基于彈載遙測圖像加密域的可逆信息隱藏算法*

張 偉，宋 暢，洪文鵬，畢 盛，衛(wèi)俊杰

(1.陸軍裝備部駐南京地區(qū)軍代局駐上海地區(qū)第三軍代室·上海·201109；2.上海航天控制技術(shù)研究所·上?！?01109)

0 引 言

近年來，隨著我國導彈技術(shù)的不斷發(fā)展，彈載遙測技術(shù)也得到了突飛猛進的發(fā)展。彈載遙測系統(tǒng)是導彈飛行試驗中的重要測量手段，用于獲取各個分系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)，在飛行性能評定、飛行試驗的事后數(shù)據(jù)分析、飛行過程問題查找中起著至關(guān)重要的作用。導彈系統(tǒng)要求彈載遙測單元在盡量小的空間中盡可能采集和傳輸更多的系統(tǒng)參數(shù)，以提高試驗的效率，降低系統(tǒng)的研制成本。在成像彈的彈載遙測系統(tǒng)中，傳輸數(shù)據(jù)不僅包括各分系統(tǒng)中的遙測數(shù)據(jù)，如導引信號、飛控信號、引信信號、舵機信號、電源信號等，往往還有紅外探測器獲得的相對直觀的紅外圖像信息。在理想情況下，下傳的紅外遙測圖像與遙測數(shù)據(jù)必須與數(shù)據(jù)采集端保持一致。

針對遙測圖像信息量大與有限的信道帶寬之間的矛盾問題，利用壓縮算法對遙測圖像進行一定壓縮比的壓縮，可以滿足遙測圖像數(shù)據(jù)傳輸帶寬的需要，但會在一定程度上造成圖像內(nèi)容的失真，且對關(guān)鍵信息的丟失是不可控的；另一方面，相對于紅外圖像信息而言，遙測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量非常小，單獨的信道傳輸會造成信道的浪費，將低頻少量的遙測數(shù)據(jù)與遙測圖像進行混合處理、融合傳輸?shù)姆椒?，可以在一定程度上?jié)省傳輸信道，但在常見的混合傳輸方法中，時分復(fù)用會增加信道的通信時長，基本的調(diào)制方式會帶來頻譜資源的浪費。

遙測數(shù)據(jù)中包含大量的飛行狀態(tài)信息，尤其是靶場遙測數(shù)據(jù)中包含大量的武器相關(guān)信息，圖像作為信息表達最直觀的方式，在遙測傳輸系統(tǒng)中有著舉足輕重的地位。在現(xiàn)代電子戰(zhàn)的環(huán)境下，為防止第三方非法獲取敏感軍事目標信息與飛行數(shù)據(jù)，有必要對遙測圖像進行加密傳輸，在確保圖像信息不可直接獲取的同時，還要經(jīng)得起“窮舉搜索法”攻擊與“密文”攻擊。此外，加解密算法還要保證簡單與即時性。

針對以上幾個問題，本文提出了一種基于加法對稱加密的彈載紅外遙測圖像可逆信息隱藏算法。首先將紅外遙測圖像拆分為若干個標準灰度圖，將灰度圖像利用方形模板劃分為若干個子塊，在經(jīng)過加法對稱加密系統(tǒng)后，利用適配加密算法的差值直方圖，以及相鄰像素點間灰度的相關(guān)性進行遙測數(shù)據(jù)的嵌入。在這一過程中既避免了信道浪費，又保證了遙測數(shù)據(jù)與圖像的不可感知性。而且本文加法加密算法的安全性依賴于通過RC4算法生成的加密密鑰流，在當前的密碼破解技術(shù)支持下，當密鑰長度達到128bit時，通過暴力搜索的方法進行破解是幾乎不可能的。另外，秘密信息的嵌入位置都是基于圖像的紋理特征內(nèi)容及差值直方圖決定的，不能依據(jù)統(tǒng)計特性獲得，保證了遙測信息的安全性。在遙測圖像接收端，利用加密系統(tǒng)的對稱性，加密密鑰擁有者能夠?qū)D像進行解密，并按照嵌入規(guī)則獲得嵌入數(shù)據(jù)。實驗結(jié)果證實了整體算法的可逆性，保證了遙測圖像與遙測數(shù)據(jù)的無損恢復(fù)。

