基于擴頻技術聯(lián)合小波算法的安全通信方案設計

,

(1.西寧聯(lián)勤保障中心, 甘肅 白銀 730900; 2.國防科技大學 信息通信學院，武漢 430010)

基于擴頻技術聯(lián)合小波算法的安全通信方案設計

張弛1,杜洋2

(1.西寧聯(lián)勤保障中心,甘肅白銀730900; 2.國防科技大學信息通信學院，武漢430010)

在信息化技術高度發(fā)達的今天，為了適應變化莫測的戰(zhàn)場環(huán)境對于安全信息通信的高要求，文章在研究探討水印嵌入檢測技術的基礎上，利用秘鑰產(chǎn)生的擴頻碼調(diào)制水印信息，緊接著通過小波變換對調(diào)制后的水印進行信息嵌入操作，而在接收端采用相反的操作對加密信息進行計算機檢測后解調(diào)恢復，實現(xiàn)信息的隱秘傳輸;通過實驗仿真證明了所提方案可以有效實現(xiàn)對信息的隱蔽傳輸，其具有很好的安全性，同時對于剪裁攻擊具有一定的魯棒性。

擴頻技術；數(shù)字水??；安全通信；小波變換

0 引言

信息保密技術作為信息安全技術的一個分支，其吸引了眾多的學者，發(fā)展至今已經(jīng)成為了一門備受關注的熱點學科。其在軍事方面的應用更是具有著巨大的價值，在當前信息化的戰(zhàn)場環(huán)境下，是否能夠安全并且秘密地對重要的軍事信息進行傳輸，同時要保證信息的不可竊聽、數(shù)據(jù)完整，這決定著整個戰(zhàn)場上的信息控制權(quán)，甚至影響著整個戰(zhàn)爭的勝負。因此應用于軍事的隱蔽通信技術更加顯得至關重要。當前階段，主要的保密軍事通信手段為：建立安全可靠的通信信道、對傳送信息進行加密、以及將發(fā)送的信息進行隱藏使其不可見。幾年來，隨著信息隱藏技術的不斷發(fā)展，擴頻技術、語義編碼和流星余跡散射通信技術等先進的信息隱藏技術都在軍事通信中獲得了應用[1-4]。

誕生于20世紀90年代的水印技術作為信息隱藏通信技術中一個最重要的分支，其可以將信息嵌入到特定的多媒體信息中，同時嵌入后其是不可見的，因此，其在知識產(chǎn)權(quán)保護中的應用也越來越廣泛。伴隨著軍事通信對于保密通信的要求不斷提高，將數(shù)字水印技術應用到軍保密通信中所具有的巨大潛力也獲得了更多研究學者的關注。本文討論了數(shù)字水印技術，并采用擴頻碼作為調(diào)制，通過小波變換將水印嵌入到載體中實現(xiàn)信息的隱藏，進而達到信息隱藏安全通信的目的[5-7]。

本文的結(jié)構(gòu)安排如下：首先介紹了數(shù)字水印算法實現(xiàn)水印嵌入與提取從而對信息進行隱藏的過程，隨后介紹了擴頻技術的原理及其應用場景，緊接著提出了基于擴頻數(shù)字水印技術的軍事安全通信方案其具體流程，最后通過仿真實驗證明了該方案的可行性以及對于噪聲污染的抗攻擊性。

1 數(shù)字水印通信技術

采用數(shù)字水印對信息進行隱藏進行信息通信是一種非常合適的保密通信技術。當前有多種方法可以實現(xiàn)數(shù)字水印，一般分為空域水印和變換域水印，其分別通過改變對應載體圖像的某些特定像素的灰度值或者是其在變換域中的特性進行水印信息的嵌入，同傳統(tǒng)的空間域方法相比，變換域的方法更有利于確保信息的不可見特性。

在傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)模型中，一般分為3個部分組成，信息的發(fā)送方，信息的傳輸以及信息的接收部分，即輸入信息的調(diào)制編碼、含噪聲信道、信息的接收解調(diào)部分。相對應的作為一種信息的通信過程，數(shù)字水印系統(tǒng)也有著類似于通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，基本思想是從水印的嵌入方向水印的提取方即信號接收方發(fā)送信息，數(shù)字水印系統(tǒng)如圖1所示[8-11]。

