1扩频通信技术与信息隐藏技术 1.1扩频通信技术 20世纪50年代诞生的扩频通信技术是一种具有低检测概率、抗干扰的通信方式，其基本原理是将待传输的消息信号频谱用某个特定的扩频函数扩展成为宽频带信号后，经信道传输，再以相应手段将其频带压缩，获得所要传送的消息。频谱扩展通过与数据无关的编码实现，接收方以同步方式接收该编码，用于解扩及随后的数据恢复。尽管解扩时可能会使数个频带的部分信号被去除，但由于在其他频带仍有足以恢复信号的信息，使数据恢复得以保证。由于在扩频通信中使用了伪随机编码及对信号的相关处理，使扩频通信具有较强的抗检测性、抗干扰性和保密性。因此，扩频通信也被认为是将信息隐藏在宽频伪随机噪声中的一种通信方式。直接序列扩频和跳变频率扩频是扩频通信常用的两种工作方式。 1.2信息隐藏技术 信息隐藏技术是20世纪90年代中期从国外兴起的信息安全和多媒体信号处理领域中的一种保证媒体信息安全的新方法。其基本原理是利用人类感觉器官的不敏感性以及多媒体信号本身存在的冗余性，通过将秘密信息隐藏在可以公开的媒体信息中，达到证实该媒体信息的所有权归属和数据完整性或传递秘密信息的目的。信息隐藏技术所用到的媒体信息可以是文字、图像、声音和视频。由于隐藏在媒体信息中的秘密信息对媒体信息的感觉效果和使用价值没有任何影响，因此信息隐藏技术为数字信息安全问题提供了很好的解决方案。信息隐藏技术所涉及的安全有两个方面的含义：a）可以公开的媒体信息在版权和使用权上的安全。b）秘密信息在传输和存储中的安全。本文所涉及的扩频通信技术在图像信息隐藏领域中的应用属于第二个方面的内容。 对于信息隐藏技术而言，密钥与安全性、不可感知性、鲁棒性、嵌入容量和自恢复性是其主要特征。 密钥与安全性是指在设计一个信息隐藏系统时，需要综合考虑密钥的产生、发放、管理等与密钥相关的各个环节，这是由于在信息隐藏技术中已把对信息的保护转化为了对密钥的保护。不可感知性是指在信息隐藏系统中信息的嵌入不能使载体产生可感知的失真，也就是说隐秘载体与原载体必须充分相似，否则隐藏就失去了意义。鲁棒性是指在隐秘载体受到一定扰动的情况下，依然能够恢复出隐藏的信息。 嵌入容量是指在保证不可感知的条件下，载体中隐藏信息的多少，在载体中隐藏的信息量越多，说明嵌入容量越大。自恢复性是指经过某些变换和操作后对原数据产生较大的破坏，仅从破坏后留下的数据中仍可恢复出隐藏信号，且恢复过程不需要原信号的能力。信息隐藏技术依据密钥可分为私钥信息隐藏和公钥信息隐藏；依据嵌入域可分为空域（或时域）方法的信息隐藏和变换域方法的信息隐藏；依据载体可分为基于文本的信息隐藏、基于图像的信息隐藏、基于声音的信息隐藏和基于视频的信息隐藏；依据提取要求可分为盲信息隐藏和非盲信息隐藏；依据保护对象可分为隐秘术信息隐藏和水印信息隐藏。 扩频图像隐秘系统（SSIS）是扩频通信技术在图像信息隐藏技术中的一个应用，该系统利用噪声在数字图像中隐藏信息。 2扩频图像隐秘系统的构成 利用数字图像作为载体信号构成的扩频图像隐秘系统具有实现在数字图像中嵌入可观秘密信息并能避免被非法接收者检测到的能力。合法接收者在提取隐藏信息时不需要原始图像，只需要拥有密钥即可实现对隐藏信息的提取。 扩频图像隐秘系统的发送方案如图3所示。