1 加密域可逆信息隱藏技術(shù)簡介

可逆信息隱藏算法發(fā)展于傳統(tǒng)信息隱藏算法之上。信息隱藏技術(shù)利用圖像載體的冗余空間進行秘密信息的嵌入與傳遞，嵌入秘密信息的載體在外觀上和原始圖像并沒有很大的區(qū)別，肉眼在一定程度上并不能察覺出秘密信息的存在，具有很強的不可感知性，從而實現(xiàn)安全通信。傳統(tǒng)信息隱藏技術(shù)在提取秘密信息的過程中會在一定程度上對載體產(chǎn)生不可恢復(fù)的破壞，而在一些特殊的應(yīng)用場景下，例如法庭認證、醫(yī)學圖像處理、軍事通信、遙感成像等對數(shù)據(jù)認證要求較高的場景，這樣的不可逆損壞是不被允許的，必須保證載體數(shù)據(jù)的完整性與一致性，由此，可逆信息隱藏技術(shù)應(yīng)運而生。

可逆信息隱藏技術(shù)不僅能保證秘密信息的嵌入與不可感知，同時滿足秘密信息的可逆提取與載體數(shù)據(jù)的可逆恢復(fù)。伴隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，越來越多的多媒體圖像存儲在云端，與之相關(guān)的一系列信息安全問題也隨之產(chǎn)生。信息擁有者將自己的多媒體產(chǎn)品加密后上傳到云端，保護了自己的隱私不被泄露；信息管理者為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理、版權(quán)驗證，通常需要在加密后的多媒體載體中嵌入附加信息。在這一過程中，圖像加密域可逆信息隱藏技術(shù)將結(jié)合圖像加密技術(shù)和可逆信息隱藏技術(shù)，在對圖像內(nèi)容進行保護的同時，保證了圖像內(nèi)容的完整性與真實性。

其實不僅是在云存儲中，圖像加密域可逆信息隱藏技術(shù)在其他領(lǐng)域也發(fā)揮著很大的作用。例如在醫(yī)學圖像傳遞過程中，圖像內(nèi)容的細微差別也有可能對最后的診斷結(jié)果產(chǎn)生影響，因此必須保證圖像內(nèi)容的一致性。同時出于對病人健康狀況的隱私保護，為了防止病人病情的泄露，必須對醫(yī)學圖像進行加密處理。為了使加密圖像與病人檔案一一對應(yīng)，又需要在加密圖像中嵌入相關(guān)信息，例如病人的個人信息、圖像采集日期等等。再例如在軍事領(lǐng)域中，軍事圖像屬于國家機密，通過圖像加密對圖像內(nèi)容進行保護顯得尤為重要。為了圖像傳送和接收雙方的信息對稱性，圖像內(nèi)容不容篡改；同時雙方通過比較嵌入信息的一致性也可以驗證軍事圖像的真?zhèn)巍?/p>

圖像加密域可逆信息隱藏算法的核心思想在于向密文空間中嵌入額外信息，并且保證載體與額外信息的無失真恢復(fù)。在本文的算法設(shè)計中，以紅外遙測圖像作為嵌入載體，一方面可以將遙測數(shù)據(jù)嵌入到遙測圖像中節(jié)省傳輸帶寬，另一方面又可以保證遙測圖像內(nèi)容傳輸?shù)陌踩浴?/p>

2 算法流程

假設(shè)紅外遙測圖像

I

的大小為

M

×

N

，圖像位深度為

D

，一般來說，mod(

D

,8)=0。首先將圖像拆分為

Q

個位深度為8的標準灰度圖像，一方面是為了限定直方圖的取值區(qū)間為[0,255]，節(jié)省運算時間；另一方面，由高比特組成的標準灰度圖像的直方圖較平滑，能夠增加算法的嵌入容量。則原始圖像

I

和

Q

個標準灰度圖像

I

(

q

=1,2,…，

Q

)在圖像坐標為(

i

,

j

)位置上的像素值滿足

(1)

生成的

Q

幅8bit灰度圖像是相互獨立的。具體的算法流程圖如圖1所示。以下介紹的算法流程中，加密圖像生成、密文域信息嵌入、信息提取與圖像恢復(fù)都是對每幅8bit灰度圖分別進行操作的。

(a)發(fā)送端算法流程

2.1 加密圖像生成

對第

q

個灰度圖像(

q

=1,2,…，

Q

)，以3×3大小的方形模板(如圖2所示)進行劃分，則模板的中心像素點的坐標

i

,

j

滿足

圖2 方形模板示意圖Fig.2 Sketch of square template

i

mod 3=2,

j

mod 3=2

(2)

其中，

i

∈[1,

M

],

j

∈[1,

N

]，其余8個像素點稱為中心像素點的參考像素點。對圖像進行區(qū)域劃分之后，在圖像加密過程中，屬于同一個模板的像素點共享同一個加密密鑰。首先利用隨機種子

s

生成長度為

K

的密碼序列，其中

K

等于整幅圖像中模板的數(shù)量。按照從上到下、從左到右的順序搜索各個十字模板的中心像素點，以加密密鑰

k

(流密碼序列的第

p

個數(shù))匹配第

p

個模板的中心像素點。與此同時，對模板中心像素點的8個參考像素匹配相同的加密密鑰

k

。圖像外圈不在任何模板內(nèi)的剩余像素點同樣可以匹配自己的加密密鑰。在構(gòu)建完加密參數(shù)之后，整幅圖像經(jīng)過加法對稱加密系統(tǒng)進行加密，具體的加密形式為

c

=

E

(

m

,

k

)=(

m

+

k

)mod 256

(3)

