董维娜、刘佳、潘晓忠、陈立峰、孙温泉。基于编解码网络的高容量鲁棒图像隐写方案[J]。计算机应用杂志，2024，44（3）：772-779。

图/表15

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（λ_{e（电子）}，λ_d日）	隐写容量/业务流程规划	峰值信噪比/分贝	SSIM公司	解码准确率
（20，1）	0.95	34.27	0.95	0.97
（1，1）	0.97	25.97	0.68	0.98
（1，20）	0.99	21.21	0.49	0.99

（λ_{e（电子）}，λ_d日）	隐写容量/业务流程规划	峰值信噪比/分贝	SSIM公司	解码准确率
（20，1）	0.95	34.27	0.95	0.97
（1，1）	0.97	25.97	0.68	0.98
（1，20）	0.99	21.21	0.49	0.99

隐写方案	图像尺寸	绝对嵌入容量/b条	相对嵌入容量/业务流程图	鲁棒性
文献［37］方案	64×64	1 634	零点四零零零零零	否
文献［21］方案	32×32	410	零点四零零零零零	否
文献［22］方案	64×64	300	零点零七零零零零	否
文献［27］方案	16×16	52	零点二零三零零零	是
文献［33］方案	128×128	8	零点零零零四八八	是
文献［34］方案	256×256	200	零点零零一零二零	是
文献［35］方案	128×128	64	零点零零三九零零	是
文献［36］方案	64×64	1 280	零点三一三零零零	是
本文方案	360×360	123 120	零点九五零零零零	是

隐写方案	图像尺寸	绝对嵌入容量/b条	相对嵌入容量/业务流程规划	鲁棒性
文献［37］方案	64×64	1 634	零点四零零零零零	否
文献［21］方案	32×32	410	零点四零零零零零	否
文献［22］方案	64×64	300	零点零七零零零零	否
文献［27］方案	16×16	52	零点二零三零零零	是
文献［33］方案	128×128	8	零点零零零四八八	是
文献［34］方案	256×256	200	零点零零一零二零	是
文献［35］方案	128×128	64	零点零零三九零零	是
文献［36］方案	64×64	1 280	零点三一三零零零	是
本文方案	360×360	123 120	零点九五零零零零	是

模型	攻击类别	峰值信噪比/分贝	SSIM公司
无噪声模型	辍学	35.68	0.92
	JPEG复印件	35.68	0.92
	高斯模糊	35.68	0.92
	高斯噪声	30.47	0.72
	椒盐噪声	35.68	0.92
噪声模型	辍学	34.04	0.84
	JPEG复印件	33.92	0.80
	高斯模糊	34.76	0.88
	高斯噪声	27.23	0.57
	椒盐噪声	33.83	0.89

基于编码-解码网络的大容量鲁棒图像隐写方案

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韵律学

模型	辍学	JPEG复印件	高斯模糊	高斯噪声	椒盐噪声
无噪声模型	0.43	0.16	0.22	0.28	0.11
噪声模型	0.72	0.45	0.88	0.95	0.95

模型	辍学	JPEG复印件	高斯模糊	高斯噪声	椒盐噪声
无噪声模型	0.71	0.58	0.61	0.64	0.55
噪声模型	0.85	0.72	0.94	0.97	0.97

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隐写方案	查看原图		不查看原图
隐写方案	隐写容量/业务流程规划	解码准确率	隐写容量/业务流程图	解码准确率
文献［23］方案	0.24	0.62	0.02	0.51
本文方案	0.66	0.83	0.08	0.54

隐写方案	查看原图		不查看原图
隐写方案	隐写容量/业务流程规划	解码准确率	隐写容量/业务流程规划	解码准确率
文献［23］方案	0.24	0.62	0.02	0.51
本文方案	0.66	0.83	0.08	0.54