稀疏域扩频信息隐藏技术研究

This project proposes a sparse domain spread spectrum (SS) watermarking framework. According to this framework, we propose a series of sparse transform algorithms with the proofs on their suitability for watermarking systems, establish the baseline system model for sparse domain SS watermarking, and propose a security analysis method based on the concept of effective key length to quantitatively analyze the substantial improvement of watermark security of the proposed framework. Furthermore, via the design of spreading sequences, the optimization of over-complete dictionaries, and the extraction of robust features, this project establishes a new generation of multimedia watermarking system with simultaneously improved security and robustness, which is superior to the existing orthogonal transform based watermarking systems. This project provides new insights for watermarking by replacing conventional orthogonal transforms with over-complete dictionary based sparse transform, enjoying both theoretic and practical merits.

本项目利用稀疏变换的安全特性，提出稀疏域扩频信息隐藏系统框架。基于该框架，提出适用于信息隐藏系统的稀疏变换算法、建立基准系统模型、并提出基于有效密钥长度的安全分析方法，定量分析并论证稀疏域信息隐藏系统安全性的显著提升。进一步，通过设计扩频序列、优化超完备字典、以及提取鲁棒性特征，建立兼具高安全性和鲁棒性的新一代多媒体信息隐藏系统，较现有的基于正交变换的信息隐藏系统具有明显优势。本项目为未来信息隐藏技术的发展提供了用稀疏变换代替一系列正交变换的新思路，以满足大数据背景下信息隐藏系统的性能需求，兼具理论和实践意义。

扩频水印是变换域信息隐藏的代表性方法，其安全性主要由伪随机的扩频序列来保证。这种扩频序列虽然具有类似密码系统中密钥的功能，但其安全性远低于严格的密钥机制，主要原因是嵌入扩频序列时不可感知性的牵制。本项目基于压缩感知领域稀疏变换较传统正交变换安全性更高的发现，提出了稀疏域扩频信息隐藏的新框架，并在该框架下研究了以下内容。1）适用于数字水印系统的稀疏变换算法：经研究发现，要在稀疏变换中构建原始域和稀疏域的一一对应特性在数学上较难实现，其原因在于宿主信号和扩频信号本身都不稀疏。但由于水印系统并不关注信号的稀疏性，因此可基于超完备字典设计专门的变换算法，提出了符合该思想的随机匹配追踪（random matching pursuit, RMP）算法。2）严格的安全性分析：对现有两种基于超完备字典的变换算法，即最小范数（minimum norm）和RMP算法，进行了严格的安全性分析，揭示了传统正交变换不具备安全性，即使字典为独立同分布的随机变量；最小范数变换和传统正交变换均不能防止非法水印提取，但前者可以保护密钥；项目所提RMP算法的安全性远高于其他方法，主要原因在于密钥空间的改变。3）提出了基于压缩感知且具有信息隐藏功能的高性能选择性加密方法：利用压缩感知中随机投影的安全性，对信息能做到更好的加密效果，并将基于直方图的可逆水印技术与加密系统有机结合，增加了系统验证功能。4）提出了两种informed直方图水印嵌入方式：即内容感知（content-aware）嵌入和非均匀（non-uniform）嵌入，较传统non-informed的嵌入方式具有更好的不可感知性和鲁棒性。此外，基于项目资助，还开展了多媒体数字取证有关研究。本项目为未来信息隐藏技术的发展提供了用稀疏变换代替一系列正交变换的新思路，为提升数字水印的安全性提供了技术保障。