光無線傳輸環(huán)境下基于靜態(tài)圖像的信息隱藏技術(shù)研究

2014-10-17 18:08:31任少瑞梁猛劉繼紅

現(xiàn)代電子技術(shù) 2014年19期

任少瑞　梁猛　劉繼紅

摘要：提出了一種基于靜態(tài)圖像的信息隱藏技術(shù)在光無線通信環(huán)境中實(shí)現(xiàn)信息傳輸?shù)南到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法。該算法首先將原載體圖像進(jìn)行三層離散小波變換并選取其低頻部分，再把有用信息隱藏其中，然后根據(jù)逆離散小波變換重構(gòu)得到信息隱藏圖像并經(jīng)過可見光無線信道傳輸后被另一端得到；接著對(duì)其進(jìn)行原載體圖像恢復(fù)和信息提取，最后分析比較圖像隱藏前后變化和信息提取的誤碼率大小，得到使用該算法能獲得信息隱藏效果佳和低誤碼率；進(jìn)而對(duì)這一結(jié)論再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證實(shí)了該算法的可行性和實(shí)用性，實(shí)現(xiàn)了利用靜態(tài)圖像進(jìn)行信息隱藏并傳輸?shù)哪康摹?/p>

關(guān)鍵詞：信息隱藏與提??；塊尺寸分解；離散小波變換；可見光通信

中圖分類號(hào)： TN911.73?34； TP751 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）19?0085?04

Information hiding technology based on static image

in optical wireless transmission environment

REN Shao?rui， LIANG Meng， LIU Ji?hong

（College of Communication and Information Engineering， Xian University of Post and Telecommunications， Xian 710061， China）

Abstract： An information hiding technology based on still image， which can realize information transmission in optical wireless transmission environment， is proposed. With the technology， three?layer discrete wavelet transform for the original carrier images is performed， its low?frequency part is selected for hiding the useful information， and then the information hiding images are got according to the reconstruction of inverse discrete wavelet transform， and received by another side through visible?light wireless channel. The last step is to restore its original carrier image and conduct information extraction， and then analyze the changes before and after image hiding and the error rate of information extraction. The experimental verification result confirmed the feasibility and practicality of the algorithm. The purposes of information hiding and transmission were realized by using the static images.

Keywords： information hiding and extraction； block size decomposition； discrete wavelet transform； visible light communication

0 引言

近年來隨處可見數(shù)字圖像，不管是在多媒體顯示屏、電視還是網(wǎng)絡(luò)視頻上，圖像畫面左下角都會(huì)出現(xiàn)二維碼或是水印，其中包含該圖像的版權(quán)信息或是跟圖像內(nèi)容有關(guān)信息。這種方法雖然達(dá)到了信息量增大的效果，但卻影響了圖像的美觀性和完整性以及信息內(nèi)容的局限性。另外，之前人們對(duì)信息在圖像中的隱藏，都是采用數(shù)字水印或二維碼的形式來進(jìn)行的，并且基本都是采用變換域算法。因此，不管是基于離散余弦變換[1]、二層或三層離散小波變換[2]，還是基于兩種離散變換組合或位平面分解[3]等算法進(jìn)行信息隱藏，水印[4]或二維碼的最佳隱藏效果和提取后的低誤碼都無法同時(shí)兼得，而且對(duì)隱藏和提取后的圖像數(shù)據(jù)分析，更多的是從可行性和信噪比方面來證明該方法的優(yōu)勢(shì)和適用范圍。此外，數(shù)字圖像的美觀性和完整性也是必須要考慮在內(nèi)的。所以，鑒于以上兩種情況的優(yōu)缺點(diǎn)，本文提出一種基于靜態(tài)圖像的信息隱藏技術(shù)在光無線通信環(huán)境中實(shí)現(xiàn)信息傳輸?shù)南到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法，此方法可以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)圖像進(jìn)行信息隱藏后的最佳隱藏效果和隱藏信息提取后的低誤碼率，同時(shí)也有較好的魯棒性和抗干擾能力，保證了圖像信息隱藏前后的完整和美觀。

