光无线传输环境下基于静态图像的信息隐藏的技

　　0 引 言
　　近年来随处可见数字图像，不管是在多媒体显示屏、电视还是网络视频上，图像画面左下角都会出现二维码或是水印，其中包含该图像的版权信息或是跟图像内容有关信息。这种方法虽然达到了信息量增大的效果，但却影响了图像的美观性和完整性以及信息内容的局限性。另外，之前人们对信息在图像中的隐藏，都是采用数字水印或二维码的形式来进行的，并且基本都是采用变换域算法。因此，不管是基于离散余弦变换[1]、二层或三层离散小波变换[2]，还是基于两种离散变换组合或位平面分解[3]等算法进行信息隐藏，水印[4]或二维码的最佳隐藏效果和提取后的低误码都无法同时兼得，而且对隐藏和提取后的图像数据分析，更多的是从可行性和信噪比方面来证明该方法的优势和适用范围。此外，数字图像的美观性和完整性也是必须要考虑在内的。所以，鉴于以上两种情况的优缺点，本文提出一种基于静态图像的信息隐藏技术在光无线通信环境中实现信息传输的系统实现方法，此方法可以实现静态图像进行信息隐藏后的最佳隐藏效果和隐藏信息提取后的低误码率，同时也有较好的鲁棒性和抗干扰能力，保证了图像信息隐藏前后的完整和美观。
　　1 算法相关概念
　　1.1 DWT及其影响
　　由塔式算法[5]可知，图像经过离散小波变换[6]后分解为4个占原图[14]大小的子图：水平方向、垂直方向和对角方向的高频子图以及低频逼近子图，然后进行同样的方式对低频子图后继分解，分解得到在下一级频率下更小的子图。
　　载体图像进行小波分解后，选择在低频子带进行信息隐藏，因为原载体图像的全局信息对应于低频部分，隐藏低频部分是对原图像最小分辨率和鲁棒性的最佳逼近。再者信息隐藏在低频部分可有效防止外界对隐藏有信息的图像的各种攻击；而人们的视觉系统对高频部分变换较为敏感，因此一般不作为信息隐藏位置考虑。所以，在鲁棒性和低误码率的综合考虑下，在小波分解后的低频子带隐藏信息较好。图1分别为图像进行一层、二层和三层小波分解后低频子带隐藏信息后的结果。
　　从图1所示的三幅隐藏有信息的图像可以看出，在一层小波分解后的低频子带进行信息隐藏后，隐藏点较多且很明显，图像隐藏效果不好；二层小波分解后的低频子带进行信息隐藏后，隐藏点虽不多但却明显，隐藏效果也不是很好；在三层小波分解后的低频子带进行信息隐藏后，隐藏点几乎没有而且不易察觉。所以，本文讨论图像在三层小波分解后的低频带进行隐藏信息，实现信息隐藏的可靠性和实用性。图像三层小波变换的分解图[7]如图2所示。
　　1.2 块尺寸分解法及其影响因素
　　选定了载体图像的隐藏区域后接着分析基于块尺寸分解算法进行信息隐藏传输技术 [8]，并确定隐藏系数和块尺寸。块尺寸分解是根据图像是由像素构成的矩阵特性而对指定子图进行[n*n]分块，然后得到若干子块，块与块之间依次排列，而每个分块的左上顶点为信息嵌入点（阴影区域深色部分），如图3所示。
　　但是，在块分解尺寸算法[9]中，参数设定非常重要，它直接影响信息隐藏后的图像质量和图像传输后信息提取的误码率。
　　图像是由像素组成的，也是一个矩阵，选取一个或几个像素组合成一个块，把指定的图像区域按这种方式分解成一个个块，而确定这些块的尺寸大小既要考虑信息隐藏量，还要注意信息隐藏后图像的变化和信息提取后的误码率大小，所以块尺寸bs的设定尤为重要。
　　2 信息的隐藏与提取方法
　　根据上述结论和技术总结，结合小波变换技术[7]、块尺寸分解法以及一些图像处理技术，提出一种基于静态图像的信息隐藏技术在光无线通信环境中实现信息传输的系统实现框图，如图4所示。
　　隐藏信息的图像既要保证信息的最佳隐藏效果，还要保持图像隐藏信息前后的美观完整，所以分析隐藏和提取过程就显得尤为重要。
