学位论文简介
可逆信息隐藏为当今以互联网数字媒体进行交互的时代提供了一种强有力的数据安全保障手段。作为一种以可逆为主题的信息隐藏技术，它既能做到隐蔽地嵌入秘密比特，又具备了能无损恢复载体内容的特性，可为精度敏感或完整性有要求的媒体文件提供保护。应用上，从传递秘密信息、为传输文件添加版权认证、指纹信息，再到为各类服务附加摘要、时间戳等辅助管理数据等，可逆信息隐藏已然展现出了其价值。
JPEG图像因其体积小、传输效率高而在日常生活、交流中常常被使用，也因此成为了可逆信息隐藏领域较为热门的载体之一。JPEG可逆信息隐藏需要面对因压缩码率变化导致的文件大小扩展问题，并且在设计可逆框架时需要对离散余弦变换、量化、熵编码等相关知识进行研究和运用，使得优化步骤更为复杂。本文以自适应JPEG可逆信息隐藏为题，从文件大小控制自适应、嵌入策略自适应、嵌入空间维度自适应和主观评价自适应四个方向，为降低秘密信息传输码率、减少寻优复杂度、提升嵌入方法的高维特性和拓展应用场景提供理论研究和有效的方法。论文的主要研究内容及贡献归纳如下：
针对嵌入信息后含密图像存储体积增加的问题，研究控制文件大小的自适应方案。由于冗余空间不足，基于可变长度码（variable length code，VLC）映射的方法在嵌入容量和码流长度增加之间难以建立较好的平衡。为了解决这一问题，文本提出了两种自适应方法：1）广义的基于VLC映射的可逆方法。通过重定义嵌入替换和映射规则，引入了更优的嵌入方案。该方法能在保持文件大小的情况下，将单幅图像上的嵌入容量平均增加1.84%。2）基于码流变化模拟的可逆方法。该方法对嵌入前后的VLC替换进行仿真模拟，并将嵌入后文件大小的增量纳入了考量，为其设计了一个数学上定性、定量的优化模型。该方法可以相对较低的体积变化代价，提高可嵌入的秘密信息比特数量。实验结果证明，相比同类方法，所提方法可将文件大小扩展缩小23%。
针对自适应方法计算复杂度高、寻优代价大的问题，研究面向嵌入策略的自适应方案，提出了一种模块化可逆信息隐藏方法。本文使用了可适用于不同图像的通用修改模式集合实现自适应嵌入效果并加速寻优过程。本文以多个已知的最优自适应解的统计结果为基础生成一个通用解集。嵌入时，将量化系数直方图的映射方案匹配当作一个可模块化处理的流程，仅从预设的通用解集中选择自适应解，而不需要大范围地遍历嵌入策略和映射参数。实验结果证明，该方法可在维持自适应嵌入效果的同时，提高运行速率、削减耗时。
针对嵌入修改自适应性不足的问题，研究嵌入空间维度自适应的方案，提出了一种独立学习式的二维映射生成方法。该方法可基于给定图像的二维直方图分布，自适应地推导出最优的像素修改模式。在优化过程中，采用了迭代更新的损失函数，并有侧重地调整待优化队列中各个预测误差对的入射。实验结果表明，所提出的方法可以在相同嵌入容量下将含密图像的峰值信噪比（peak-signal-to-noise ratio，PSNR）提高0.3% ~ 5.13%。
针对主观评价指标与PSNR存在差异性的问题，研究主观视觉失真自适应的方案，提出了一种基于人眼视觉系统的可逆方法。本文在灰度级别变化的基础上，进一步将图像的纹理特征也纳入了优化考量，为不同区域的像素赋予非一致的失真代价和优先级。基于多直方图修改框架，本文提出了一种可在视觉质量失真和像素移位失真之间取得平衡的参数寻优策略。实验结果表明，该方法可以使含密图像的质量与人眼视觉感知相一致，并获得更高的视觉质量得分。
主要学术成果
Cheng Zhang and Bo Ou. Reversible data hiding based on multiple adaptive two-dimensional prediction-error histograms modification, IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology, 2022, 32(7): 4174-4187. (第一作者, CCF B 类, 中科院一区)
Cheng Zhang, Bo Ou, Xiaolong Li and Jianqin Xiong. Human visual system guided reversible data hiding based on multiple histograms modification, The Computer Journal, 2021, bxab203. (第一作者, CCF B 类)
Cheng Zhang, Bo Ou, HuaWei Tian and Zheng Qin. Reversible data hiding in JPEG bitstream using optimal VLC mapping, Journal of Visual Communication and Image Representation, 2020, 71: 102821. (第一作者, CCF C 类，中科院三区)
Cheng Zhang, Bo Ou and Dan Tang. An improved VLC mapping method with parameter optimization for reversible data hiding in JPEG bitstream, Multimedia Tools and Application, 2020, 79(27): 19045-19062. (第一作者, CCF C 类)
Cheng Zhang, Bo Ou, Fei Peng, Yao Zhao and Keqin Li. A survey on reversible data hiding for uncompressed images. ACM Computing Surveys, 2023. (第一作者, 中科院一区, 审稿中)
张成，欧博. 基于 JPEG 图像的模块化可逆信息隐藏方法, 信息网络安全, 2023. (第一作者, CCF 中文T3 类, 在投)
