一种基于扩频和错误控制编码的图像隐写通信系统研究

蔡正保

(安徽国防科技职业学院 信息工程系，安徽 六安　237011)



一种基于扩频和错误控制编码的图像隐写通信系统研究

蔡正保

(安徽国防科技职业学院 信息工程系，安徽 六安237011)

摘要：图像隐写技术应用较为广泛，国内外对于图像隐写技术的研究都比较多。在进行隐写通信系统研究时探讨了扩频技术和错误控制编码技术，系统允许隐藏数据信息的无错恢复，图像隐写具备抗剪裁的鲁棒性，系统能够确保数字图像在公共网络中安全可靠地传输。

关键词：扩频技术；错误控制；编码；图像隐写；通信系统

随着信息安全技术的发展，隐写技术越来越受关注。信息隐写就是把秘密信息隐藏到事先选择的一些载体中来达到对秘密信息的安全保护，隐写技术不仅可以保护秘密信息内容的安全，同时还可以让秘密信息的存在不为人所知。在实际隐写通信方面，更多的信息会以数字图像的形式在网络中传输。[1]基于图像的隐写技术逐渐成为信息安全领域中的比较重要的分支。对于图像隐写的研究需分析嵌入隐写图像后载体图像所表现出来的视觉特征以及统计规律，为后续检测隐写图像准备详细的理论依据和可靠的处理方法；隐写分析能够检测图像隐写算法的安全性能，是设计图像隐写算法、维护图像信息安全性能的重要依据和主要手段。[2]本文在探讨扩频技术和错误编码控制技术的基础上，对图像隐写通信系统进行了分析研究。

一扩频技术

扩频是运用对信息的处理来改良传输性能的一种技术。在对信息进行传输之前，将其频谱进行扩宽。在信息的发送端将输入的信息调制为数字信息，再通过扩频码序列来对数字信息进行调制，可得扩宽频谱的信号。[3]宽频信号经过调制成射频信号并发送。在接收端将射频调制成宽频，再用与发送端同样的码序列来对宽频信号进行解扩并恢复出原始信号。

因扩频码具有随机性，扩频信号具有宽带性，扩频技术有一些特征：扩频信号属于伪随机的宽带信号，使得扩频系统的抗干扰能力强；扩频信号的功率分布比较均匀且范围大，接收机很难接收这种低密度信号，以致扩频系统截获率很低；扩频系统采用码分多址通信技术，通信中各用户有属于自己的码，相互之间以及他人无法窃听，系统的保密性高。[4]可见，采用扩频技术的隐写可获得较好的安全性和健壮性。

二扩频图像隐写分析

在图像隐写通信系统中，采用扩频技术可以有效地防止秘密图像信息在传输过程中为非法人员所窃听。隐写通信的重点在于高荷载和强隐蔽性。使用盲隐写技术，在提取秘密信息时不需要原始图像，在有密钥的情况下接收者便可对秘密信息进行提取；不然，使用现有技术手段难以检测秘密信息。隐写通信系统设计可以结合扩频、信道估计、错误控制编码技术。其目的是把秘密图像信息转换成类噪声波的方式再嵌入载体图像。提取信息时，使用信道估计以及错误控制编码技术来完成解码。这里的信道估计也就是图像恢复，信道指的也就是载体图像，依据含密图像来对原始载体图像进行估计，再通过盲计算获得隐蔽信息。因加性噪声的能量较低，对其进行信号检测较难且信号不易恢复，嵌入信息时误码率高。使用纠错编码技术可有效解决这些问题。

在隐写系统中可以使用编码器对信息进行处理，详细流程可见图1。使用密钥K1对信息加密，并将加密后的信息进行编码处理得到信息m。再将密钥K2输入到伪随机噪声发生器可得呈现高斯分布的序列n。使用密钥K3和噪声序列对m做置乱处理，得到待嵌入的信号s。将s加性嵌入载体图像f，可得含密图像h。含密图像经过量化处理后发送至接收方。

