基于可逆性的圖像信息隱藏系統(tǒng)設計

張春玉

摘? 要： 傳統(tǒng)圖像信息處理系統(tǒng)已無法滿足日益復雜的圖像信息，故設計基于可逆性的圖像信息隱藏系統(tǒng)。通過圖像采集模塊采集待處理圖像后發(fā)送至FIFO存儲模塊，F(xiàn)IFO存儲模塊存儲圖像信息并發(fā)送至S3C44BOX型AMR處理器，AMR處理器中的數(shù)據(jù)處理模塊對圖像實施灰度拉伸處理，拉伸處理后對圖像實施閾值分割處理，利用可逆信息隱藏算法隱藏圖像信息，經(jīng)過逆運算提取隱藏圖像信息并利用LCD顯示模塊輸出圖像。圖像信息處理過程是通過數(shù)據(jù)通信模塊，利用PCI接口完成圖像信息處理系統(tǒng)與計算機交互，實現(xiàn)圖像信息處理系統(tǒng)的圖像信息處理功能。實驗結果表明，采用該系統(tǒng)可有效處理圖像信息，并且處理10幅圖像信息平均隱藏容量高達9 558.2 bit，輸出圖像信噪比高于45 dB，處理速率最高達4.251 Gb/s，充分驗證了該系統(tǒng)的有效性。

關鍵詞： 圖像信息隱藏; 系統(tǒng)設計; 圖像采集; 信息處理; 灰度拉伸; LCD顯示

中圖分類號： TN911.73?34; TP368? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）22?0140?04

Abstract： As the traditional image information processing systems have been unable to meet increasingly complex image information， an image information hiding system based on reversibility is designed. The image acquisition module is used to collect the image to be processed and send it to the FIFO storage module. The FIFO storage module is used to store the image information and send it to the S3C44BOX AMR processor. The data processing module of AMR processor is used to implement the gray stretch processing on the image， and then carry out the threshold segmentation processing. The image information is hidden by means of the reversible information hiding algorithm， and the hidden image information is extracted by means of the inverse operation and outputted by the extract the LCD display module. In the process of image information processing， the interaction between image information processing system and computer is realized by the PCI interface and the data communication module， so as to realize the image information process function of the image information system. The experimental results show that the system can effectively process image information， the average hidden capacity of processing 10 images information is as high as 9 558.2 bit， the signal?to?noise ratio of the output image is higher than 45 dB， and the processing speed up to 4.251 Gb/s， which fully verifies the effectiveness of the system.

Keywords： image information hiding; system design; image collection; information processing; gray stretch; LCD display

圖像信息處理系統(tǒng)是隨著科學技術以及圖像技術發(fā)展而誕生，近年來發(fā)展極為迅速，可實現(xiàn)圖像各種信息處理?？萍妓讲粩嗵嵘谷祟悓τ趫D像信息處理需求不斷增加，高性能的圖像信息處理系統(tǒng)是目前圖像處理領域的重點研究方向。信息隱藏是指將所需隱藏的信息通過特殊載體在傳輸，令信息通過隱藏方式傳輸至目的地。圖像作為特殊載體傳輸信息過程中會發(fā)生改變，所需隱藏信息將因圖像載體在的改變而改變，使所隱藏信息無法完整提取。一些軍事圖像或醫(yī)學圖像對圖像中隱藏信息要求極為嚴格[1]，若隱藏信息發(fā)生改變將會帶來巨大影響。基于以上問題相關學者研究可逆信息隱藏算法，并設計了相關系統(tǒng)。目前常用的圖像信息處理系統(tǒng)主要有基于云計算的圖像信息處理系統(tǒng)和基于分層架構的圖像信息處理系統(tǒng)。雖然上述方法可以將隱藏信息安全地隱藏于圖像中，并且能夠提取圖像中所包含的完整的原始圖像信息，但是現(xiàn)有系統(tǒng)在處理圖像中的隱藏信息時，隱藏容量較低，并且輸出圖像的信噪比較低，處理效果不佳[2?3]。

為了解決傳統(tǒng)系統(tǒng)存在的問題，本文設計基于可逆性的圖像信息隱藏系統(tǒng)，將可逆信息隱藏算法應用于圖像信息處理系統(tǒng)中，提升圖像處理速度與傳輸速度，并保證圖像信息處理的安全性。

