一种基于扩散模型的彩色图像隐写方法

本发明属于信息安全领域，具体涉及一种基于扩散模型的彩色图像隐写方法，以实现在公开信道上传输机密消息。

背景技术：

1、隐写作为一种隐秘通信的重要手段，不仅满足了传统密码学的加密消息的功能，还能达到了通信双方的行为安全。目前的隐写算法从最初的lsb算法，到后续在最小失真框架下的提出的hugo，wow，hill等算法。尽管这些算法已经考虑到了秘密信息的嵌入位置，载荷分配等问题，但是另一种基于自然图像的’cover-source’转换思想的自然隐写在安全性上更具有吸引力。且随着神经网络的发展，卷积神经网络也被用于隐写任务，如hidden，hinet等算法。而扩散模型作为一种新兴的强大的生成式模型在生成质量，生成样本多样性和生成速度有着巨大潜力。相较于对抗生成式网络，严密的数学理论使得获取生成过程中的样本概率分布成为可能，运用在隐写任务上也成了可能。虽然使用神经网络给隐写算法的性能带来的巨大的提升，但在其中仍存在需要解决的问题。

2、目前的传统隐写算法和神经网络隐写算法存在以下的缺点：

3、1、基于最小失真框架和stc编码下传统隐写算法主要针对于灰度图像，隐写容量有限，鲁棒性差等缺点。

4、2、在转换源思想下的自然图像隐写，尽管具有较高的安全性，但一般很难获取图像的像素分布，因此应用不广，且载荷量小。

5、3、利用卷积神经网络的隐写算法，需要同时设计编码器和解码器进行联合训练，网络不容易收敛的同时计算开销性能大。

6、4、在生成模型上的隐写算法，存在着生成的载密图像图像质量差，图片尺寸过小和携带秘密信息小的问题。

技术实现思路

1、本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种基于扩散模型的彩色图像隐写方法，以期能提高载密图像消息承载量的同时，增加携带的秘密消息，并能保证载密图像的安全性，从而拥有较高的图像质量。

2、本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

3、本发明一种基于扩散模型的彩色图像隐写方法的特点在于，是按如下步骤进行：

4、步骤一：机密信息的预处理；

5、步骤1.1、使用加密机制对机密信息进行加密后，得到加密序列；

6、步骤1.2、使用转化器将加密序列转化为二进制序列m；

7、步骤二：获取生成图像像素和概率分布；

8、步骤2.1、从正态分布中随机采样a×b×c个值并构成输入图像xt，其中，a，b为输入图像的高和宽，c为输入图像的通道数；

9、步骤2.2、将输入图像xt输入扩散模型中进行处理，并输出生成图像x0；

10、利用g1算法对xt进行处理，得到生成图像x0中各像素点及其像素点分布，其中，生成图像x0中各像素点组成的像素点集合记为x＝{xi,j|i＝1,2,…,a；j＝1,2,…,b}，其中，xi,j表示x0中第i行第j列的像素点；x的像素点分布集合记为y＝{yi,j|i＝1,2,…,a；j＝1,2,…,b}；yi,j表示第i行第j列的像素点xi,j的分布，且其中，～表示服从，表示xi,j的均值，表示xi,j的方差；

11、步骤三：转化生成图像x0的像素和概率分布；

12、步骤3.1、对x进行归一化处理，得到归一化后的像素点集合x′＝{x′i,j|i＝1,2,…,a；j＝1,2,…,b}；其中，x′i,j表示第i行第j列归一化后的像素点；

13、步骤3.2、利用式(1)和式(2)对yi,j进行平移缩放，得到均值和方差从而得到转化后的分布进而得到转换后的分布集合y'：

14、

15、

16、式(1)和式(2)中，a和b分别表示系数和常数；

17、步骤四：消息嵌入；

18、步骤4.1、利用式(3)计算y′i,j的概率密度函数fi,j(x)在区间[x′i,j+k-0.5,x′i,j+k+0.5]的积分，得到像素值x′i,j在修改幅度k下的概率πi,j(k)：

19、

20、式(3)中，k为修改的幅度；

21、步骤4.2、按照步骤4.1得到x′中各个像素x′的修改概率{πi,j(k)|i＝1,2,…,a；j＝1,2,…,b}并构成修改模式e，从而利用式(4)所示的stc编码，获取载密图像x′0：

22、

23、式(4)中，h为奇偶校验矩阵。

24、本发明所述的基于扩散模型的彩色自然图像隐写方法的特点也在于，所述步骤2.2中的g1算法是按如下过程获得像素点集合x和像素点分布集合y：

25、根据扩散模型对xt进行处理时，从t时刻开始直至t＝0时刻下输出的图像{xt|t∈{t,t-1,···,0}中第i行第j列像素点的均值和方差其中，xt表示t时刻扩散模型输出的图像，表示xt中第i行第j列像素点，表示xt中第i行第j列像素点的均值，表示xt中第i行第j列像素点的方差，利用式(6)获取0时刻下扩散模型输出的图像x0中第i行第j列像素点xi,j：

26、

27、式(6)中，z表示从标准正态分布中随机采样的采样值；表示t＝1时刻的图像xt中第i行第j列像素点的均值，表示t＝1时刻的图像xt中第i行第j列像素点的方差。

28、本发明一种电子设备，包括存储器以及处理器的特点在于，所述存储器用于存储支持处理器执行所述彩色图像隐写方法的程序，所述处理器被配置为用于执行所述存储器中存储的程序。

29、本发明一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序的特点在于，所述计算机程序被处理器运行时执行所述彩色图像隐写方法的步骤。

30、与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

31、1、本发明提出基于扩散模型的信息隐藏方法，不仅没有影响原有扩散模型的生成能力，而且实现了对秘密信息安全传输的能力。

32、2、本发明中的载密图像具有较大的尺寸和较高的图像质量。原有的方案大多针对的是灰度图像和小尺寸图像，与此相比，本发明更符合现实世界中的使用场景，使得该方法的安全性更高。

33、3、本发明基于扩散模型的生成概率完成秘密信息的嵌入，不仅是在图像部分区域嵌入，而是考虑全部区域图像嵌入，使得嵌入容量大大提高。

34、4、修改式隐写由于消息嵌入后会改变原有图像的概率分布，导致安全性不高。本发明中计算获取图像像素的概率分布，嵌入消息的过程不改变分布参数，即载密图像与正常生成图像之间差别很小，载密图像具有较高的抗隐写分析能力。

35、5、本发明提供了一种计算和获取扩散模型生成过程中的状态变化分布，以便在这基础上发展新的隐写方案。

36、6、对于本发明的应用，通信双方可以通过公开的扩散模型在公开的信道上传递秘密消息。扩散模型作为新兴模型在生成高质量和大尺寸的样本有将强的能力，借助模型的生成过程可以提升隐写方法的载荷量，载密图像质量，载密图像尺寸，载密图像的安全性，从而能够充分利用扩散模型生成效果好以及计算获取生成过程中图像的像素概率，在提升载密图像质量的同时增加携带的秘密消息。