圖1 數(shù)字水印安全通信系統(tǒng)示意圖

如圖1所示，數(shù)字水印系統(tǒng)是在傳統(tǒng)通信傳輸系統(tǒng)模型上進行了功能擴展而發(fā)展來的。其對應于通信系統(tǒng)可以理解為：原始的載體信號可以當做是通信系統(tǒng)中信道和載波信號的合體，而要嵌入的水印則是待傳輸?shù)男盘?，對于接收方對水印的提取與恢復則可以看做是對信號的解調(diào)過程。

2 擴頻技術

根據(jù)信息理論的基礎理論可知，在高斯白噪聲信道條件下信道容量滿足香濃公式[12-15]：

(1)

其中:C是信道的容量，B是頻帶帶寬，S和N分別是信號的平均功率以及噪聲功率。這表明，如果在信號以及噪聲功率確定的情況下，通過采取合理的編碼方式以使得信號充分利用信號的帶寬就可以以接近于信道最大容量C的傳輸率進行信息傳輸。而如果在保持 信道容量C不變的情況下，信號的平均功率與噪聲功率可以相互交換以滿足不同通信的要求。也就是說通過增加信號的頻帶寬度，能夠?qū)崿F(xiàn)在低信噪比情況下以任意的差錯概率進行信息傳輸，即便信號質(zhì)量相當差淹沒于噪聲之中，只要帶寬相應增加依然能夠?qū)崿F(xiàn)可靠通信。這種通過擴展頻帶進行通信的思想可以獲得信噪比上的極大優(yōu)勢。如圖2所示為一個一段信號的擴頻后效果圖。

圖2 信號擴頻示意圖

M序列擴頻技術是一種非常常見的擴頻技術，其采用一個數(shù)字編碼序列直接對所傳輸?shù)男盘栠M行調(diào)制，因為編碼的序列帶寬遠遠大于原始信號的帶寬，相當于其對信號的頻譜進行了擴展。M序列是最大長度線性以為寄存器序列的簡稱，通過將n個移位寄存器串接起來，適當?shù)脑O置其反饋連接可以使序列周期最長達到T=2n-1，這個序列就是M序列。

M序列的本原多項式可以如下表示：

(2)

這里系數(shù)c是反饋的狀態(tài)，如果為0則表示反饋不同，如果為則表示反饋是通的。在M序列的n很大的時候，其自相關值會出現(xiàn)尖峰，因此可以用來可靠地檢測和恢復水印信息。

3 基于擴頻技術聯(lián)合小波算法的安全通信方案設計

結(jié)合擴頻技術的優(yōu)勢，將制作好的水印信息轉(zhuǎn)變到擴頻后的編碼上獲取到擴頻水印信息，隨后采用小波變換對擴頻信息進行變換，因為水印的位置是未知的，所以非法用戶是不能夠?qū)λ⌒畔⑦M行解擴的，更得不到任何有效信息。如果非法用戶對水印信息進行攻擊，則需要在所有的小波域系數(shù)中加入一個非常大的噪聲，而這樣同時也會對原載體信號的質(zhì)量造成非常大的破壞，很容易就暴露。只要保證水印信號的能量足夠的小，加入原始數(shù)據(jù)中的水印信息就可以得到很好地隱藏同時不被感知。另一個方面，通過采用秘鑰產(chǎn)生m序列，在合法用戶一側(cè)也必須獲得控制秘鑰以及相關的算法，不然的話其不能夠正確地提取出水印信息。綜上，基于擴頻水印的安全通信方案的安全性和健壯性都較高。

3.1 小波水印檢測算法

假定一幅大小為M*N的灰度圖像X(M,N)采用小波算法進行水印嵌入。第一步需要對圖像X(M,N)進行I層的小波分解，分解后得到3×l個細節(jié)圖像和一個低頻近似圖像，

Xk,I(mi,nj)|k=h,v,d;I=1,2,...I;

mi=1,2,...,M/2I;nj=1,2,...,N/2I

(3)

