基于可逆信息隱藏算法的圖像信息處理系統(tǒng)設計

張春霞

摘? 要： 傳統(tǒng)的圖像信息處理系統(tǒng)存在著載體圖像恢復性能差的缺陷，為了解決上述問題，提出基于可逆信息隱藏算法的圖像信息處理系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件設計包括主控芯片選型、并行處理結構設計以及以太網(wǎng)通信電路設計;軟件設計包括圖像信息隱藏模塊、圖像信息提取模塊與載體圖像恢復模塊。通過系統(tǒng)硬件與軟件的設計實現(xiàn)了基于可逆信息隱藏算法的圖像信息處理系統(tǒng)的運行。實驗結果表明，與傳統(tǒng)的圖像信息處理系統(tǒng)相比，設計的圖像信息處理系統(tǒng)極大地提升了載體圖像恢復性能，具備更好的處理效果。

關鍵詞： 圖像信息處理; 圖像信息隱藏; 主控芯片選型; 結構設計; 電路設計; 圖像信息提取

中圖分類號： TN911.73?34; G255? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）19?0023?04

Abstract： The traditional image information processing system has the defect of poor performance of carrier image restoration. In order to solve the above problem， the design of image information processing system based on reversible information hiding algorithm is proposed. The system hardware includes the selection of main control chip， design of parallel processing structure and design of Ethernet communication circuit. The software design includes image information hiding module， image information extraction module and carrier image recovery module. The operation of the image information processing system based on reversible information hiding algorithm is realized by means of the hardware design and software design. The experimental results show that， in comparison with the traditional image information processing system， the designed image information processing system has improved the carrier image restoration performance greatly， and has a better processing effect.

Keywords： image information processing; image information hiding; main control chip selection; structure design; circuit design; image information extraction

0? 引? 言

隨著科技的發(fā)展，人們已經(jīng)進入了網(wǎng)絡化、信息化與智能化的時代，相應地，對各行各業(yè)的要求也越來越高。視覺信息是人類最直接的信息載體，而圖像是視覺信息的主要體現(xiàn)形式。圖像是對客觀對象的一種有效描述，主要包括對象的紋理分布、形態(tài)等，連續(xù)的圖像序列還包含對象的運動特征等信息，這些信息的組合是判斷對象所屬類別的重要依據(jù)。因此，圖像信息處理已經(jīng)成為當今信息處理領域的一個重要研究方向，許多學者、專家對其進行了深入的研究，并取得了一定的成果[1]。

近幾年，光電子技術以及集成電路飛速發(fā)展，以圖像傳感器為信息獲取手段，嵌入式硬件為采集與信息處理單元的圖像信息處理系統(tǒng)，在農(nóng)業(yè)、軍事、交通、工業(yè)等領域得到了廣泛的應用。傳統(tǒng)的圖像信息處理系統(tǒng)主要利用圖像傳感器獲取圖像信息，由于傳感器視場角較小，分辨率較低、傳輸?shù)男畔⒂邢?，從而導致圖像分辨率降低，并且存在較大的畸變，無法清晰分辨圖像內成像目標的細節(jié)。網(wǎng)絡信息化技術的發(fā)展，導致現(xiàn)今圖像信息經(jīng)常出現(xiàn)泄露的情況，存在著信息危險[2]。

傳統(tǒng)的圖像信息處理系統(tǒng)在圖像信息提取后，載體圖像無法完成恢復，極可能出現(xiàn)圖像失真的情況，表明其存在著載體圖像恢復性能差的缺陷，無法滿足現(xiàn)今社會對圖像的需求，為此提出基于可逆信息隱藏算法的圖像信息處理系統(tǒng)?？赡嫘畔㈦[藏算法是一種特殊的信息隱藏算法，在該算法中，載體圖像可以在信息提取之后完全無損的恢復。通過可逆信息隱藏算法的應用，可以極大地提升載體圖像恢復性能，并設計仿真對比實驗驗證系統(tǒng)性能[3]。

1? 圖像信息處理系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件主要包括主控芯片選型、并行處理結構設計以及以太網(wǎng)通信電路設計[4]。具體設計過程如下。

