一種基于擴頻和錯誤控制編碼的圖像隱寫通信系統研究

蔡正保

(安徽國防科技職業學院 信息工程系，安徽 六安　237011)

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一種基于擴頻和錯誤控制編碼的圖像隱寫通信系統研究

蔡正保

(安徽國防科技職業學院 信息工程系，安徽 六安237011)

摘要：圖像隱寫技術應用較為廣泛，國內外對于圖像隱寫技術的研究都比較多。在進行隱寫通信系統研究時探討了擴頻技術和錯誤控制編碼技術，系統允許隱藏數據信息的無錯恢復，圖像隱寫具備抗剪裁的魯棒性，系統能夠確保數字圖像在公共網絡中安全可靠地傳輸。

關鍵詞：擴頻技術；錯誤控制；編碼；圖像隱寫；通信系統

隨著信息安全技術的發展，隱寫技術越來越受關注。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到對秘密信息的安全保護，隱寫技術不僅可以保護秘密信息內容的安全，同時還可以讓秘密信息的存在不為人所知。在實際隱寫通信方面，更多的信息會以數字圖像的形式在網絡中傳輸。[1]基于圖像的隱寫技術逐漸成為信息安全領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出來的視覺特征以及統計規律，為后續檢測隱寫圖像準備詳細的理論依據和可靠的處理方法；隱寫分析能夠檢測圖像隱寫算法的安全性能，是設計圖像隱寫算法、維護圖像信息安全性能的重要依據和主要手段。[2]本文在探討擴頻技術和錯誤編碼控制技術的基礎上，對圖像隱寫通信系統進行了分析研究。

一擴頻技術

擴頻是運用對信息的處理來改良傳輸性能的一種技術。在對信息進行傳輸之前，將其頻譜進行擴寬。在信息的發送端將輸入的信息調制為數字信息，再通過擴頻碼序列來對數字信息進行調制，可得擴寬頻譜的信號。[3]寬頻信號經過調制成射頻信號并發送。在接收端將射頻調制成寬頻，再用與發送端同樣的碼序列來對寬頻信號進行解擴并恢復出原始信號。

因擴頻碼具有隨機性，擴頻信號具有寬帶性，擴頻技術有一些特征：擴頻信號屬于偽隨機的寬帶信號，使得擴頻系統的抗干擾能力強；擴頻信號的功率分布比較均勻且范圍大，接收機很難接收這種低密度信號，以致擴頻系統截獲率很低；擴頻系統采用碼分多址通信技術，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，系統的保密性高。[4]可見，采用擴頻技術的隱寫可獲得較好的安全性和健壯性。

二擴頻圖像隱寫分析

在圖像隱寫通信系統中，采用擴頻技術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。隱寫通信的重點在于高荷載和強隱蔽性。使用盲隱寫技術，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行提??；不然，使用現有技術手段難以檢測秘密信息。隱寫通信系統設計可以結合擴頻、信道估計、錯誤控制編碼技術。其目的是把秘密圖像信息轉換成類噪聲波的方式再嵌入載體圖像。提取信息時，使用信道估計以及錯誤控制編碼技術來完成解碼。這里的信道估計也就是圖像恢復，信道指的也就是載體圖像，依據含密圖像來對原始載體圖像進行估計，再通過盲計算獲得隱蔽信息。因加性噪聲的能量較低，對其進行信號檢測較難且信號不易恢復，嵌入信息時誤碼率高。使用糾錯編碼技術可有效解決這些問題。

在隱寫系統中可以使用編碼器對信息進行處理，詳細流程可見圖1。使用密鑰K1對信息加密，并將加密后的信息進行編碼處理得到信息m。再將密鑰K2輸入到偽隨機噪聲發生器可得呈現高斯分布的序列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。含密圖像經過量化處理后發送至接收方。

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，詳細過程見圖2。解碼器使用信道估計技術對含隱圖像h1進行估計，可得原始載體圖像的估計值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值s1。再使用密鑰K2重新獲得類噪聲序列n。依據序列n將s1解調處理得到編碼信息估計值m1。依據密鑰K1進行解碼可得隱秘信息的估計值。

圖2　隱寫解碼器

系統隱藏圖像信息使用到了數字圖像的內在噪聲。就比如一些電子成像設備采集圖像信息時較容易出現帶寬噪聲。在系統中，運用擴頻技術把秘密信息嵌入加性高斯白噪聲中，因為在信息處理過程中運用了糾錯編碼，編碼也出現有擴頻的現象，少量的信息位會分布在大量的輸出信號中，這就有了數字圖像的自然噪聲現象。若能合理控制這類噪聲，它便不會被人類和計算機所察覺。

三信號的調制

在系統中，待嵌入載體圖像的隱蔽信號要與自然圖像的內在噪聲表現出相同的統計特征，才能很好地對信息進行隱藏。利用類白高斯噪聲來調制嵌入的信號，可獲得具有高斯分布特性的信號。[5]為了使得接收者和發送者的偽隨機序列能夠保持一致，使用了存儲擴頻通信技術。在發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數序列，這個序列是由偽隨機數生成器產生的，呈高斯分布特性。

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

四錯誤控制編碼技術的應用

系統采用糾錯編碼來提高通信性能。使用了一個隨機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生3個比特，這3個比特中含2個奇偶校驗比特和1個信息比特。將3個比特經過交織后的信息輸入到第二個編碼器可得2個奇偶校驗比特。

在接收方使用糾錯譯碼器將接收到的奇偶校驗位和信號譯碼處理，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，能很好地矯正數據幀錯誤，譯碼器可以產生軟輸出，可利用BCJR算法[7]開發譯碼器。

五小結

由于當前的通信形式大多是數字形式，因此該系統研究主要在于數據隱寫方法研究，探討了圖像隱寫的評測技術，提出了完整的能夠確保信息安全的圖像隱寫傳輸技術。本文提出的隱寫技術能夠擴展到音頻、視頻等其他載體格式，系統也能夠擴展成通用的信息隱蔽傳輸系統。圖像隱寫通信系統能夠用來保證數字圖像在公共網絡中安全可靠地傳輸。系統中傳輸的信息具備特定的機密性，圖像的隱蔽傳輸已經成為一個比較熱門的研究方向。

參考文獻

[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].計算機工程,2014,34(8):12-15.

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[3]王也雋.信息隱藏技術及其軍事應用[M].國防工業出版社，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,譚駿珊.基于復合混沌系統的數字圖像加密研究[J].計算機工程，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，2013.

Class No.:TP399Document Mark：A

(責任編輯：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

文獻標識碼：A

文章編號：1672-6758(2016)05-0043-3

基金項目：安徽國防科技職業學院基金項目(gf2015mooc08)。

作者簡介：蔡正保，碩士，講師，安徽國防科技職業學院信息工程系。研究方向：信息安全技術。