表示選擇的小波系數(shù)，其中l(wèi)表示分解的層次，k=h，v，d分別表示第l層水平、垂直和對角方向的子圖像?？紤]到量化低頻子圖可能產(chǎn)生較大失真，因此不在其中嵌入水印，而選擇除低頻外的中頻系數(shù)。

第二部根據(jù)嵌入的信息量和對算法魯棒性的要求，塊越大，水印的魯棒性越好，但嵌入的水印比特少。把XK，l(mi，nj)分成一定大小的塊，用Block(s，t)表示XK，l(mi，nj)中大小為s×t的系數(shù)塊，其中s=1，2，…，mi，t=1，2，…，nj，b為正整數(shù)，代表該塊的編號。其平均值為:

Ave=∑Block(s,t)/(s*t)

(4)

其中:∑Block為塊內(nèi)系數(shù)幅值的累計和。

水印序列w的嵌入是通過對Ave的量化完成的，例如：量化成奇數(shù)代表嵌入“1”，量化成偶數(shù)相當于嵌入“0”。根據(jù)對魯棒性和隱藏性的折中考慮，設量化間隔△l，l=1，2，…，l表示分解層數(shù)，對于低頻的第l層，由于系數(shù)幅值極大，可以作較大間隔的量化，對第l-1，…，1層次作間隔逐漸減小的量化。

根據(jù)wi={0，1}將Ave量化到與之最近的奇、偶點。用Dat(i，j)表示Block中的一個小波系數(shù)，量化后的該系數(shù)用Dat′(i，j)表示，其中i=1，2，…，s；j=1，2，…，t。

設T=Ave/△l，Turdat=rem([T]，2)其中[]表示四舍五入取整，rem表示求[T] 除以2的余數(shù)。

若Turdat與wi相同，則量化的小波系數(shù)為:

Dat′(i,j)=Dat(i,j)+[T]×ΔI-Ave

若Turdat與wi不同，小波系數(shù)按下列量化:

Dat′(i,j)=Dat(i,j)+([T]+1)×ΔI-Ave,T≥[T]

Dat′(i,j)=Dat(i,j)+([T]-1)×ΔI-Ave,T≥[T]

(5)

3.2 水印的嵌入

對于數(shù)字水印的嵌入過程就是將水印信息首先進行調(diào)制擴頻操作后加入到目標載體信號中，從而得到一個加載了水印信息的載體。第一步將水印信息轉(zhuǎn)換為一個一維的二進制信息w[i],i=1,2...n;w[i]∈{-1,+1}，隨后對該信號進行采樣，得到一個調(diào)制后的信號c[k]，隨后采用m序列擴頻編碼技術對該產(chǎn)生的調(diào)制信號c[k]進行擴頻，擴頻后就得到擴頻水印信號：q[k]=c[k]m[k]。得到擴頻信號后使用小波變換對其進行變換加載到經(jīng)過小波變換的多媒體載體信息當中，隨后再通過變換抑或是反變換得到包含水印信息的載體：

I′(i,j)=I(i,j)+aq[k]

(3)

各個頻帶的小波系數(shù)[ca ch cv cd]的水印嵌入公式如下所示：

c=(1-a)*ca+a*cwa;

h=(1-a)*ch+a*cwh;

v=(1-a)*cv+a*cwv;

d=(1-a)*cd+a*cwd.

(4)

公式中的a系數(shù)是由主觀決定的，a大則是魯棒性高，a小則是更加透明，方案設計過程中應是首先使得透明度較高，是水印不易被感知。具體的水印嵌入過程如圖3所示。

圖3 水印嵌入過程示意圖

3.3 水印測量提取

在對水印信息進行提取時，為了能夠提高整個系統(tǒng)的健壯性，通常利用載體信息進行水印的檢測與恢復。分別對嵌入水印的載體信息以及原始未加水印的載體信息進行小波變換得到其各自的小波系數(shù)[cwacwhcwvcwd]和[cachcvcd],提取出小波系數(shù)后按照如下所示的公式提取出擴頻水印信息的系數(shù)。

c=(cwa-(1-a)*ca)/a;

h=(cwh-(1-a)*ch)/a;

v=(cwv-(1-a)*cv)/a;

d=(cwd-(1-a)*cd)/a.