1 算法相關(guān)概念

1.1 DWT及其影響

由S.Mallat塔式算法[5]可知，圖像經(jīng)過離散小波變換[6]后分解為4個(gè)占原圖[14]大小的子圖：水平方向、垂直方向和對(duì)角方向的高頻子圖以及低頻逼近子圖，然后進(jìn)行同樣的方式對(duì)低頻子圖后繼分解，分解得到在下一級(jí)頻率下更小的子圖。

載體圖像進(jìn)行小波分解后，選擇在低頻子帶進(jìn)行信息隱藏，因?yàn)樵d體圖像的全局信息對(duì)應(yīng)于低頻部分，隱藏低頻部分是對(duì)原圖像最小分辨率和魯棒性的最佳逼近。再者信息隱藏在低頻部分可有效防止外界對(duì)隱藏有信息的圖像的各種攻擊；而人們的視覺系統(tǒng)對(duì)高頻部分變換較為敏感，因此一般不作為信息隱藏位置考慮。所以，在魯棒性和低誤碼率的綜合考慮下，在小波分解后的低頻子帶隱藏信息較好。圖1分別為圖像進(jìn)行一層、二層和三層小波分解后低頻子帶隱藏信息后的結(jié)果。

從圖1所示的三幅隱藏有信息的圖像可以看出，在一層小波分解后的低頻子帶進(jìn)行信息隱藏后，隱藏點(diǎn)較多且很明顯，圖像隱藏效果不好；二層小波分解后的低頻子帶進(jìn)行信息隱藏后，隱藏點(diǎn)雖不多但卻明顯，隱藏效果也不是很好；在三層小波分解后的低頻子帶進(jìn)行信息隱藏后，隱藏點(diǎn)幾乎沒有而且不易察覺。所以，本文討論圖像在三層小波分解后的低頻帶進(jìn)行隱藏信息，實(shí)現(xiàn)信息隱藏的可靠性和實(shí)用性。圖像三層小波變換的分解圖[7]如圖2所示。

1.2 塊尺寸分解法及其影響因素

選定了載體圖像的隱藏區(qū)域后接著分析基于塊尺寸分解算法進(jìn)行信息隱藏傳輸技術(shù) [8]，并確定隱藏系數(shù)和塊尺寸。塊尺寸分解是根據(jù)圖像是由像素構(gòu)成的矩陣特性而對(duì)指定子圖進(jìn)行[n*n]分塊，然后得到若干子塊，塊與塊之間依次排列，而每個(gè)分塊的左上頂點(diǎn)為信息嵌入點(diǎn)（陰影區(qū)域深色部分），如圖3所示。

但是，在塊分解尺寸算法[9]中，參數(shù)設(shè)定非常重要，它直接影響信息隱藏后的圖像質(zhì)量和圖像傳輸后信息提取的誤碼率。

圖像是由像素組成的，也是一個(gè)矩陣，選取一個(gè)或幾個(gè)像素組合成一個(gè)塊，把指定的圖像區(qū)域按這種方式分解成一個(gè)個(gè)塊，而確定這些塊的尺寸大小既要考慮信息隱藏量，還要注意信息隱藏后圖像的變化和信息提取后的誤碼率大小，所以塊尺寸bs的設(shè)定尤為重要。

2 信息的隱藏與提取方法

根據(jù)上述結(jié)論和技術(shù)總結(jié)，結(jié)合小波變換技術(shù)[7]、塊尺寸分解法以及一些圖像處理技術(shù)，提出一種基于靜態(tài)圖像的信息隱藏技術(shù)在光無線通信環(huán)境中實(shí)現(xiàn)信息傳輸?shù)南到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖，如圖4所示。

