基于深度可逆网络和差分编码的电力缺陷图像隐藏方法与流程

本发明属于信息安全领域中的图像隐藏技术，具体涉及一种基于深度可逆网络和差分编码的电力缺陷图像隐藏方法。

背景技术：

1、随着网络的迅速发展和普及，通过网络传输信息的隐私和安全问题引起了人们的关注。当前随着电网无人机巡检的普及，通过获得高质量的巡检图像并利用深度学习技术识别电力巡检缺陷图像，已成为保证电网稳定运行的重要手段。然而，电力公司如何确保电力巡检缺陷图像能够安全地传输和共享给电力检修部门成为迫待解决的问题。因为一旦缺陷图像被黑客识别并捕获，一方面可能会使电力检修部门错过最佳检修时机，从而引发更大灾难；另一方面，被破坏的缺陷图像会导致电力检修部门误判，从而引发更大的灾难。如今，对图像进行保护的方案主要有两类：图像加密和图像隐藏。由于图像加密类噪声的结果在网络传输过程中容易引起黑客的注意并拦截，所以图像加密无法保证电力巡检缺陷图像的安全性。在电力行业中，图像隐藏是指将一幅缺陷图像嵌入到一幅自然图像当中以生成一幅视觉上有意义的伪装图像。由于伪装图像和自然图像视觉上相似，所以在网络传输过程中不易引起黑客的注意。图像隐藏主要关注三方面问题：伪装图像质量、恢复图像质量和伪装图像的抗隐写分析性能。高伪装图像质量使得黑客肉眼无法识别；高恢复图像质量降低电力检修部门错误读取缺陷图像信息的概率；高抗隐写分析性能降低伪装图像被隐写分析工具检测的概率，从而提高安全传输的概率。目前在图像隐藏研究领域，已有很多研究成果。

2、首先，lai和lee提出一种基于可逆颜色转换的图像隐藏方法。该方法首先将封面图像和秘密图像分成非重叠的块，然后根据块的标准差来建立封面图像块和秘密图像块的一一匹配，最后用颜色转换完成图像隐藏。由于此方法获得的伪装图像质量是不理想的，所以zhang和hou通过改进匹配算法来减少需要额外嵌入的块索引数量。zhang将所有块按标准差分成两类进行匹配。hou用聚类算法将块分成k类进行匹配。但是，这些方法获得的伪装图像的psnr仍很难超过30db。

3、为了进一步提高伪装图像的质量，一些基于压缩感知的图像隐藏方法被提出。这些方法首先用压缩感知技术对秘密图像进行压缩，然后再嵌入封面图像中。尽管这些方法通过减少嵌入的数据量提高了伪装图像的质量，但由于压缩感知是有损压缩技术，如何提高恢复图像的质量成了众多研究者关注的问题。压缩感知、平行压缩感知、二维压缩感知、块压缩感知、半张量积压缩感知先后被设计来提高恢复图像的质量。另外，随着卷积神经网络(cnn)的发展，baluja首次用cnn来将一幅秘密图像隐藏到一幅相同大小的封面图像当中。随后，baluja通过改进网络架构或者改进损失函数来提高隐藏性能。但是，上述这些方法的恢复图像质量仍然不令人满意，即恢复图像的psnr低于40db，并且这些方法很难同时获得高质量伪装图像和高质量恢复图像。因此，这些方法如果用于电力巡检工作中，低质量伪装图像容易引起攻击者注意，低质量恢复图像容量引起电力检修部分误判问题。

技术实现思路

1、发明目的：针对现有技术的问题，本发明目的在于提供一种基于深度可逆网络和差分编码的电力缺陷图像隐藏方法，以同时获得高质量伪装图像和恢复图像。本发明提出了一种基于深度可逆网络和差分编码的图像隐藏方法。

2、技术方案：为达到上述目的，本发明提供的一种基于深度可逆网络和差分编码的电力缺陷图像隐藏方法，首先利用可逆缩放网络对电力巡检缺陷图像进行缩放，然后提出一种能够获得高质量伪装图像的新嵌入算法，利用差分编码对秘密图像进行编码，然后再应用最低有效位算法完成隐藏。编码后的秘密图像的数值范围更小，因此对封面图像像素值的损害更小。该方法的图像隐藏包括以下步骤：