(5)

通過以上公式進行計算后就可以得到水印信息的小波系數(shù)，隨后利用相同的秘鑰K控制的m序列進行反向解擴，將其恢復到原始的水印信息，具體的水印檢測過程如圖4所示。

圖4 水印檢測恢復示意圖

4 實驗結(jié)果與分析

這一章我們對所設計的安全通信方案進行仿真驗證，驗證一共分為兩個部分，分別驗證該方案的可行性以及其可靠性。為了能夠客觀的評價恢復前后圖像的質(zhì)量，引入峰值信噪比(PSNR)和相似度(NC)的概念作為對于圖像質(zhì)量的客觀評價指標。其定義如下：

(6)

(7)

在試驗中分別計算恢復圖與原圖的PSNR和NC，以及水印恢復圖與原圖的PSNR和NC，以此判斷該通信方案過程中的信息隱藏與恢復效果。

4.1 結(jié)果驗證與討論

實驗在操作系統(tǒng)為Windows7，CPU為Intel i3主頻2.27 GHZ的PC上進行，采用MATLAB作為模擬仿真軟件，通過將目標信息加載到數(shù)字圖像上進行通信傳輸，載體圖像大小256*256像素，而水印圖像大小則為64*64像素。

如圖5所示為一個大小為256*256像素的airplane圖嵌入水印后進行水印恢復的恢復示意圖，可以從圖中看出采用本通信方案后載體信息以及水印信息都得到了很好的恢復，在通信系統(tǒng)的傳輸過程中可以看出載體信息嵌入水印后肉眼是識別不出水印的，同時原圖像的視覺效果沒有收到影響，可見成功實現(xiàn)了對水印信息的隱藏同時成功將信息通過通信系統(tǒng)進行了有效傳輸。最后也成功恢復出了傳輸?shù)乃⌒畔?，表明該通信方案方案是有效可行的。采用該方案進行恢復的載體圖像和水印圖像的質(zhì)量為：

圖5 水印嵌入恢復示意圖

(8)

隨后我們對于該通信方案在不同剪裁攻擊情況的健壯性進行性能分析，分別測試其在圖像剪裁率0到50%時的載體圖像以及水印圖像恢復質(zhì)量。每次都是采用monkey圖在相同的條件下進行試驗，如圖6所示是在不同剪裁率下恢復信息的質(zhì)量變化趨勢。

圖6 不同剪裁率下水印恢復質(zhì)量

如圖6所示，可以看出隨著剪裁率的不斷增加，目標水印的恢復質(zhì)量也隨之不斷地下降，PSNR與NC兩者都隨著剪裁率的不斷增加而隨之不斷下降，但是在另一方面可以看出雖然剪裁攻擊對于水印的恢復質(zhì)量產(chǎn)生了影響，但是其并沒有造成致命性的破壞，水印的質(zhì)量依然可以滿足需求。這證明所提方案針對于剪裁攻擊具有相當好的健壯性。

4.2 實驗方案的不足

該通信方案結(jié)合擴頻水印技術設計了安全通信方案，雖然可以實現(xiàn)對信息安全傳輸?shù)哪康男枨?，但是依然存在一些有待改進的地方。

1)該方案采用水印技術對信息進行隱藏，水印算法是多種多樣的，這里只采用了小波算法做水印隱藏，沒有對其他算法進行相應的分析，這導致了該方案的片面性。

2)為了能夠滿足信噪比的要求采用了擴頻技術進行相應的處理，但是這樣做對信號的處理性能提出了更高的要求，同時也給算法復雜度帶來了挑戰(zhàn)，降低了運行效率。

5 結(jié)論

本文基于擴頻數(shù)字水印技術，結(jié)合小波變換算法針對戰(zhàn)場對于信息安全的高要求設計了基于擴頻數(shù)字水印技術的安全通信方案。提出了首先將待加載的水印信息轉(zhuǎn)換為一維二進制信息，隨后對其進行采樣調(diào)制進行水印信息的預備工作，然后使用秘鑰產(chǎn)生m序列的擴頻編碼技術對其進行擴頻編碼，這一方法使得水印信息的安全性獲得了極大的提高。隨后通過小波變換對水印進行嵌入與提取操作，控制合適的水印能量使得水印信息不可被感知然后經(jīng)過通信系統(tǒng)的傳輸接收，這同時保護了水印信息難以收到破壞性攻擊的侵入。最后通過仿真實驗證明該方法是有效的，可以實現(xiàn)信息的隱藏，同時其對于破壞性攻擊具有一定的防護。該通信方案針對于保密傳輸擁有很高的安全性，同時對于剪裁攻擊也具有很好的魯棒性，在實際應用中具有很廣闊的前景。

