1擴(kuò)頻通信技術(shù)與信息隱藏技術(shù)

1.1擴(kuò)頻通信技術(shù)

20世紀(jì)50年代誕生的擴(kuò)頻通信技術(shù)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?shù)南⑿盘栴l譜用某個特定的擴(kuò)頻函數(shù)擴(kuò)展成為寬頻帶信號后，經(jīng)信道傳輸，再以相應(yīng)手段將其頻帶壓縮，獲得所要傳送的消息。頻譜擴(kuò)展通過與數(shù)據(jù)無關(guān)的編碼實現(xiàn)，接收方以同步方式接收該編碼，用于解擴(kuò)及隨后的數(shù)據(jù)恢復(fù)。盡管解擴(kuò)時可能會使數(shù)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(fù)信號的信息，使數(shù)據(jù)恢復(fù)得以保證。由于在擴(kuò)頻通信中使用了偽隨機(jī)編碼及對信號的相關(guān)處理，使擴(kuò)頻通信具有較強的抗檢測性、抗干擾性和保密性。因此，擴(kuò)頻通信也被認(rèn)為是將信息隱藏在寬頻偽隨機(jī)噪聲中的一種通信方式。直接序列擴(kuò)頻和跳變頻率擴(kuò)頻是擴(kuò)頻通信常用的兩種工作方式。

1.2信息隱藏技術(shù)

信息隱藏技術(shù)是20世紀(jì)90年代中期從國外興起的信息安全和多媒體信號處理領(lǐng)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(dá)到證實該媒體信息的所有權(quán)歸屬和數(shù)據(jù)完整性或傳遞秘密信息的目的。信息隱藏技術(shù)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(shù)為數(shù)字信息安全問題提供了很好的解決方案。信息隱藏技術(shù)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(quán)和使用權(quán)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(kuò)頻通信技術(shù)在圖像信息隱藏領(lǐng)域中的應(yīng)用屬于第二個方面的內(nèi)容。

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

密鑰與安全性是指在設(shè)計一個信息隱藏系統(tǒng)時，需要綜合考慮密鑰的產(chǎn)生、發(fā)放、管理等與密鑰相關(guān)的各個環(huán)節(jié)，這是由于在信息隱藏技術(shù)中已把對信息的保護(hù)轉(zhuǎn)化為了對密鑰的保護(hù)。不可感知性是指在信息隱藏系統(tǒng)中信息的嵌入不能使載體產(chǎn)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(fù)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(fù)性是指經(jīng)過某些變換和操作后對原數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大的破壞，僅從破壞后留下的數(shù)據(jù)中仍可恢復(fù)出隱藏信號，且恢復(fù)過程不需要原信號的能力。信息隱藏技術(shù)依據(jù)密鑰可分為私鑰信息隱藏和公鑰信息隱藏；依據(jù)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(jù)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(jù)提取要求可分為盲信息隱藏和非盲信息隱藏；依據(jù)保護(hù)對象可分為隱秘術(shù)信息隱藏和水印信息隱藏。

擴(kuò)頻圖像隱秘系統(tǒng)（SSIS）是擴(kuò)頻通信技術(shù)在圖像信息隱藏技術(shù)中的一個應(yīng)用，該系統(tǒng)利用噪聲在數(shù)字圖像中隱藏信息。

2擴(kuò)頻圖像隱秘系統(tǒng)的構(gòu)成

利用數(shù)字圖像作為載體信號構(gòu)成的擴(kuò)頻圖像隱秘系統(tǒng)具有實現(xiàn)在數(shù)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(xiàn)對隱藏信息的提取。

擴(kuò)頻圖像隱秘系統(tǒng)的發(fā)送方案如圖3所示。在該方案中，采用調(diào)制方法將經(jīng)過密鑰K1加密和低比特率ECC（錯誤檢查和糾正）編碼產(chǎn)生的編碼消息m與輸入到偽隨機(jī)噪聲產(chǎn)生器中的密鑰K2產(chǎn)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(jìn)行異或運算，運算后生成的信號在保持原有載體圖像動態(tài)范圍的前提下，經(jīng)量化后生成隱秘圖像g送往接收方。接收方使用隱秘系統(tǒng)解碼器和與發(fā)送方相同的密鑰提取隱藏信息。

擴(kuò)頻圖像隱秘系統(tǒng)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(fù)技術(shù)得到的隱秘圖像g’的原始圖像的估值f’進(jìn)行異或運算，運算后的結(jié)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(jī)噪聲產(chǎn)生器中的密鑰K2所產(chǎn)生的噪聲序列n對嵌入信息的估值s’進(jìn)行解調(diào)，得到編碼信息的估值m’。該估值經(jīng)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(jìn)行了重新排序。這樣做的目的有兩個：a）防止出現(xiàn)成組的或突發(fā)的錯誤，使得在編碼字中允許的錯誤幾乎是獨立發(fā)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(jī)會。b）為了確保混疊器能夠用密鑰來保證其混疊算法。

3擴(kuò)頻圖像隱秘系統(tǒng)分析

擴(kuò)頻圖像隱秘系統(tǒng)是采用擴(kuò)頻通信技術(shù)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(jié)合生成隱秘圖像。由于嵌入信號的能量遠(yuǎn)小于載體圖像的能量，即SNR（信噪比）很小，所以不易被發(fā)覺或檢測到。其次，如果嵌入信號的能量遠(yuǎn)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(kuò)散到許多輸出位中，因此編碼本身具有類擴(kuò)展效果。

為構(gòu)建嵌入信息，引入?yún)⒖即鎯U(kuò)頻通信系統(tǒng)的概念。參考存儲原理要求發(fā)送和接收雙方相互獨立地產(chǎn)生相同的偽隨機(jī)寬帶波形。只要采用一個私鑰或公鑰和相同的偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器即可很容易地做到這一點。此外，偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器還是加密安全的。

描述一個簡單的符號調(diào)制方案作為例子來說明擴(kuò)頻過程。假定信息信號m是由－1、＋1組成的二值信號。擴(kuò)頻序列n為一實數(shù)序列，它服從正態(tài)分布，其均值為零，方差為N。兩個信號進(jìn)行調(diào)制，或相乘（如=m×n），產(chǎn)生一個實數(shù)序列。此例中，每個噪聲樣本的符號將隨著對應(yīng)嵌入信息位的數(shù)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(fù)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(fù)出信息信號的估值m’，用下式表示：Sign（s’／n）=m’。