基于可逆信息隱藏算法的通信圖像處理研究

【關(guān)鍵詞】可逆信息；隱藏算法；通信圖像；處理技術(shù)

引言

隨著科技的進(jìn)步，我們已經(jīng)進(jìn)入了以網(wǎng)絡(luò)化、信息化和智能化為標(biāo)志的新時(shí)代，各個(gè)行業(yè)的需求也在不斷發(fā)生變化，通信圖像成為人類獲取信息的首要途徑。圖像是一種對客觀事物的精確描繪，其中包括物體的紋理分布以及形狀等元素，連續(xù)的圖像序列還能揭示出物體的動(dòng)態(tài)特性，將這些信息綜合起來就構(gòu)成了識(shí)別物體類型的關(guān)鍵因素與依據(jù)。大數(shù)據(jù)時(shí)代下，通信圖像信息處理技術(shù)未來的重要發(fā)展趨勢及挑戰(zhàn)主要包括5個(gè)方面，分別是大數(shù)據(jù)處理、智能圖像處理、多模態(tài)圖像處理、邊緣計(jì)算以及隱私保護(hù)。通信圖像信息處理方法已經(jīng)成為當(dāng)前信息處理領(lǐng)域的核心研究課題，眾多學(xué)者和專家對此進(jìn)行了深入探討，并取得了令人滿意的研究成果?；诳赡嫘畔㈦[藏算法的通信圖像處理技術(shù)能夠有效解決現(xiàn)階段通信圖像處理技術(shù)中面臨的挑戰(zhàn)，因此具有重要的研究價(jià)值。

一、可逆信息隱藏算法

（一）基于可逆信息隱藏算法的通信圖像處理技術(shù)關(guān)鍵問題

可逆信息隱藏算法的核心技術(shù)要點(diǎn)在于確保嵌入的隱藏信息具有可逆性，基于可逆信息隱藏算法的通信圖像處理技術(shù)應(yīng)當(dāng)充分考慮以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：首先，可逆信息隱藏算法必須具備充足的冗余空間，以此來實(shí)現(xiàn)對圖像信息的隱藏功能，并且能夠掌握具有對應(yīng)關(guān)系的逆過程算法，從而避免出現(xiàn)圖像恢復(fù)失真的現(xiàn)象。其次，在圖像信息嵌入的過程中，要對像素的上溢與下溢問題進(jìn)行明確，使用相應(yīng)的算法對載體圖像進(jìn)行微調(diào)，將像素控制在[0，255]的范圍內(nèi)，需要關(guān)注處于像素值臨界點(diǎn)時(shí)嵌入信息是否會(huì)出現(xiàn)上下溢情況，避免影響信息的正常提取及恢復(fù)[1]。再次，研究可逆信息隱藏算法的終極目標(biāo)就是追求低失真與高容量，但是這兩項(xiàng)內(nèi)容本身存在一定矛盾，通信圖像信息的載入量與失真情況呈正比例相關(guān)關(guān)系，圖像的失真程度會(huì)隨著載入量的增加而加重，因此必須找到突破這一禁錮的措施，盡量降低該算法的復(fù)雜程度。最后，提取秘密通信圖像信息時(shí)不需要依靠過多的額外信息，只需要明確關(guān)鍵參數(shù)即可，從而減少額外信息占據(jù)的容量，達(dá)到提高算法簡便性與有效性的效果。

（二）通信圖像信息隱藏的特點(diǎn)

通信圖像信息隱藏技術(shù)與傳統(tǒng)加密技術(shù)存在本質(zhì)上的不同，將重點(diǎn)從限制資料存取，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楸ＷC所有的隱藏?cái)?shù)據(jù)不受到入侵，且隱藏信息在經(jīng)過反復(fù)操作后仍具備不受到任何破壞的能力。通信信息隱藏應(yīng)具備以下四個(gè)特點(diǎn)：首先是具有隱蔽性，這也是通信圖像信息隱藏的基礎(chǔ)特點(diǎn)，指的是在隱藏信息被嵌入后，不會(huì)影響原始圖像信息質(zhì)量，同時(shí)也不會(huì)導(dǎo)致圖像信息的外部特點(diǎn)發(fā)生明顯改變，在視覺上給予人們相同的觀感，以此來阻礙非法入侵者判斷其是否存在隱藏信息[2]。其次是具有魯棒性，要求待隱藏信息的嵌入方法具有穩(wěn)定性，所有信息不會(huì)因通信圖像信息的改動(dòng)而受到破壞甚至是丟失。再次是具有安全性，可逆信息隱藏算法的抗攻擊能力較為理想，即便面對強(qiáng)烈的攻擊，仍舊能夠確保隱藏信息不遭受破壞。最后是具有較強(qiáng)的自恢復(fù)性，經(jīng)過一系列的處理操作后，可能會(huì)對原圖像產(chǎn)生一定程度的破壞，即便被破壞后只留存了部分圖像信息，也能夠及時(shí)將隱藏信號(hào)恢復(fù)，而且這個(gè)過程完全不需要依靠其他信號(hào)，實(shí)現(xiàn)自恢復(fù)。