1.1? 主控芯片選型

主控芯片采用FPGA芯片，F(xiàn)PGA是圖像信息處理的核心，具有處理速度快、運算結構簡單、涉及數(shù)據(jù)量大的優(yōu)勢，F(xiàn)PGA芯片的性能決定著圖像信息處理的效果[5]。經(jīng)過研究對比發(fā)現(xiàn)，選擇Xilix公司生產(chǎn)的XC5VLX110T芯片，實物圖如圖1所示。

XC5VLX110T芯片上具備11萬個等效邏輯單元、16個收發(fā)器、64個DSP48E邏輯片、5 328 Kb的ARM以及6個時鐘[6]。

1.2? 并行處理結構設計

并行處理主要由總線實現(xiàn)，因此，并行處理結構設計主要是設計總線接口[7]。系統(tǒng)總線接口連接圖如圖2所示。

總線接口具有多個引腳，定義如表1所示。

1.3? 以太網(wǎng)通信電路設計

圖像信息處理系統(tǒng)需要良好的網(wǎng)絡通信支撐，為此設計以太網(wǎng)通信電路，需要將處理器的獨立接口與以太網(wǎng)收發(fā)器進行連接，并設置IEEE 802.3網(wǎng)絡傳輸協(xié)議，設置電路為工作模式，保障圖像信息處理系統(tǒng)的正常運行[8]。

以太網(wǎng)通信電路設計圖如圖3所示。

上述過程完成了系統(tǒng)硬件的設計，為下述系統(tǒng)軟件設計提供硬件支撐[9]。

2? 圖像信息處理系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件主要包括圖像信息隱藏模塊、圖像信息提取模塊與載體圖像恢復模塊[10]。具體設計過程如下。

2.1? 圖像信息隱藏模塊

圖像信息隱藏模塊主要采用可逆信息隱藏算法隱藏圖像信息，達到保護圖像信息的目的。首先將載體圖像進行非重疊分塊，圖像塊大小設置為2×2，其次依次處理每個圖像塊，注意隱藏圖像信息[11]。具體的圖像信息隱藏步驟如下：

步驟1：依據(jù)[n×n]的矩陣塊生成256×256的參考矩陣，[n]可選取值包括4，8，16與32。

步驟3：將參考矩陣轉換為平面區(qū)域，將[P1，P2，P3]映射到參考矩陣中，找到對應的坐標位置。

步驟4：以參考矩陣中[P1]為中心，分別往左、右方向掃描，將掃描的[n]個像素構成一個像素組[G]，將其信息采用十進制轉換為待隱藏信息，找到在[G]中的對應位置，替換[P1]點的縱坐標，完成[P1]點的信息隱藏。

步驟5：依據(jù)步驟4方法分別處理[P2，P3]信息，完成[P2，P3]信息隱藏。

步驟6：重復步驟2～步驟5，直到所有圖像信息均被隱藏為止[12]。

2.2? 圖像信息提取模塊

以上述隱藏的圖像為基礎，嵌入解碼程序，提取圖像信息[13]。具體過程如下所示。

解碼程序指可逆信息隱藏算法的解碼算法，將隱藏信息轉換為原始信息，并對其進行提取。常規(guī)情況下，只有圖像歸屬權的人員才能擁有解碼程序，外人無法提取圖像信息，這樣就可以極大程度地保證圖像信息的安全，避免圖像信息泄露造成的危害[14]。

解碼密鑰主要由[k1，k2]表示，圖像信息提取流程如圖4所示。

2.3? 載體圖像恢復模塊

圖像信息經(jīng)過提取后，需要將載體圖像恢復，載體圖像恢復即是圖像信息隱藏的逆過程，具體程序如圖5所示。

載體圖像恢復函數(shù)表示為：

通過上述系統(tǒng)硬件與軟件的設計，實現(xiàn)了基于可逆信息隱藏算法的圖像信息處理系統(tǒng)的運行，為圖像信息安全提供更加有效的支撐[15]。

3? 載體圖像恢復性能分析

上述過程實現(xiàn)了基于可逆信息隱藏算法的圖像信息處理系統(tǒng)的設計與運行，但是對其是否能夠解決傳統(tǒng)系統(tǒng)存在的問題還無法確定，為此設計仿真對比實驗，具體實驗過程如下所示。