1? 系統(tǒng)總體設計

將ARM處理器與可逆信息處理算法應用于圖像信息處理系統(tǒng)中，基于可逆性的圖像信息隱藏系統(tǒng)總體結構圖如圖1所示。

系統(tǒng)利用圖像采集模塊采集圖像信息，利用ARM處理器通過可逆信息隱藏算法實現(xiàn)圖像信息隱藏，通過串口和以太網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信[4]，獲取最終圖像隱藏信息后通過SD卡模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲。系統(tǒng)的整體數(shù)據(jù)通信利用數(shù)據(jù)通信模塊實現(xiàn)。

1.1? 系統(tǒng)硬件設計

1.1.1? ARM處理器

數(shù)據(jù)處理模塊是圖像信息處理系統(tǒng)ARM處理器的核心模塊，圖像數(shù)據(jù)處理模塊利用可逆信息隱藏算法實現(xiàn)圖像信息處理。圖像信息處理系統(tǒng)需要極高的圖像識別與跟蹤性能，具有較高的實時性和可靠性才可實現(xiàn)大量圖像信息處理運算。將Altera公司的Cyclone系列可編程邏輯芯片與S3C44BOX型ARM處理器相結合，ARM處理器選取的S3C44BOX型ARM，處理器是具有高性價比的微型控制器，利用ARM處理器實現(xiàn)圖像的預處理、疊加、信息隱藏，提升圖像信息處理系統(tǒng)的靈活性與可擴展性能[5]。此外，圖像信息處理系統(tǒng)總線結構利用SAMBALL進行設置。圖2為ARM處理器模塊結構圖。

1.1.2? LCD模塊

通過LCD模塊實現(xiàn)圖像信息處理系統(tǒng)的人機交互，LCD模塊中的LCD顯示屏具有觸摸功能，使LCD模塊接口與S3C44BOX處理器接口連接實現(xiàn)圖像信息處理數(shù)據(jù)的實時顯示[6]。利用ADS78432控制器控制LCD觸摸屏應用，通過四線電阻式觸摸屏控制算法實現(xiàn)觸摸屏控制。圖3為LCD模塊結構圖。

1.1.3? 數(shù)據(jù)通信模塊

通過數(shù)據(jù)通信模塊實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)傳送，數(shù)據(jù)通信模塊可實現(xiàn)多芯片通信，利用以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳送接口與高速串行接口實現(xiàn)圖像信息處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信。

數(shù)據(jù)通信模塊利用PCI接口實現(xiàn)圖像信息處理系統(tǒng)與計算機的信息交互。PCI接口是系統(tǒng)硬件的數(shù)據(jù)交換與控制中心，通過通信接口模塊接收圖像信息處理系統(tǒng)與各設備驅動的命令和數(shù)據(jù)，通信接口模塊完成系統(tǒng)中各個模塊的協(xié)調工作[7]，實現(xiàn)系統(tǒng)圖像信息處理。PCI通信接口模塊將采集的圖像信息與系統(tǒng)處理后的數(shù)據(jù)利用PCI總線發(fā)送至通用PC，選取PLX公司的PCI9030作為通信數(shù)據(jù)模塊的接口芯片。圖4為數(shù)據(jù)通信模塊的電路圖。

1.2? 系統(tǒng)軟件設計

1.2.1? 可逆信息隱藏算法

灰度圖像直方圖中的圖像像素點最小值通常分布于圖像兩側[8]，圖像中連續(xù)出現(xiàn)零值點。利用圖像像素具有的以上分布特性通過基于直方圖修改的可逆信息隱藏算法實現(xiàn)圖像信息的可逆隱藏功能。

基于直方圖修改的可逆信息隱藏步驟如下：

1） 尋找灰度直方圖圖像中的一個最大點[Ng]以及一組零點[Nf1]，[Nf2]，…，[Nfm]，最大點與零點分別為對應的像素點個數(shù)最多的灰度值[fi]以及像素點數(shù)量為空的對應灰度值。其中，[i=1，2，…，m]。當圖像中不具有零點時，用最小點代替零點。

2） 設圖像直方圖中一個最大值點可隱藏比特位數(shù)量為[n]，且[n≤4]，可得利用最大值點隱藏圖像直方圖信息的連續(xù)零點值需要數(shù)量[m]以及比特位數(shù)關系，見表1。