[1] 孫 銳, 孫 洪, 趙曉嵐. 基于量化的擴頻水印技術[J]. 通信技術, 2002(2):63-66.

[2] 龔 陽, 崔 琛, 王 津,等. 基于擴頻通信的無線抄表系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J]. 計算機測量與控制, 2016, 24(12):237-240.

[3] 周利軍. 數(shù)字圖像水印的擴頻實現(xiàn)[J]. 紅外與激光工程, 2000, 29(5):27-31.

[4] 張 東, 倪江群, 李大捷. 基于GSM模型的擴頻水印安全性分析[J]. 自動化學報, 2009, 35(7):841-850.

[5] 孫圣和, 陸哲明. 數(shù)字水印處理技術[J]. 電子學報, 2000, 28(8):85-90.

[6] 程興國, 高 升. 信息隱藏與數(shù)字水印[J]. 湖北工業(yè)職業(yè)技術學院學報, 2004, 17(2):65-67.

[7] 兀旦暉, 鄭恩讓. 基于混沌Logistic和Arnold二次加密的圖像水印算法研究[J]. 計算機測量與控制, 2017, 25(4):193-196.

[8] 鈕心忻, 楊義先, NIUXin-Xin,等. 基于小波變換的數(shù)字水印隱藏與檢測算法[J]. 計算機學報, 2000, 23(1):21-27.

[9] 傅德勝, 孫文靜, 張小飛. 基于混沌特性的小波數(shù)字水印技術及實現(xiàn)[J]. 計算機科學, 2008, 35(6):246-250.

[10] 徐祗軍, 吳曉娟, 杜會斌,等. 擴頻數(shù)字水印與軍事通信[J]. 軍事通信技術, 2005(4):58-60.

[11] 胡 鵬. 基于正交擴頻碼和HVS的DCT域圖像數(shù)字水印技術[J]. 信息安全與通信保密, 2008(7):80-82.

[12] 劉忠英, 許金勇, 柳永祥. 頻譜水印技術與軍事應用分析[J]. 現(xiàn)代軍事通信, 2013(1):45-48.

[13] 劉勇順. 數(shù)字水印技術在軍事信息安全中的應用[J]. 現(xiàn)代電子技術, 2006, 29(19):64-66.

[14] 靳小暉. 音頻信息隱藏技術在軍事通信中的實際運用[J]. 信息通信, 2015(5):178-178.

[15] 康 芳, 譚 薇, 楊森斌. 信息隱藏技術及其在軍事通信領域的應用研究[J]. 現(xiàn)代電子技術, 2008, 31(23):97-99.

DesignofSecureCommunicationSchemeBasedonSpreadSpectrumTechnologyandJointWaveletAlgorithm

Zhang Chi1,Du Yang2

(1.Xining Logistic Support Center, Baiyin 730900, China;2.Information Commuaication Academy, NUDT,Wuhan 430010,China)

In today’s world is a modern information world, in order to adapt to the change constantly battlefield environment high requirement for secure information communication, based on watermark detection technology in the research on spread spectrum watermark information generated by the secret key, followed by the wavelet transform of the modulated watermark information is embedded in the operation. The receiver uses the reverse operation of the encrypted information is demodulated to restore the computer after detection, realize the secret information transmission. The simulation results show that the proposed scheme can effectively realize the covert transmission of information. It has good security and robustness to clipping attacks.

spread spectrum technology; digital watermarking; secure communication; wavelet transform

2017-07-21；

2017-08-30。

張 弛(1991-)，男，陜西咸陽人，研究生，主要從事軍事通信組織與運用方向的研究。

1671-4598(2017)10-0202-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.10.051

TP309

A