其中，

m

為原始圖像中明文像素值；

k

為其對應(yīng)分配的加密密鑰, 在本文中，

k

是由利用RC4算法和隨機種子

s

生成的密碼流中的元素；設(shè)置模256的操作是為了使得加密后圖像的像素值不會發(fā)生溢出的情況，即保證

c

∈[0,255]。

2.2 密文域信息嵌入

根據(jù)同一模板中共享同一個加密密鑰

k

的特點，利用式(4)進行8個像素間差值

d

(

n

=1,2,…,8)的計算

d

=(

x

-

r

)mod 256

(4)

其中，

x

代表第

n

個參考像素點的加密域像素值；

r

代表中心像素點的加密域像素值。它描述了在一個模板中，中心像素點與各個方向上的參考像素點像素值之間的差值進行模256操作的結(jié)果。由于只有位置相近的2個像素值參與計算差值，則差值更多分布于0附近，模256之后分布于0和255附近。對這8個差值各自生成差值直方圖，并對每一個直方圖進行兩對極值點的直方圖平移與遙測數(shù)據(jù)嵌入操作，具體如下：(1)

d

∈[0,127]若

d

=0：這部分直方圖不進行改變，則加密域中參考像素值

x

和中心像素值

r

都保持不變。若

d

∈[1,127]：將這部分的直方圖向右平移1個單位，那么可證明此時對加密域參考點像素值等價于進行(

x

+1)mod 256的操作，此時加密域中該模板中的參考像素值

x

變?yōu)?p>x

′=(

x

+1)mod 256，中心像素值

r

保持不變。

d

′=((

x

+1)mod 256-

r

)mod 256
=(

x

-

r

+1)mod 256
=((

x

-

r

)mod 256+1)mod 256
=(

d

+1)mod 256

(5)

(2)

d

∈[128,255]若

d

=255：這部分直方圖不進行改變，則加密域中參考像素值

x

和中心像素值

r

都保持不變。若

d

∈[128,254]：將這部分的直方圖向左平移1個單位，那么可證明此時對加密域參考像素值等價于進行(

x

-1)mod 256的操作，此時加密域中該模板中的參考像素值

x

變?yōu)?p>x

′=(

x

-1)mod 256，中心像素值

r

保持不變。

d

′=((

x

-1)mod 256-

r

)mod 256
=(

x

-

r

-1)mod 256
=((

x

-

r

)mod 256-1)mod 256
=(

d

-1)mod 256

(6)

在平移操作中會產(chǎn)生相同像素值的混淆情況,即

d

′∈[127,128]，這2個差值有來自上述2個區(qū)間的可能性。此時通過創(chuàng)建輔助二進制序列

Aux

進行記錄，若

d

∈[0,127]且

d

′∈[127,128]，記當前比特為1;若

d

∈[128,254]且

d

′∈[127,128]，記當前比特為0，同時也生成輔助信息長度的二進制序列,與輔助信息隨待嵌入信息一同嵌入圖像中。完成平移操作后，利用差值直方圖

d

∈{0,255}位置,在經(jīng)過直方圖平移后創(chuàng)造的冗余空間進行信息的嵌入。待嵌入信息包含遙測數(shù)據(jù)

m

和輔助信息序列

Aux

。此時每個直方圖中都有一對嵌入信息對即{0,255}。假設(shè)

b

為待嵌入比特，當

b

=0時，

d

′={0,255}通過向右平移1個單位變?yōu)?p>d

″={1,0}，此時加密域中該模板中的參考像素值

x

變?yōu)?p>x

′=(

x

+1)mod 256，中心像素值

r

保持不變;當

b

=1時，

d

′={0,255}通過向左平移1個單位變?yōu)?p>d

″={255,254}，此時加密域中該模板中的參考像素值

x

變?yōu)?p>x

′=(

x

-1)mod 256，中心像素值

r

保持不變。至此全部完成了第

q

個灰度圖像的秘密信息嵌入工作，在此過程中主要通過將設(shè)計的加密方式及差值生成方式進行巧妙的結(jié)合來實現(xiàn)信息的嵌入，信息嵌入過程如圖3所示。

圖3 差值直方圖信息嵌入操作示意圖Fig.3 Sketch of embedding operation in difference histogram

在

Q

幅灰度圖像都完成圖像加密和信息嵌入后，將這

Q

幅灰度圖像利用式(7)恢復(fù)為位深度為

D

的圖像進行傳輸。

(7)