（三）典型的可逆信息隱藏算法

1.差值擴(kuò)展技術(shù)（DE技術(shù)）

差值擴(kuò)展技術(shù)算法主要利用了相鄰像素之間存在的關(guān)聯(lián)性，對其差值進(jìn)行計(jì)算，并在差值中嵌入秘密信息，這個(gè)算法可以說是可逆信息隱藏算法的基礎(chǔ)，后續(xù)很多學(xué)者在進(jìn)行相關(guān)領(lǐng)域的研究時(shí)都是在此算法基礎(chǔ)上進(jìn)行的。最初提出差值擴(kuò)展技術(shù)時(shí)，其隱藏容量僅為0.5bit/bpp，后續(xù)增加至0.75bit/bpp。

2.直方圖平移技術(shù)

直方圖平移技術(shù)是現(xiàn)階段最為常見且應(yīng)用最為廣泛的算法之一，首次提出是在2006年，該算法通過對通信圖像像素?cái)?shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，即可繪制出完整且準(zhǔn)確的像素分布圖，出現(xiàn)頻率最高的像素值與直方圖峰值存在對應(yīng)關(guān)系，頻率最低的與零值存在對應(yīng)關(guān)系，通過平移，將隱藏信息嵌入其中。該算法對像素的修改以1個(gè)像素量為單位，因此其獲取的通信圖像信息質(zhì)量較為理想，但是正因如此導(dǎo)致算法容量有限。后來隨著該算法的健全，越來越多的學(xué)者開始對其進(jìn)行深入研究，在保證其質(zhì)量的同時(shí)擴(kuò)大了隱藏容量，并融合了人類視覺系統(tǒng)，以便提高隱藏圖像與原圖像之間的一致性。

3.變換域可逆信息隱藏技術(shù)

差值擴(kuò)展技術(shù)與直方圖平移技術(shù)都是基于空域的算法，該種類型的可逆信息隱藏算法實(shí)現(xiàn)起來相對簡單，也很容易解決可能出現(xiàn)的像素上溢、下溢問題，但是仍舊存在無法滿足視域特性的問題，變換域可逆信息隱藏技術(shù)的應(yīng)用就能稍微彌補(bǔ)一下這方面的不足之處。

二、基于可逆信息隱藏算法的通信圖像處理技術(shù)

（一）定位隱藏通信圖像技術(shù)

常見的圖像信息傳輸利用以太網(wǎng)作為主要支撐網(wǎng)絡(luò)，正因如此，大量的通信圖像信息在以太網(wǎng)中呈現(xiàn)出隱藏的狀態(tài)，嚴(yán)重阻礙著圖像處理技術(shù)的順利實(shí)施。而應(yīng)用可逆信息隱藏算法就能夠有效地解決這個(gè)問題，能夠?qū)崿F(xiàn)對隱藏通信圖像的定位處理，對即將進(jìn)行圖像處理的目標(biāo)區(qū)塊進(jìn)行劃分，劃分應(yīng)遵循“不重疊”原則，采用標(biāo)準(zhǔn)化矩陣設(shè)定方法，矩陣設(shè)定比例為2.0×2.0，并對矩陣內(nèi)的通信圖像進(jìn)行依次處理，在處理過程中需要時(shí)刻關(guān)注通信圖像信息的傳輸安全性，避免對通信圖像信息產(chǎn)生破壞。定位隱藏通信圖像技術(shù)的主要操作方法可以概括如下：定位隱藏通信圖像技術(shù)的依據(jù)為n×n（n應(yīng)為2的倍數(shù)），隨后基于可逆信息隱藏算法對網(wǎng)絡(luò)的有效范圍進(jìn)行劃分。進(jìn)而將網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采集到的圖像信息按照十進(jìn)制的計(jì)算方法進(jìn)行定位，最終找到Y(jié)2、Y3的隱藏定位，反復(fù)重復(fù)上述操作，就能夠?qū)λ械碾[藏通信圖像進(jìn)行定位。