3） 依次掃描圖像全部像素點后實現(xiàn)圖像信息隱藏。

4） 將隱藏信息后圖像的峰值信噪比與原始圖像峰值信噪比相減，當結果不符合圖像信息隱藏要求時，則返回至步驟2）。將隱藏位數(shù)增加后再次掃描，直至圖像質量與峰值信噪比符合圖像信息隱藏要求為止。

提取異常圖像信息的過程為以上圖像信息隱藏的逆過程，該算法可有效隱藏圖像信息，并將隱藏信息通過逆運算提取[13]。提取圖像隱藏信息后，恢復圖像至原始狀態(tài)，可逆信息隱藏算法運算過程中需要重視以下問題：

1） 為了提升圖像信息隱藏的魯棒性以及圖像質量，設置隱藏信息位數(shù)小于等于4，其原因是圖像像素點第3～第5位修改像素時，可獲取最優(yōu)的隱藏效果[14]。

2） 圖像的峰值點應在像素值處于灰度值允許范圍內時實施加減法。

1.2.2? 系統(tǒng)實現(xiàn)流程

利用可調用函數(shù)編寫基于可逆性的圖像信息隱藏系統(tǒng)，實現(xiàn)圖像信息隱藏處理。系統(tǒng)處理圖像信息任務流程如圖5所示。

分析圖5可知，基于可逆性的圖像信息隱藏系統(tǒng)利用FIFO存儲器采集圖像信息后，對圖像實施灰度拉伸處理，拉伸處理后對圖像實施閾值分割處理[15]，并利用ARM處理器通過可逆信息隱藏算法隱藏圖像信息，經(jīng)過逆運算提取隱藏圖像信息并輸出圖像，實現(xiàn)圖像信息處理系統(tǒng)的圖像信息處理。

2? 實驗分析

為了檢測本文設計基于可逆性的圖像信息隱藏系統(tǒng)處理圖像的有效性，在CPU為英特爾i9 990k酷睿八核，內存為8 GB的計算機中，利用Matlab仿真平臺調用函數(shù)編程本文系統(tǒng)，采用本文系統(tǒng)處理數(shù)字化圖像處理常用的標準測試圖片集合中的10幅經(jīng)典圖像。

統(tǒng)計采用本文系統(tǒng)處理10幅圖像信息的隱藏容量，并將本文系統(tǒng)與云計算系統(tǒng)及分層架構系統(tǒng)對比，對比結果如表2所示。

通過表2實驗結果可以看出，采用本文系統(tǒng)處理10幅不同圖像，隱藏圖像信息容量明顯高于云計算系統(tǒng)以及分層架構系統(tǒng)，其處理10幅圖像信息平均隱藏容量高達9 558.2 bit;而采用云計算系統(tǒng)以及分層架構系統(tǒng)處理10幅圖像平均隱藏容量僅為5 478.7 bit以及5 697.3 bit。因為本文系統(tǒng)采取高效的可逆信息隱藏算法實現(xiàn)圖像信息隱藏，隱藏容量明顯高于另外2種系統(tǒng)，充分驗證了本文系統(tǒng)的優(yōu)越性。

統(tǒng)計采用本文系統(tǒng)處理10幅圖像信息后圖像的信噪比，并將本文系統(tǒng)與云計算系統(tǒng)及分層架構系統(tǒng)進行對比，對比結果如表3所示。

由表3實驗結果可以看出，采用本文系統(tǒng)處理10幅圖像信息輸出圖像信噪比明顯高于另外2種系統(tǒng)。采用本文方法處理10幅圖像信息，輸出圖像信噪比均高于45 dB，說明本文系統(tǒng)不僅可有效處理圖像信息，并且處理后輸出圖像信噪比較高，輸出圖像質量較好。再次驗證本文系統(tǒng)對圖像信息的處理性能。

3? 結? 論

圖像信息處理是圖像處理領域中極為重要的部分。本文設計基于可逆性的圖像信息隱藏系統(tǒng)，將可逆信息隱藏算法應用于圖像信息處理系統(tǒng)。通過實驗結果驗證，采用該系統(tǒng)處理圖像信息可在較低成本前提下具有較高的圖像信息處理效率，并且具有良好的處理性能，可應用于不同類型圖像信息實際處理要求。

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（上接第143頁）

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