2.3 信息提取與圖像恢復(fù)

在信息提取與圖像恢復(fù)過程中，首先將圖像按式(1)的方式拆分為

Q

幅8bit灰度圖像，對每一幅灰度圖像分別進行解密與信息提取。當擁有加密密鑰時，在一幅灰度圖像中，對同一個3×3模板使用對應(yīng)的加密密鑰

k

按照式(8)進行圖像解密。

m

=

D

(

c

,

k

)=(

c

-

k

)mod 256

(8)

通過

d

″=(

x

″-

r

)mod 256,

n

=1,2,…,8(9)

得到8個差值直方圖，其與嵌入過程中平移過后的8個直方圖完全一致。對每個差值直方圖進行信息提?。?/p>1)若

d

″∈{0,1}：根據(jù)嵌入規(guī)則，提取秘密信息

b

=1，將

x

″恢復(fù)為(

x

″-1)mod 256；2)若

d

″∈{254,255}：根據(jù)嵌入規(guī)則，提取秘密信息

b

=0，將

x

″恢復(fù)為(

x

″+1)mod 256。同時根據(jù)提取出來的輔助信息

Aux

和直方圖平移規(guī)則進行圖像恢復(fù)，圖像恢復(fù)規(guī)則為：1)若

d

″∈[2,126]，將

x

″恢復(fù)為(

x

″-1)mod 256；2)若

d

″∈[129,253]，將

x

″恢復(fù)為(

x

″+1)mod 256；3)若

d

″∈[127,128]，根據(jù)輔助信息

Aux

，若當前二進制序列碼為0，將

x

″恢復(fù)為(

x

″+1)mod 256，若當前二進制序列碼為1，將

x

″恢復(fù)為(

x

″-1)mod 256。按順序完成

Q

幅圖像的信息提取與圖像恢復(fù)，拼接

Q

幅灰度圖像中提取的嵌入信息即為原始紅外遙測圖像中的嵌入信息，按照式(1)恢復(fù)原始紅外遙測圖像，至此，完成了遙測圖像與遙測數(shù)據(jù)的可逆恢復(fù)，保證了其一致性。

3 仿真實驗及結(jié)果分析

實驗中采用圖像尺寸為128×128的位深度為16bit的紅外遙測圖像為載體進行加密與信息嵌入。則每幅紅外遙測圖像可分為高八位灰度圖像與低八位灰度圖像，分別進行信息嵌入。圖4展示了4幅紅外遙測圖像在算法的不同流程中所得到的圖像。其中圖4(d)即為經(jīng)過加密，嵌入隱藏信息的遙測傳輸圖像,可以看到圖像的真實內(nèi)容被完全隱藏，保護了傳輸過程中圖像內(nèi)容的安全。圖4(e)為在接收端經(jīng)過圖像恢復(fù)的紅外遙測圖像，經(jīng)過驗證，和發(fā)送端的原始采集圖像完全一致，實現(xiàn)了遙測圖像的零失真，且完成了嵌入數(shù)據(jù)的無損恢復(fù)。

圖4 實驗結(jié)果Fig.4 Experimental results

4幅圖像的嵌入容量如表1所示，總嵌入容量由高八位圖像與低八位圖像的嵌入容量去除為了可逆恢復(fù)而生成的輔助信息長度?？梢钥吹?，由于高八位圖像的像素值比較接近，一方面，差值直方圖的峰值點較高，可嵌入容量較大，另一方面，差值為127或者128的點較少，輔助信息占用比特位較少；整體圖像的平均嵌入容量達到了15205bit，即可在紅外遙測圖像中嵌入約1900字節(jié)的數(shù)據(jù)，可以節(jié)省接近2M的單獨傳輸遙測數(shù)據(jù)帶寬，可以滿足彈載遙測數(shù)據(jù)的總量需求。

表1 4幅紅外遙測圖像嵌入容量Tab.1 Embedding capacity of four telemetry images

4 結(jié) 論

本文研究了基于紅外遙測圖像加密域的可逆信息隱藏算法，利用紅外圖像的冗余空間將遙測數(shù)據(jù)嵌入到圖像中，同時對遙測圖像進行加密，既避免了傳輸信道的浪費，又保護了其圖像內(nèi)容在傳輸過程中的不可感知性，實驗結(jié)果驗證了該算法的可逆恢復(fù)與大嵌入容量的特點。后續(xù)將基于彈載紅外遙測圖像的特點進行更有針對性的可逆信息隱藏算法設(shè)計，提高圖像冗余空間的利用，進一步增加圖像的嵌入能力，從向圖像中嵌入圖像的角度節(jié)省傳輸帶寬，使算法能夠在產(chǎn)品中應(yīng)用。