（二）隱藏通信圖像信息灰度的數(shù)字化轉(zhuǎn)換技術(shù)

隱藏通信圖像信息灰度的數(shù)字化轉(zhuǎn)換技術(shù)一般在隱藏信息定位工作完成后開展，指的是對通信圖像信息的持續(xù)性采集，基于可逆信息隱藏算法，獲取隱藏圖像的密鑰，并將密鑰在網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)中應(yīng)用[3]。隱藏通信圖像信息灰度的數(shù)字化轉(zhuǎn)換技術(shù)的具體操作流程可以概括為以下7個(gè)步驟：第一步是在系統(tǒng)內(nèi)輸入通信圖像的定位信息，第二步是根據(jù)讀取到的相關(guān)數(shù)據(jù)對參考值進(jìn)行重新設(shè)定，第三步對參考值進(jìn)行量化并生成隨機(jī)密鑰，第四步對量化值與參考預(yù)測值進(jìn)行對比，第五步重復(fù)前四步操作，第六步判斷是否獲取了全部的通信圖像信息，最后將通信圖像信息從系統(tǒng)中導(dǎo)出。此時(shí)還需要考慮通信圖像傳輸過程中可能導(dǎo)致出現(xiàn)泄漏風(fēng)險(xiǎn)問題的因素，對信息進(jìn)行數(shù)字化灰度處理，確保所有導(dǎo)出的圖像都已經(jīng)完成了高質(zhì)量的灰度轉(zhuǎn)換操作。

（三）通信圖像的二值化處理技術(shù)

在完成通信圖像的定位隱藏處理與數(shù)字化灰度處理操作后，應(yīng)當(dāng)及時(shí)對通信圖像的載體進(jìn)行有效恢復(fù)，也可以將這項(xiàng)恢復(fù)工作當(dāng)作通信圖像的逆處理。逆處理過程的計(jì)算主要受到以下幾個(gè)因素的影響：通信圖像構(gòu)建矩陣中的參數(shù)、參數(shù)系數(shù)發(fā)生不斷轉(zhuǎn)換，或者對通信圖像進(jìn)行的卷積處理等等，隨后用二進(jìn)制的形式將通信圖像信息完整地呈現(xiàn)出來，我們稱這個(gè)過程為通信圖像的二值化處理技術(shù)。

三、基于可逆信息隱藏算法的通信圖像處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于可逆信息隱藏算法的通信圖像處理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括以下三個(gè)方面的內(nèi)容，分別是主控芯片選型、并行處理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及以太網(wǎng)通信電路。首先，采用FPGA作為系統(tǒng)的主控芯片，芯片是系統(tǒng)進(jìn)行通信圖像處理的基礎(chǔ)與核心，F(xiàn)PGA芯片具有較為顯著的應(yīng)用優(yōu)勢，不僅信息的處理速度快，且能夠存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)信息量。其次，對系統(tǒng)的并行處理結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，因系統(tǒng)并行處理與總線之間存在緊密的關(guān)聯(lián)，其優(yōu)化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于總線接口，且該系統(tǒng)中總線接口引腳數(shù)量較多[4]。最后就是設(shè)計(jì)完善的以太網(wǎng)通信電路，眾所周知，基于可逆信息隱藏算法的通信圖像處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與技術(shù)的有效開展必須依靠強(qiáng)有力的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)支持，以太網(wǎng)通信電路設(shè)計(jì)就是能夠滿足通信圖像處理系統(tǒng)要求的有效路徑，在以太網(wǎng)收發(fā)器上連接處理器接口，并在系統(tǒng)上設(shè)置規(guī)定的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，將通信電路更改為工作狀態(tài)，從而有效保證對通信圖像進(jìn)行正常處理。

（二）系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于可逆信息隱藏算法的通信圖像處理系統(tǒng)軟件主要由通信圖像隱藏模塊、提取模塊、恢復(fù)模塊三方面構(gòu)成，具體的軟件模塊設(shè)計(jì)研究如下。

1.通信圖像隱藏模塊設(shè)計(jì)

通信圖像隱藏模塊是可逆隱藏信息算法系統(tǒng)的基礎(chǔ)模塊，能夠最大限度地保證對通信圖像信息安全進(jìn)行保護(hù)。在設(shè)計(jì)該模塊時(shí)，首先要分割載體圖像的圖像塊，在滿足通信圖像信息隱藏需求的基礎(chǔ)上對圖像塊進(jìn)行依次處理。其次要設(shè)置參考矩陣，并將參考矩陣轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢赃M(jìn)行定位的平面坐標(biāo)，以矩陣中心向左右兩個(gè)方向進(jìn)行掃描，按照十進(jìn)制的方法將信息轉(zhuǎn)換為待隱藏狀態(tài)，最后在相對應(yīng)的位置完成信息隱藏，直至所有信息均得到有效隱藏[5]。