图1　隐写编码器

接收方在接收到传输过来的隐写图像后，使用与发送方相同的密钥，利用隐写解码器可以提取出秘密图像信息，详细过程见图2。解码器使用信道估计技术对含隐图像h1进行估计，可得原始载体图像的估计值f1。将h1与f1的差值通过逆置乱器处理可得隐藏信号的估计值s1。再使用密钥K2重新获得类噪声序列n。依据序列n将s1解调处理得到编码信息估计值m1。依据密钥K1进行解码可得隐秘信息的估计值。

图2　隐写解码器

系统隐藏图像信息使用到了数字图像的内在噪声。就比如一些电子成像设备采集图像信息时较容易出现带宽噪声。在系统中，运用扩频技术把秘密信息嵌入加性高斯白噪声中，因为在信息处理过程中运用了纠错编码，编码也出现有扩频的现象，少量的信息位会分布在大量的输出信号中，这就有了数字图像的自然噪声现象。若能合理控制这类噪声，它便不会被人类和计算机所察觉。

三信号的调制

在系统中，待嵌入载体图像的隐蔽信号要与自然图像的内在噪声表现出相同的统计特征，才能很好地对信息进行隐藏。利用类白高斯噪声来调制嵌入的信号，可获得具有高斯分布特性的信号。[5]为了使得接收者和发送者的伪随机序列能够保持一致，使用了存储扩频通信技术。在发送者和接收者的密钥以及序列生成器相同的情况下，即可得相同的序列。信息处理过程中使用了类噪声的实数序列，这个序列是由伪随机数生成器产生的，呈高斯分布特性。

系统中信号的调制有两种类型，分段线性调制和两极信号调制。要想提高信号的检测性能，可以使用分段线性调制技术。若待嵌入的信号符合高斯分布，在信号经过分段线性调制之后，伪随机序列在密钥的控制下可以生成符合高斯分布的实数序列，可以增加最小检测距离，能够达到检测性能的提高。

四错误控制编码技术的应用

系统采用纠错编码来提高通信性能。使用了一个随机交织器以及两个卷积编码器组成纠错编码器，编码器的译码复杂度非常合理，[6]具体如图3所示。其具体工作流程是：使用第一个编码器产生3个比特，这3个比特中含2个奇偶校验比特和1个信息比特。将3个比特经过交织后的信息输入到第二个编码器可得2个奇偶校验比特。

在接收方使用纠错译码器将接收到的奇偶校验位和信号译码处理，纠错译码器见图4。纠错译码器由2个软输入/输出译码器和3个交织器组成，对接收到的信息2个译码器轮流译码，可生成二进制信息流。

图3　纠错编码器

图4　纠错译码器

使用纠错编码技术，能很好地矫正数据帧错误，译码器可以产生软输出，可利用BCJR算法[7]开发译码器。

五小结

由于当前的通信形式大多是数字形式，因此该系统研究主要在于数据隐写方法研究，探讨了图像隐写的评测技术，提出了完整的能够确保信息安全的图像隐写传输技术。本文提出的隐写技术能够扩展到音频、视频等其他载体格式，系统也能够扩展成通用的信息隐蔽传输系统。图像隐写通信系统能够用来保证数字图像在公共网络中安全可靠地传输。系统中传输的信息具备特定的机密性，图像的隐蔽传输已经成为一个比较热门的研究方向。

参考文献

[1]郭建胜,沈林章,张锋.基于压缩感知的图像加密算法的安全性分析[J].计算机工程,2014,34(8):12-15.

[2]夏杰勇.基于彩色静止图片的文本信息隐藏研究[D].重庆大学，2014.

[3]王也隽.信息隐藏技术及其军事应用[M].国防工业出版社，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]车生兵,黄达,谭骏珊.基于复合混沌系统的数字图像加密研究[J].计算机工程，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]谯钧.基于 DCT 的鲁棒性和半脆弱性图像水印算法研究[D].西北师范大学，2013.

Class No.:TP399Document Mark：A

(责任编辑：蔡雪岚)

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

中图分类号：TP309.2

文献标识码：A

文章编号：1672-6758(2016)05-0043-3

基金项目：安徽国防科技职业学院基金项目(gf2015mooc08)。

作者简介：蔡正保，硕士，讲师，安徽国防科技职业学院信息工程系。研究方向：信息安全技术。