1擴頻通信技術與信息隱藏技術

1.1擴頻通信技術

20世紀50年代誕生的擴頻通信技術是一種具有低檢測概率、抗干擾的通信方式，其基本原理是將待傳輸的消息信號頻譜用某個特定的擴頻函數擴展成為寬頻帶信號后，經信道傳輸，再以相應手段將其頻帶壓縮，獲得所要傳送的消息。頻譜擴展通過與數據無關的編碼實現，接收方以同步方式接收該編碼，用于解擴及隨后的數據恢復。盡管解擴時可能會使數個頻帶的部分信號被去除，但由于在其他頻帶仍有足以恢復信號的信息，使數據恢復得以保證。由于在擴頻通信中使用了偽隨機編碼及對信號的相關處理，使擴頻通信具有較強的抗檢測性、抗干擾性和保密性。因此，擴頻通信也被認為是將信息隱藏在寬頻偽隨機噪聲中的一種通信方式。直接序列擴頻和跳變頻率擴頻是擴頻通信常用的兩種工作方式。

1.2信息隱藏技術

信息隱藏技術是20世紀90年代中期從國外興起的信息安全和多媒體信號處理領域中的一種保證媒體信息安全的新方法。其基本原理是利用人類感覺器官的不敏感性以及多媒體信號本身存在的冗余性，通過將秘密信息隱藏在可以公開的媒體信息中，達到證實該媒體信息的所有權歸屬和數據完整性或傳遞秘密信息的目的。信息隱藏技術所用到的媒體信息可以是文字、圖像、聲音和視頻。由于隱藏在媒體信息中的秘密信息對媒體信息的感覺效果和使用價值沒有任何影響，因此信息隱藏技術為數字信息安全問題提供了很好的解決方案。信息隱藏技術所涉及的安全有兩個方面的含義：a）可以公開的媒體信息在版權和使用權上的安全。b）秘密信息在傳輸和存儲中的安全。本文所涉及的擴頻通信技術在圖像信息隱藏領域中的應用屬于第二個方面的內容。

對于信息隱藏技術而言，密鑰與安全性、不可感知性、魯棒性、嵌入容量和自恢復性是其主要特征。

密鑰與安全性是指在設計一個信息隱藏系統時，需要綜合考慮密鑰的產生、發放、管理等與密鑰相關的各個環節，這是由于在信息隱藏技術中已把對信息的保護轉化為了對密鑰的保護。不可感知性是指在信息隱藏系統中信息的嵌入不能使載體產生可感知的失真，也就是說隱秘載體與原載體必須充分相似，否則隱藏就失去了意義。魯棒性是指在隱秘載體受到一定擾動的情況下，依然能夠恢復出隱藏的信息。

嵌入容量是指在保證不可感知的條件下，載體中隱藏信息的多少，在載體中隱藏的信息量越多，說明嵌入容量越大。自恢復性是指經過某些變換和操作后對原數據產生較大的破壞，僅從破壞后留下的數據中仍可恢復出隱藏信號，且恢復過程不需要原信號的能力。信息隱藏技術依據密鑰可分為私鑰信息隱藏和公鑰信息隱藏；依據嵌入域可分為空域（或時域）方法的信息隱藏和變換域方法的信息隱藏；依據載體可分為基于文本的信息隱藏、基于圖像的信息隱藏、基于聲音的信息隱藏和基于視頻的信息隱藏；依據提取要求可分為盲信息隱藏和非盲信息隱藏；依據保護對象可分為隱秘術信息隱藏和水印信息隱藏。

擴頻圖像隱秘系統（SSIS）是擴頻通信技術在圖像信息隱藏技術中的一個應用，該系統利用噪聲在數字圖像中隱藏信息。

2擴頻圖像隱秘系統的構成

利用數字圖像作為載體信號構成的擴頻圖像隱秘系統具有實現在數字圖像中嵌入可觀秘密信息并能避免被非法接收者檢測到的能力。合法接收者在提取隱藏信息時不需要原始圖像，只需要擁有密鑰即可實現對隱藏信息的提取。

擴頻圖像隱秘系統的發送方案如圖3所示。在該方案中，采用調制方法將經過密鑰K1加密和低比特率ECC（錯誤檢查和糾正）編碼產生的編碼消息m與輸入到偽隨機噪聲產生器中的密鑰K2產生的一實值噪聲序列n合成在一起，形成嵌入信號s。載體圖像再與嵌入信號s與密鑰K3混疊后的信號進行異或運算，運算后生成的信號在保持原有載體圖像動態范圍的前提下，經量化后生成隱秘圖像g送往接收方。接收方使用隱秘系統解碼器和與發送方相同的密鑰提取隱藏信息。

擴頻圖像隱秘系統的接收方案如圖4所示。在該方案中，接收方首先將收到的隱秘圖像g’與使用圖像修復技術得到的隱秘圖像g’的原始圖像的估值f’進行異或運算，運算后的結果與密鑰K3一起送入分離器得到嵌入信息的估值s’。然后利用輸入到偽隨機噪聲產生器中的密鑰K2所產生的噪聲序列n對嵌入信息的估值s’進行解調，得到編碼信息的估值m’。該估值經低比特率ECC解碼器解碼后送入受密鑰K1作用的解密器解密，即可得到所需要的消息。

該方案中的混疊器在嵌入信號被加到載體圖像之前對其進行了重新排序。這樣做的目的有兩個：a）防止出現成組的或突發的錯誤，使得在編碼字中允許的錯誤幾乎是獨立發生的，從而保證差錯編碼在糾正所有碼字中的錯誤時可擁有相等的機會。b）為了確保混疊器能夠用密鑰來保證其混疊算法。

3擴頻圖像隱秘系統分析

擴頻圖像隱秘系統是采用擴頻通信技術的一種變化形式將信息嵌入到低能量的實值高斯噪聲序列中，生成看上去為噪聲的信號，再與載體圖像結合生成隱秘圖像。由于嵌入信號的能量遠小于載體圖像的能量，即SNR（信噪比）很小，所以不易被發覺或檢測到。其次，如果嵌入信號的能量遠小于圖像的能量，則觀察者在視覺上就無法分辨出原始圖像和隱秘圖像。由于采用了低比率糾錯編碼，其中糾錯編碼器將少量的信息位擴散到許多輸出位中，因此編碼本身具有類擴展效果。

為構建嵌入信息，引入參考存儲擴頻通信系統的概念。參考存儲原理要求發送和接收雙方相互獨立地產生相同的偽隨機寬帶波形。只要采用一個私鑰或公鑰和相同的偽隨機數發生器即可很容易地做到這一點。此外，偽隨機數發生器還是加密安全的。

描述一個簡單的符號調制方案作為例子來說明擴頻過程。假定信息信號m是由－1、＋1組成的二值信號。擴頻序列n為一實數序列，它服從正態分布，其均值為零，方差為N。兩個信號進行調制，或相乘（如=m×n），產生一個實數序列。此例中，每個噪聲樣本的符號將隨著對應嵌入信息位的數值而改變，信號的白噪聲特性仍能保持。其解碼過程也很簡單，在接收端序列n被復制，用此序列的符號與接收到的嵌入序列s’的符號相比較，恢復出信息信號的估值m’，用下式表示：Sign（s’／n）=m’。