2.圖像信息提取模塊設(shè)計(jì)

圖像信息提取模塊設(shè)計(jì)研究同樣將隱藏的通信圖像作為基礎(chǔ)，在系統(tǒng)中嵌入與隱藏圖像信息相對應(yīng)的解碼程序，從而有效提取圖像信息。簡單來說，圖像信息提取模塊的設(shè)計(jì)目的就是將經(jīng)過隱藏算法處理的圖像信息經(jīng)過一系列處理使其恢復(fù)為原始信息，一般情況下，并不是所有人都能具備解碼權(quán)限，只有擁有圖像歸屬權(quán)的人員才有權(quán)限使用，其他人不能對圖像信息進(jìn)行提取，在根本上保證了通信圖像信息的安全性，避免通信圖像信息受到非法入侵造成泄漏。

3.載體圖像信息恢復(fù)模塊設(shè)計(jì)

提取通信圖像信息后還需要將隱藏后的載體圖像進(jìn)行恢復(fù)，也可以將這個(gè)模塊看作圖像信息隱藏逆過程模塊。同時(shí)還要對該模塊的恢復(fù)性能進(jìn)行測試，才能判斷其是否能夠解決傳統(tǒng)的通信圖像處理系統(tǒng)中存在的漏洞。

（三）仿真實(shí)驗(yàn)

為了對基于可逆信息隱藏算法的通信圖像處理技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用效果進(jìn)行深入探究，特進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，對相同條件下基于可逆信息隱藏算法的通信圖像處理技術(shù)與傳統(tǒng)的通信圖像處理技術(shù)進(jìn)行對比[6]。仿真實(shí)驗(yàn)在以太網(wǎng)的支持下開展，不存在任何可能會(huì)對通信圖像信息處理結(jié)果產(chǎn)生影響的因素，因此具有實(shí)驗(yàn)性與可比性。此時(shí)，效果對比的主要指標(biāo)參數(shù)就是通信圖像的恢復(fù)處理程度，兩者之間呈正比例相關(guān)關(guān)系。通信圖像的恢復(fù)處理程度計(jì)算公式如下：通信圖像的恢復(fù)處理程度=已恢復(fù)完成圖像總像素面積/載體圖像總像素面積×100%，在兩種技術(shù)支持下進(jìn)行圖像信息處理，處理結(jié)果如下：圖像在經(jīng)過10次處理后，傳統(tǒng)技術(shù)下通信圖像的恢復(fù)處理程度約為49.23%，基于可逆信息隱藏算法的通信圖像恢復(fù)處理程度約為98.66%；圖像在經(jīng)過100次處理后，傳統(tǒng)技術(shù)下通信圖像的恢復(fù)處理程度為56.23%，基于可逆信息隱藏算法的通信圖像恢復(fù)處理程度為99.18%。以上仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，基于可逆信息隱藏算法的通信圖像處理恢復(fù)程度均達(dá)到了90%以上，經(jīng)過100次處理后恢復(fù)程度更是高達(dá)99%，由此可見其具有較高的實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值，不僅能夠有效提高通信圖像信息的恢復(fù)程度，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)對通信圖像信息的安全保障與高精度處理。

結(jié)論

總而言之，基于可逆信息隱藏算法的通信圖像處理技術(shù)具有理想的實(shí)踐應(yīng)用效果。本文首先闡述了基于可逆信息隱藏算法的通信圖像處理技術(shù)關(guān)鍵問題、通信圖像信息隱藏的特點(diǎn)，并簡述了典型的可逆信息隱藏算法。隨后對基于可逆信息隱藏算法的通信圖像處理中的定位隱藏通信圖像技術(shù)、隱藏通信圖像信息灰度的數(shù)字化轉(zhuǎn)換技術(shù)以及通信圖像的數(shù)字化處理技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行分析，最后開展基于可逆信息隱藏算法的通信圖像處理技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)研究，判斷該技術(shù)的應(yīng)用效果，希望能為提高我國電子信息技術(shù)水平提供助力，同時(shí)為促進(jìn)電子信息技術(shù)行業(yè)發(fā)展保駕護(hù)航。