一種基于擴(kuò)頻和錯誤控制編碼的圖像隱寫通信系統(tǒng)研究

蔡正保

(安徽國防科技職業(yè)學(xué)院 信息工程系，安徽 六安　237011)

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一種基于擴(kuò)頻和錯誤控制編碼的圖像隱寫通信系統(tǒng)研究

蔡正保

(安徽國防科技職業(yè)學(xué)院 信息工程系，安徽 六安237011)

摘要：圖像隱寫技術(shù)應(yīng)用較為廣泛，國內(nèi)外對于圖像隱寫技術(shù)的研究都比較多。在進(jìn)行隱寫通信系統(tǒng)研究時探討了擴(kuò)頻技術(shù)和錯誤控制編碼技術(shù)，系統(tǒng)允許隱藏數(shù)據(jù)信息的無錯恢復(fù)，圖像隱寫具備抗剪裁的魯棒性，系統(tǒng)能夠確保數(shù)字圖像在公共網(wǎng)絡(luò)中安全可靠地傳輸。

關(guān)鍵詞：擴(kuò)頻技術(shù)；錯誤控制；編碼；圖像隱寫；通信系統(tǒng)

隨著信息安全技術(shù)的發(fā)展，隱寫技術(shù)越來越受關(guān)注。信息隱寫就是把秘密信息隱藏到事先選擇的一些載體中來達(dá)到對秘密信息的安全保護(hù)，隱寫技術(shù)不僅可以保護(hù)秘密信息內(nèi)容的安全，同時還可以讓秘密信息的存在不為人所知。在實(shí)際隱寫通信方面，更多的信息會以數(shù)字圖像的形式在網(wǎng)絡(luò)中傳輸。[1]基于圖像的隱寫技術(shù)逐漸成為信息安全領(lǐng)域中的比較重要的分支。對于圖像隱寫的研究需分析嵌入隱寫圖像后載體圖像所表現(xiàn)出來的視覺特征以及統(tǒng)計(jì)規(guī)律，為后續(xù)檢測隱寫圖像準(zhǔn)備詳細(xì)的理論依據(jù)和可靠的處理方法；隱寫分析能夠檢測圖像隱寫算法的安全性能，是設(shè)計(jì)圖像隱寫算法、維護(hù)圖像信息安全性能的重要依據(jù)和主要手段。[2]本文在探討擴(kuò)頻技術(shù)和錯誤編碼控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，對圖像隱寫通信系統(tǒng)進(jìn)行了分析研究。

一擴(kuò)頻技術(shù)

擴(kuò)頻是運(yùn)用對信息的處理來改良傳輸性能的一種技術(shù)。在對信息進(jìn)行傳輸之前，將其頻譜進(jìn)行擴(kuò)寬。在信息的發(fā)送端將輸入的信息調(diào)制為數(shù)字信息，再通過擴(kuò)頻碼序列來對數(shù)字信息進(jìn)行調(diào)制，可得擴(kuò)寬頻譜的信號。[3]寬頻信號經(jīng)過調(diào)制成射頻信號并發(fā)送。在接收端將射頻調(diào)制成寬頻，再用與發(fā)送端同樣的碼序列來對寬頻信號進(jìn)行解擴(kuò)并恢復(fù)出原始信號。

因擴(kuò)頻碼具有隨機(jī)性，擴(kuò)頻信號具有寬帶性，擴(kuò)頻技術(shù)有一些特征：擴(kuò)頻信號屬于偽隨機(jī)的寬帶信號，使得擴(kuò)頻系統(tǒng)的抗干擾能力強(qiáng)；擴(kuò)頻信號的功率分布比較均勻且范圍大，接收機(jī)很難接收這種低密度信號，以致擴(kuò)頻系統(tǒng)截獲率很低；擴(kuò)頻系統(tǒng)采用碼分多址通信技術(shù)，通信中各用戶有屬于自己的碼，相互之間以及他人無法竊聽，系統(tǒng)的保密性高。[4]可見，采用擴(kuò)頻技術(shù)的隱寫可獲得較好的安全性和健壯性。