3.1? 實驗網(wǎng)絡測試

實驗主要采用以太網(wǎng)通信，為了保障實驗的順利進行，測試實驗網(wǎng)絡。

以太網(wǎng)結構實物圖如圖6所示。

經(jīng)過測試得到以太網(wǎng)流量變化情況如圖7所示。流量變化情況較大，表明以太網(wǎng)通信正常、有效。

3.2? 實驗結果分析

以上述測試過的網(wǎng)絡環(huán)境為基礎進行實驗，載體圖像恢復性能主要通過載體圖像恢復程度體現(xiàn)，恢復程度越大表明載體圖像恢復性能越好，反之，則表明載體圖像恢復性能越差。

通過實驗得到載體圖像恢復程度對比情況如表2所示。

如表2數(shù)據(jù)顯示，設計系統(tǒng)的載體圖像恢復程度遠遠高于傳統(tǒng)系統(tǒng)，最大值可以達到90%，說明設計系統(tǒng)的載體圖像恢復性能更好。

通過實驗結果顯示：與傳統(tǒng)的圖像信息處理系統(tǒng)相比，本文設計的圖像信息處理系統(tǒng)極大地提升了載體圖像的恢復性能，充分說明設計的圖像信息處理系統(tǒng)具備更好的處理效果。

4? 結? 語

設計的圖像信息處理系統(tǒng)極大地提升了載體圖像的恢復性能，為圖像信息安全提供了更加有效的支撐。通過實驗結果可以看出，本文設計系統(tǒng)的載體圖像恢復性能依然具有上升空間，需要學者對其進行進一步的研究。

參考文獻

[1] 王繼林，孫嘯，馮小青.利用像素置換的自適應可逆信息隱藏[J].中國圖象圖形學報，2018，23（1）：1?8.

[2] 肖渝梅.基于全息技術的光學圖像信息隱藏研究[J].激光雜志，2018，39（7）：105?109.

[3] 劉連，王孝通.基于圖像熵分塊的壓縮感知字典學習算法[J].北京理工大學學報，2019，39（5）：520?523.

[4] 任帥，王震，徐振超，等.一種基于OBJ三維模型紋理貼圖的信息隱藏算法[J].北京郵電大學學報，2019，42（1）：22?27.

[5] 梁海濤，陳曉冬，徐懷遠，等.基于深度圖預處理和圖像修復的虛擬視點繪制[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2019，31（8）：1278?1285.

[6] 劉明明，張敏情，劉佳，等.基于生成對抗網(wǎng)絡的無載體信息隱藏[J].應用科學學報，2018，36（2）：371?382.

[7] 薛偉，王磊.一種基于新型混沌的彩色圖像加密算法[J].光學技術，2018，44（3）：263?268.

[8] 蔡聲澤，許超，高琪，等.基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡的粒子圖像測速算法[J].空氣動力學學報，2019，37（3）：455?461.

[9] 高文蓮，高志娥，薛艷鋒，等.幾何失真校正耦合位平面分解的圖像水印算法[J].計算機工程與設計，2019，40（6）：1559?1566.

[10] 李世維，黃丹飛，劉輝，等.基于多尺度邊緣表示的偏振圖像二次融合算法[J].激光與紅外，2018，48（1）：113?118.

[11] 王彥超.基于聯(lián)合特征與中心方向信息的圖像哈希算法[J].西南大學學報（自然科學版），2018，40（2）：113?124.

[12] 肖樂意，歐陽紅林，范朝冬.基于記憶分子動理論優(yōu)化算法的多目標截面投影Otsu圖像分割[J].電子與信息學報，2018，40（1）：189?199.

[13] 馬凌，侯小毛，張福泉，等.基于復合混沌系統(tǒng)與人工神經(jīng)網(wǎng)絡學習的圖像加密算法[J].電子測量與儀器學報，2018，32（8）：109?116.

[14] 曾崇，楊偉萍.基于DCT變換的圖像版權數(shù)字水印算法[J].科技通報，2018，34（6）：119?122.

[15] 侯志強，趙夢琦，余旺盛，等.基于 SLIC與分水嶺算法的彩色圖像分割[J].光電工程，2019，46（6）：73?81.