隱藏信息的圖像既要保證信息的最佳隱藏效果，還要保持圖像隱藏信息前后的美觀完整，所以分析隱藏和提取過程就顯得尤為重要。

2.1 信息隱藏過程

選擇適量有用信息W在原圖像中進(jìn)行信息隱藏，具體步驟如下：

（1）對(duì)原圖像A進(jìn)行三層小波變換，得到10幅子圖，選取低頻子帶進(jìn)行信息隱藏；

（2）對(duì)低頻子帶系數(shù)圖進(jìn)行[n*n]塊尺寸分解[8]，分解后的每塊子圖的左上小分塊為信息嵌入點(diǎn)；

（3）進(jìn)行圖像重構(gòu)，即就是修改后的小波系數(shù)進(jìn)行三層逆小波變換得到隱藏有信息的圖像B。

2.2 信息提取過程

對(duì)經(jīng)過光無線信道傳輸且隱藏有信息的圖像進(jìn)行信息提取，步驟如下：

（1）對(duì)拍攝到的圖像B進(jìn)行處理，由于拍攝到的圖像會(huì)出現(xiàn)畸變等變化，所以必須對(duì)圖像進(jìn)行鏡頭校正等處理，得到跟拍攝之前較為相似的圖像，以便對(duì)隱藏信息進(jìn)行提取；

（2）對(duì)處理后的圖像進(jìn)行信息提取，方法與隱藏方法相逆，最終恢復(fù)出原圖像A和所隱藏的數(shù)字信息W。

3 仿真/實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

由以上分析可知此算法更可靠和有效，接下來就對(duì)這一理論結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

3.1 仿真分析

根據(jù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖進(jìn)行信息隱藏仿真過程，分析其系數(shù)變化對(duì)誤碼率的影響。此處設(shè)定在椒鹽噪聲密度（噪聲密度即包括噪聲值的圖像區(qū)域的百分比）0.05的攻擊下進(jìn)行仿真過程。

3.1.1 隱藏系數(shù)與誤碼率關(guān)系

在塊尺寸bs給定不變的情況下，隱藏系數(shù)[α]與誤碼率BER的關(guān)系見表1。

從表1可看出，隨著隱藏系數(shù)的增大，一層和二層小波分解時(shí)的誤碼率變化沒有規(guī)律，即便存在出現(xiàn)誤碼為0的情況，但是隱藏效果卻很差；而使用三層小波分解時(shí)，隨著隱藏系數(shù)增大，誤碼率逐漸減小至0，尤其隱藏系數(shù)為0.08和0.1時(shí)，分別使用一層、二層和三層小波分解后其誤碼率都為0。同樣，考慮到信息隱藏效果須達(dá)到最佳，此處隱藏系數(shù)取值為0.08。

3.1.2 塊尺寸與誤碼率關(guān)系

在隱藏系數(shù)[α]給定不變的情況下，塊尺寸bs與誤碼率BER的關(guān)系見表2。

由表2可以看出，小波分解層數(shù)為一層或二層小波分解且固定不變時(shí)，隨著塊尺寸增大，誤碼率變化無規(guī)律；但當(dāng)為三層小波分解時(shí)，塊尺寸越大，誤碼率越小，尤其當(dāng)塊尺寸為8和16時(shí)，誤碼率為0，但是考慮到信息隱藏后的圖像效果，此處取塊尺寸為16。

3.2 算法實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

本算法根據(jù)圖4流程實(shí)現(xiàn)在低頻域LL3進(jìn)行信息隱藏，在測試中使用512×512×24 b lena圖像作為載體，隱藏的信息為16×16的隨即矩陣，經(jīng)過可見光無線信道傳輸?shù)葘?shí)驗(yàn)過程如圖5所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：