二擴(kuò)頻圖像隱寫分析

在圖像隱寫通信系統(tǒng)中，采用擴(kuò)頻技術(shù)可以有效地防止秘密圖像信息在傳輸過程中為非法人員所竊聽。隱寫通信的重點(diǎn)在于高荷載和強(qiáng)隱蔽性。使用盲隱寫技術(shù)，在提取秘密信息時不需要原始圖像，在有密鑰的情況下接收者便可對秘密信息進(jìn)行提取；不然，使用現(xiàn)有技術(shù)手段難以檢測秘密信息。隱寫通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以結(jié)合擴(kuò)頻、信道估計(jì)、錯誤控制編碼技術(shù)。其目的是把秘密圖像信息轉(zhuǎn)換成類噪聲波的方式再嵌入載體圖像。提取信息時，使用信道估計(jì)以及錯誤控制編碼技術(shù)來完成解碼。這里的信道估計(jì)也就是圖像恢復(fù)，信道指的也就是載體圖像，依據(jù)含密圖像來對原始載體圖像進(jìn)行估計(jì)，再通過盲計(jì)算獲得隱蔽信息。因加性噪聲的能量較低，對其進(jìn)行信號檢測較難且信號不易恢復(fù)，嵌入信息時誤碼率高。使用糾錯編碼技術(shù)可有效解決這些問題。

在隱寫系統(tǒng)中可以使用編碼器對信息進(jìn)行處理，詳細(xì)流程可見圖1。使用密鑰K1對信息加密，并將加密后的信息進(jìn)行編碼處理得到信息m。再將密鑰K2輸入到偽隨機(jī)噪聲發(fā)生器可得呈現(xiàn)高斯分布的序列n。使用密鑰K3和噪聲序列對m做置亂處理，得到待嵌入的信號s。將s加性嵌入載體圖像f，可得含密圖像h。含密圖像經(jīng)過量化處理后發(fā)送至接收方。

圖1　隱寫編碼器

接收方在接收到傳輸過來的隱寫圖像后，使用與發(fā)送方相同的密鑰，利用隱寫解碼器可以提取出秘密圖像信息，詳細(xì)過程見圖2。解碼器使用信道估計(jì)技術(shù)對含隱圖像h1進(jìn)行估計(jì)，可得原始載體圖像的估計(jì)值f1。將h1與f1的差值通過逆置亂器處理可得隱藏信號的估計(jì)值s1。再使用密鑰K2重新獲得類噪聲序列n。依據(jù)序列n將s1解調(diào)處理得到編碼信息估計(jì)值m1。依據(jù)密鑰K1進(jìn)行解碼可得隱秘信息的估計(jì)值。

圖2　隱寫解碼器

系統(tǒng)隱藏圖像信息使用到了數(shù)字圖像的內(nèi)在噪聲。就比如一些電子成像設(shè)備采集圖像信息時較容易出現(xiàn)帶寬噪聲。在系統(tǒng)中，運(yùn)用擴(kuò)頻技術(shù)把秘密信息嵌入加性高斯白噪聲中，因?yàn)樵谛畔⑻幚磉^程中運(yùn)用了糾錯編碼，編碼也出現(xiàn)有擴(kuò)頻的現(xiàn)象，少量的信息位會分布在大量的輸出信號中，這就有了數(shù)字圖像的自然噪聲現(xiàn)象。若能合理控制這類噪聲，它便不會被人類和計(jì)算機(jī)所察覺。

三信號的調(diào)制

在系統(tǒng)中，待嵌入載體圖像的隱蔽信號要與自然圖像的內(nèi)在噪聲表現(xiàn)出相同的統(tǒng)計(jì)特征，才能很好地對信息進(jìn)行隱藏。利用類白高斯噪聲來調(diào)制嵌入的信號，可獲得具有高斯分布特性的信號。[5]為了使得接收者和發(fā)送者的偽隨機(jī)序列能夠保持一致，使用了存儲擴(kuò)頻通信技術(shù)。在發(fā)送者和接收者的密鑰以及序列生成器相同的情況下，即可得相同的序列。信息處理過程中使用了類噪聲的實(shí)數(shù)序列，這個序列是由偽隨機(jī)數(shù)生成器產(chǎn)生的，呈高斯分布特性。

系統(tǒng)中信號的調(diào)制有兩種類型，分段線性調(diào)制和兩極信號調(diào)制。要想提高信號的檢測性能，可以使用分段線性調(diào)制技術(shù)。若待嵌入的信號符合高斯分布，在信號經(jīng)過分段線性調(diào)制之后，偽隨機(jī)序列在密鑰的控制下可以生成符合高斯分布的實(shí)數(shù)序列，可以增加最小檢測距離，能夠達(dá)到檢測性能的提高。