在该方案中，采用调制方法将经过密钥K1加密和低比特率ECC（错误检查和纠正）编码产生的编码消息m与输入到伪随机噪声产生器中的密钥K2产生的一实值噪声序列n合成在一起，形成嵌入信号s。载体图像再与嵌入信号s与密钥K3混叠后的信号进行异或运算，运算后生成的信号在保持原有载体图像动态范围的前提下，经量化后生成隐秘图像g送往接收方。接收方使用隐秘系统解码器和与发送方相同的密钥提取隐藏信息。 扩频图像隐秘系统的接收方案如图4所示。在该方案中，接收方首先将收到的隐秘图像g’与使用图像修复技术得到的隐秘图像g’的原始图像的估值f’进行异或运算，运算后的结果与密钥K3一起送入分离器得到嵌入信息的估值s’。然后利用输入到伪随机噪声产生器中的密钥K2所产生的噪声序列n对嵌入信息的估值s’进行解调，得到编码信息的估值m’。该估值经低比特率ECC解码器解码后送入受密钥K1作用的解密器解密，即可得到所需要的消息。 该方案中的混叠器在嵌入信号被加到载体图像之前对其进行了重新排序。这样做的目的有两个：a）防止出现成组的或突发的错误，使得在编码字中允许的错误几乎是独立发生的，从而保证差错编码在纠正所有码字中的错误时可拥有相等的机会。b）为了确保混叠器能够用密钥来保证其混叠算法。 3扩频图像隐秘系统分析 扩频图像隐秘系统是采用扩频通信技术的一种变化形式将信息嵌入到低能量的实值高斯噪声序列中，生成看上去为噪声的信号，再与载体图像结合生成隐秘图像。由于嵌入信号的能量远小于载体图像的能量，即SNR（信噪比）很小，所以不易被发觉或检测到。其次，如果嵌入信号的能量远小于图像的能量，则观察者在视觉上就无法分辨出原始图像和隐秘图像。由于采用了低比率纠错编码，其中纠错编码器将少量的信息位扩散到许多输出位中，因此编码本身具有类扩展效果。 为构建嵌入信息，引入参考存储扩频通信系统的概念。参考存储原理要求发送和接收双方相互独立地产生相同的伪随机宽带波形。只要采用一个私钥或公钥和相同的伪随机数发生器即可很容易地做到这一点。此外，伪随机数发生器还是加密安全的。 描述一个简单的符号调制方案作为例子来说明扩频过程。假定信息信号m是由－1、＋1组成的二值信号。扩频序列n为一实数序列，它服从正态分布，其均值为零，方差为N。两个信号进行调制，或相乘（如=m×n），产生一个实数序列。此例中，每个噪声样本的符号将随着对应嵌入信息位的数值而改变，信号的白噪声特性仍能保持。其解码过程也很简单，在接收端序列n被复制，用此序列的符号与接收到的嵌入序列s’的符号相比较，恢复出信息信号的估值m’，用下式表示：Sign（s’／n）=m’。#p#分页标题#e# 尽管这个简单系统满足产生不依赖于信息信号值的高斯序列的必要条件，但当有噪声存在时，其信号检测存在严重缺陷。这种噪声通常源自差劲的嵌入信号估值，也可能由传输信道所致。因为仅仅使用嵌入信号样本的符号变化来表示信息，其中大多数的数值都落在零的附近。更明确地讲，当s分别为－1和＋1时，s取值的差异通常都很小，导致对m的检测不可靠。 为改进检测性能，提出了一种用于SSIS的非线性调制方案。这种调制技术提高了可能调制值之间的最小欧氏距离，使得嵌入数据的估值有所改善。该调制技术要产生一个在（0，1）之间均匀分布的随机序列u。通过对u进行如式（1）式所示的非线性变换，得到另一个均匀分布随机序列u’。式（1）的变换极大化了u和u’之间的最小距离。