　　2.1 信息隐藏过程
　　选择适量有用信息W在原图像中进行信息隐藏，具体步骤如下：
　　（1） 对原图像A进行三层小波变换，得到10幅子图，选取低频子带进行信息隐藏；
　　（2） 对低频子带系数图进行[n*n]块尺寸分解[8]，分解后的每块子图的左上小分块为信息嵌入点；
　　（3） 进行图像重构，即就是修改后的小波系数进行三层逆小波变换得到隐藏有信息的图像B。
　　2.2 信息提取过程
　　对经过光无线信道传输且隐藏有信息的图像进行信息提取，步骤如下：
　　（1） 对拍摄到的图像B进行处理，由于拍摄到的图像会出现畸变等变化，所以必须对图像进行镜头校正等处理，得到跟拍摄之前较为相似的图像，以便对隐藏信息进行提取；
　　（2） 对处理后的图像进行信息提取，方法与隐藏方法相逆，最终恢复出原图像A和所隐藏的数字信息W。
　　3 仿真/实验结果及分析
　　由以上分析可知此算法更可靠和有效，接下来就对这一理论结果进行实验验证。
　　3.1 仿真分析
　　根据系统实现框图进行信息隐藏仿真过程，分析其系数变化对误码率的影响。此处设定在椒盐噪声密度（噪声密度即包括噪声值的图像区域的百分比）0.05的攻击下进行仿真过程。
　　3.1.1 隐藏系数与误码率关系
　　在块尺寸bs给定不变的情况下，隐藏系数[α]与误码率BER的关系见表1。
　　从表1可看出，随着隐藏系数的增大，一层和二层小波分解时的误码率变化没有规律，即便存在出现误码为0的情况，但是隐藏效果却很差；而使用三层小波分解时，随着隐藏系数增大，误码率逐渐减小至0，尤其隐藏系数为0.08和0.1时，分别使用一层、二层和三层小波分解后其误码率都为0。同样，考虑到信息隐藏效果须达到最佳，此处隐藏系数取值为0.08。
　　3.1.2 块尺寸与误码率关系
　　在隐藏系数[α]给定不变的情况下，块尺寸bs与误码率BER的关系见表2。
　　由表2可以看出，小波分解层数为一层或二层小波分解且固定不变时，随着块尺寸增大，误码率变化无规律；但当为三层小波分解时，块尺寸越大，误码率越小，尤其当块尺寸为8和16时，误码率为0，但是考虑到信息隐藏后的图像效果，此处取块尺寸为16。
　　3.2 算法实验及结果分析
　　本算法根据图4流程实现在低频域LL3进行信息隐藏，在测试中使用512×512×24 b lena图 像作为载体，隐藏的信息为16×16的随即矩阵，经过可见光无线信道传输等实验过程如图5所示。
　　实验结果分析：
　　隐藏有信息的图像不论出现在清晰的显示屏上，还是显示于表面粗糙的墙面上，用手机或数码相机等拍摄到图像再进行处理，然后对其进行信息提取。实验结果表明，当使用有效像素110万左右且拍摄距离在2.5 m之内时，隐藏效果都较好，并且误码率可低至0。
　　3.3 实验分析与总结
　　图像进行三层小波分解后，对其低频子带使用块尺寸法进行信息隐藏，这种方法隐藏效果好，也能获得很低的误码率，实验证明此种方法也是可行有效的，缺点是隐藏的信息量较少，运行速度较慢。原因有以下几点：
　　（1） 随着小波分解的级数增大，运行速度会减慢；
　　（2） 块尺寸增大，虽然有助于提高信息隐藏效果，但却降低了信息隐藏量；
　　（3） 信息提取前对图像所进行的系列操作处理，可能也会影响信息在图像里的分布情况；
　　（4） 隐藏信息算法还有待改进。
　　4 结 论
　　本文用理论和实验证明了一种基于静态图像的信息隐藏技术在光无线通信环境中实现信息传输的可行性，在保证图像，以便达到图像隐藏信息实现传输的最好效果，这样就能够更方便有效地进行信息传播，使之更为方便可靠地应用于数字广告或海报等领域中，具有潜在实际服务大众的应用前景。
　　参考文献