四錯誤控制編碼技術(shù)的應(yīng)用

系統(tǒng)采用糾錯編碼來提高通信性能。使用了一個隨機(jī)交織器以及兩個卷積編碼器組成糾錯編碼器，編碼器的譯碼復(fù)雜度非常合理，[6]具體如圖3所示。其具體工作流程是：使用第一個編碼器產(chǎn)生3個比特，這3個比特中含2個奇偶校驗(yàn)比特和1個信息比特。將3個比特經(jīng)過交織后的信息輸入到第二個編碼器可得2個奇偶校驗(yàn)比特。

在接收方使用糾錯譯碼器將接收到的奇偶校驗(yàn)位和信號譯碼處理，糾錯譯碼器見圖4。糾錯譯碼器由2個軟輸入/輸出譯碼器和3個交織器組成，對接收到的信息2個譯碼器輪流譯碼，可生成二進(jìn)制信息流。

圖3　糾錯編碼器

圖4　糾錯譯碼器

使用糾錯編碼技術(shù)，能很好地矯正數(shù)據(jù)幀錯誤，譯碼器可以產(chǎn)生軟輸出，可利用BCJR算法[7]開發(fā)譯碼器。

五小結(jié)

由于當(dāng)前的通信形式大多是數(shù)字形式，因此該系統(tǒng)研究主要在于數(shù)據(jù)隱寫方法研究，探討了圖像隱寫的評測技術(shù)，提出了完整的能夠確保信息安全的圖像隱寫傳輸技術(shù)。本文提出的隱寫技術(shù)能夠擴(kuò)展到音頻、視頻等其他載體格式，系統(tǒng)也能夠擴(kuò)展成通用的信息隱蔽傳輸系統(tǒng)。圖像隱寫通信系統(tǒng)能夠用來保證數(shù)字圖像在公共網(wǎng)絡(luò)中安全可靠地傳輸。系統(tǒng)中傳輸?shù)男畔⒕邆涮囟ǖ臋C(jī)密性，圖像的隱蔽傳輸已經(jīng)成為一個比較熱門的研究方向。

參考文獻(xiàn)

[1]郭建勝,沈林章,張鋒.基于壓縮感知的圖像加密算法的安全性分析[J].計(jì)算機(jī)工程,2014,34(8):12-15.

[2]夏杰勇.基于彩色靜止圖片的文本信息隱藏研究[D].重慶大學(xué)，2014.

[3]王也雋.信息隱藏技術(shù)及其軍事應(yīng)用[M].國防工業(yè)出版社，2011.

[4]C.C. Lin, W.L. Tai, C.C. Chang. Multilevel reversible data hiding based on histogram modification of difference images[J]. Pattern Recognition, 2010, 41(12):3582-3591.

[5]車生兵,黃達(dá),譚駿珊.基于復(fù)合混沌系統(tǒng)的數(shù)字圖像加密研究[J].計(jì)算機(jī)工程，2013,32(21):148-151.

[6]L.X. Luo, Z.Y. Chen, M. Chen. Reversible image watermarking using interpolation technique[J]. IEEE Transactions on Information Forensics and Security, 2012, 5(1):187-193.

[7]譙鈞.基于 DCT 的魯棒性和半脆弱性圖像水印算法研究[D].西北師范大學(xué)，2013.

Class No.:TP399Document Mark：A

(責(zé)任編輯：蔡雪嵐)

Image Steganography Communication System Based on Spread Spectrum Technology and Error Control Encoding Technology

Cai Zhengbao

(Department of Information and Engineering, Anhui Vocational College of Defense Technology , Lu’an，Anhui 237011，China)

Abstract：Image steganography technology is widely used at home and abroad , so, there are a lot of study results of image steganography .As for the steganographic communication systems , we discussed the spread spectrum technology and error control coding technology ,and the system that made the hided information data of no error recovery. We analyzed the image steganography with anti-cutting robustness, which can ensure the transmission of digital image in the public network safe and reliable.

Key words：spread spectrum technology; error control; encoding; steganography; communication system

中圖分類號：TP309.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-6758(2016)05-0043-3

基金項(xiàng)目：安徽國防科技職業(yè)學(xué)院基金項(xiàng)目(gf2015mooc08)。

作者簡介：蔡正保，碩士，講師，安徽國防科技職業(yè)學(xué)院信息工程系。研究方向：信息安全技術(shù)。