随后通过从ui或ui’中选择生成嵌入信号值si，经信息位裁决，再被转换成高斯随机值，如式（2）所示。式中-1表示标准高斯随机变量累积分布函数的逆函数。 可使用一个作用于s的尺度因子来调整嵌入信号的能量。然后该信号被加到载体图像，再经量化和截取以生成隐秘图像。尺度因子的选择依据是人类的知觉和嵌入信号的位错误率值（BER）。尽管截收者可能知道系统的一般策略，但是若不知道产生n所需的密钥就不能解码信息。 另外，由于典型的噪声在获取图像信号的过程中是固有的，如果幅度很低，在没有原始图像存在的情况下，用人眼或计算机进行分析，两者都无法确定其存在。因此，为了能够成功实现对信息的解码，图像恢复和差错控制编码是必须要用到的两种技术。 1）图像恢复 在接收端，解码前必须先将嵌入信号从隐秘图像中提取出来。为此，系统中采用图像恢复技术来获取原始载体图像的估值，该技术能滤去隐秘图像中许多低能量的嵌入信号。随后用隐秘图像减去该恢复图像即可得到嵌入信号的估值。在扩频图像隐秘系统方案中使用图像恢复技术，使得接收方无需持有载体图像的复制件。因为在自然景色的数字图像中，局部像素点之间是相互关联的，所以滤波操作可被用于修复图像。嵌入信息的估值问题可被看作是图像修复问题，其目的是去除接收到的隐秘图像中的加性随机噪声。可以用多种图像处理滤波器来得到修复图像，如均值滤波或小波收缩技术。 2）差错控制编码 由于图像恢复不能产生出原始载体图像的完美复制件，加上嵌入信号的能量很低，从而对嵌入信号的估值不会好。这可能导致解调出的含有信息的信号中含有大量的错误位，表现为高嵌入信号BER值（典型的大于0.15BER）。为保证信号估值过程的次优性能，可引入低比率差错控制编码来纠正大量的错误位。 任何一个能够纠正高信号估值BER值的纠错码均可以用于扩频图像隐秘系统方案。在扩频图像隐秘系统方案中使用纠错，改善了嵌入信号的次优估值，还能抵抗隐秘图像传输过程中产生的失真。在编码器中可以对编码全过程进行仿真，因而可以针对具体的载体图像和嵌入信号强度选择合适的纠错码。这也保证了当传输信道中无噪声时，隐藏信息可以高概率地被恢复且无差错发生。当传输信道中可能有噪声时，也能选取适当的纠错编码来纠正由信道引起的附加差错。类似地，纠错方法还可以用于弥补对隐秘图像进行低级压缩所造成的差错。 3）安全性分析 扩频图像隐秘系统提供了一种在载体图像中隐藏信息的方法。发送方在隐藏信息时不会增加图像的尺寸和动态范围，接收方在提取隐藏信息时不需要使用原始图像。该系统的安全性由两个因素来保证：a）其信号能量与载体图像不明显可比，提供了低的被检概率，使观察者无法知晓隐藏信息的存在。b）接收方必须持有与发送方相同的密钥才能解密隐藏的信息。因此，尽管系统的算法原理是公开的，但只要攻击者不具有与发送方相对应的解密密钥，则无法对隐藏的信息实现解密。因此，扩频图像隐秘系统的安全性是有保证的。 4结束语 在信息隐藏技术中，高频对嵌入信息的不可感知性有利，但对鲁棒性不利；低频对嵌入信息的鲁棒性有利，但对不可感知性不利，利用扩频通信技术，通过将低能量信号嵌入到每一个频段则可以很好地解决这一问题。在扩频通信技术中如果引用密钥来控制一个伪随机数发生器，则可以进一步增强系统的安全性。因此，目前在很多信息隐藏算法中都广泛采用了扩频通信技术。