隱藏有信息的圖像不論出現(xiàn)在清晰的顯示屏上，還是顯示于表面粗糙的墻面上，用手機(jī)或數(shù)碼相機(jī)等拍攝到圖像再進(jìn)行處理，然后對(duì)其進(jìn)行信息提取。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)使用有效像素110萬左右且拍攝距離在2.5 m之內(nèi)時(shí)，隱藏效果都較好，并且誤碼率可低至0。

3.3 實(shí)驗(yàn)分析與總結(jié)

圖像進(jìn)行三層小波分解后，對(duì)其低頻子帶使用塊尺寸法進(jìn)行信息隱藏，這種方法隱藏效果好，也能獲得很低的誤碼率，實(shí)驗(yàn)證明此種方法也是可行有效的，缺點(diǎn)是隱藏的信息量較少，運(yùn)行速度較慢。原因有以下幾點(diǎn)：

（1）隨著小波分解的級(jí)數(shù)增大，運(yùn)行速度會(huì)減慢；

（2）塊尺寸增大，雖然有助于提高信息隱藏效果，但卻降低了信息隱藏量；

（3）信息提取前對(duì)圖像所進(jìn)行的系列操作處理，可能也會(huì)影響信息在圖像里的分布情況；

（4）隱藏信息算法還有待改進(jìn)。

4 結(jié) 論

本文用理論和實(shí)驗(yàn)證明了一種基于靜態(tài)圖像的信息隱藏技術(shù)在光無線通信環(huán)境中實(shí)現(xiàn)信息傳輸?shù)目尚行?，在保證圖像完整性和美觀性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)信息的隱藏和傳輸以及較低的誤碼率。缺點(diǎn)是隱藏信息量不大，運(yùn)行速度較慢，并且對(duì)拍攝圖像的處理不夠完美，接下來嘗試在信息隱藏和提取前進(jìn)行信息編解碼，或是在提取前進(jìn)行濾波等處理[11]，以便達(dá)到圖像隱藏信息實(shí)現(xiàn)傳輸?shù)淖詈眯Ч?，這樣就能夠更方便有效地進(jìn)行信息傳播，使之更為方便可靠地應(yīng)用于數(shù)字廣告或海報(bào)等領(lǐng)域中，具有潛在實(shí)際服務(wù)大眾的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳睿.基于DCT和DWT的數(shù)字水印研究[D].南寧：廣西大學(xué)，2011.

[2] 蔡艷紅.基于DWT的圖像數(shù)字水印技術(shù)研究[D].濟(jì)南：山東師范大學(xué)，2007.

[3] 王成.基于位圖的數(shù)字水印技術(shù)及其應(yīng)用研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2001.

[4] 紀(jì)震，張基宏，蔣一峰.小波域的擴(kuò)頻數(shù)字圖像水印算法[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2001，23（8）：809?813.

[5] 周小勇，葉銀忠.基于Mallat塔式算法小波變換的多故障診斷方法[J].控制與決策，2004，19（5）：592?594.

[6] 葛耀琳.圖像處理中的小波變換算法原理及應(yīng)用[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2011，30（18）：70?71.

[7] 黃達(dá)人，劉九芬，黃繼武.小波變換域圖像水印嵌入對(duì)策和算法[J].軟件學(xué)報(bào)，2002，13（7）：1290?1297.

[8] 何穎，王玲.基于特征塊與小波變換的圖像拼接算法[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2010，31（9）：1958?1975.

[9] 周元建，彭晗.一種考慮圖像尺寸的DCT域圖像處理檢索方法[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009（6）：797?800.

[10] 毛秉毅.基于糾錯(cuò)編碼和小波變換的數(shù)字圖像水印算法[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2003（3）：90?92.

[11] 周熠.圖像數(shù)字水印中的小波變換技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2004（32）：72?75.

[12] WANG Jun?hao， XU Jie， LONG Ke?ping. Multimedia communication security design based on chaos and digital watermar?king [C]// 2010 12th IEEE International Conference on Communication Technology. [S.l.]： [s.n.]， 2010： 199?208.