3、利用可逆缩放网络按采样率对电力巡检缺陷图像进行向下缩放以获得下缩放图像；

4、利用整数小波变换对封面图像进行变换以获得一个低频子带a和三个高频子带h、v、d；

5、将四个子带中的每个十进制系数分别转换成9位二进制补码，最高位表示符号位；

6、利用提升差分编码对下缩放图像进行编码以获得编码后图像；

7、将编码后图像的每个十进制数值转换成9位二进制补码；

8、将编码后图像的9位二进制补码的最低位，第6至8位，第4和5位，高三位，分别嵌入到子带a、h、v、d的9位二进制补码的低位；

9、将嵌入信息后的子带的9位二进制补码转换成十进制系数，并进行逆整数小波变换以获得伪装图像；

10、图像恢复包括以下步骤：

11、利用整数小波变换对伪装图像进行转换以获得一个低频子带a′和三个高频子带h'、v'、d'；

12、将四个子带中的每个十进制系数分别转换成9位二进制补码；

13、分别提取子带a'、h'、v'、d'二进制补码的最低位、低三位、低两位、低三位，并拼接在一起；

14、将拼接后的二进制补码转换为十进制数值，并进行提升差分解码以获得下缩放图像；

15、利用可逆缩放网络按采样率对下缩放图像进行放大以恢复电力巡检缺陷图像。

16、作为优选，将编码后图像的9位二进制补码嵌入到四个子带的二进制补码的低位，表示为：

17、

18、其中表示取矩阵x的第(i,j)个系数的第e位到第f位二进制，x∈{a,h,v,d,ds}，i∈[1,p/2]，j∈[1,q/2]，a,h,v,d,ds分别为子带a、h、v、d和编码后图像ds的二进制补码矩阵，p、q为封面图像的高和宽。

19、作为优选，所述可逆缩放网络，前向过程由m个叠加的下缩放模块组成；每个下缩放模块包括一个离散小波变换模块和n个可逆神经网络块invblocks，利用离散小波变换模块将大小为h×w的高分辨率电力巡检缺陷图像x分解成低频子带和高频子带和被输入到第1个lnvblock中输出和重复此过程，直到所有lnvblock运算结束；最后一个下缩放模块的第n个lnvblock输出的和作为获得的低分辨率图像y和损失信息z，y的尺寸是h'×w'，其中sr＝1/4m是采样率，m是下缩放模块的数量。

20、作为优选，所述可逆缩放网络进行图像恢复时，损失信息z'被从指定的分布中随机采样，将和输入第n个lnvblock进行处理以输出和最后第1个lnvblock输出作为恢复的低频子带和高频子带将和输入到逆整数小波转换块中进行转换获得恢复高分辨率图像。

21、作为优选，所述提升差分编码的过程表示为：

22、

23、其中，y′表示差分编码后的图像。

24、作为优选，所述提升差分编码的解码过程表示为：

25、

26、基于相同的发明构思，本发明提供的一种基于深度可逆网络和差分编码的图像隐藏系统，包括图像隐藏模块和图像恢复模块；所述图像隐藏模块包括：

27、下缩放单元，用于利用可逆缩放网络按采样率对电力巡检缺陷图像进行向下缩放以获得下缩放图像；

28、封面图像小波变换单元，用于利用整数小波变换对封面图像进行变换以获得一个低频子带a和三个高频子带h、v、d；

29、编码单元，用于利用提升差分编码对下缩放图像进行编码以获得编码后图像；

30、二进制补码转换单元，用于将四个子带中的每个十进制系数分别转换成9位二进制补码，最高位表示符号位；以及将编码后图像的每个十进制数值转换成9位二进制补码；

31、信息嵌入单元，用于将编码后图像的9位二进制补码的最低位，第6至8位，第4和5位，高三位，分别嵌入到子带a、h、v、d的9位二进制补码的低位；

32、伪装图像生成单元，用于将嵌入信息后的子带的9位二进制补码转换成十进制系数，并进行逆整数小波变换以获得伪装图像；

33、所述图像恢复包括：

34、伪装图像小波变换单元，用于利用整数小波变换对伪装图像进行转换以获得一个低频子带a'和三个高频子带h'、v'、d'；

35、信息提取单元，用于将四个子带中的每个十进制系数分别转换成9位二进制补码；以及分别提取子带a'、h'、v'、d′二进制补码的最低位、低三位、低两位、低三位，并拼接在一起；

36、解码单元，用于将拼接后的二进制补码转换为十进制数值，并进行提升差分解码以获得下缩放图像；

37、图像恢复单元，用于利用可逆缩放网络按采样率对下缩放图像进行放大以恢复电力巡检缺陷图像。

38、基于相同的发明构思，本发明提供的一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被加载至处理器时实现所述的基于深度可逆网络和差分编码的图像隐藏方法的图像隐藏和/或图像恢复步骤。

39、基于相同的发明构思，本发明提供的一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的基于深度可逆网络和差分编码的图像隐藏方法的图像隐藏和/或图像恢复步骤。

40、有益效果：与现有发明相比，本发明具有如下优点：(1)本发明利用可逆缩放网络对电力巡检缺陷图像进行缩放。与现存的压缩感知技术相比，可逆缩放网络恢复的秘密图像的质量更高。(2)本发明提出了一种能够获得高质量伪装图像的新嵌入算法。与直接对秘密图像应用最低有效位嵌入算法完成隐藏的算法不同，我们利用差分编码对秘密图像进行编码，然后再应用最低有效位算法完成隐藏。编码后的秘密图像的数值范围更小，因此对封面图像像素值的损害更小。(3)广泛的实验结果表明，本发明不仅能够同时获得高质量的伪装图像和高质量的恢复图像，而且伪装图像的抗隐写分析能力优于其它方法。