CN112819708B - 一种低采样率下电磁泄漏视频图像的复原方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种低采样率下电磁泄漏视频图像的复原方法及系统，该方法包括：获取视频线缆传输时电磁泄漏的视频图像；获取所述视频图像的采样频率、行频和点频；根据所述行频和点频计算所述视频图像的尺寸；根据所述采样频率和点频计算所述视频图像的像素值；根据所述尺寸和像素值对所述视频图像进行复原。本发明能够在低采样率下恢复视频信号并从中获取图像信息。

Description

一种低采样率下电磁泄漏视频图像的复原方法及系统
技术领域
本发明涉及信号分析和图像处理领域，特别是涉及一种低采样率下电磁泄漏视频图像的复原方法及系统。
背景技术
计算机视频信号的电磁泄漏在计算机视频信号的产生、传输和显示过程中都会发生，故存在通过电磁泄漏信号的采集将视频信号复原的可能性。为了将采集的视频信号的电磁泄漏复原为视频图像信息，首先要理解计算机视频信号在计算机系统中产生、显示和传输的过程。只有分析视频信号在计算机中各个部分的处理过程，和各个过程中视频信号的时域、频域特征，才能有针对性地采集视频信号的电磁泄漏，并根据电磁泄漏的视频信号将视频信号复原成图像信息，从而获得视频信号中的有效信息。
在计算机系统中，所有数据都以二进制代码的形式记录在计算机存储器中，它们都是以周期脉冲信号的方式进行传输。以台式计算机为例，二进制数据转化为可视图像的步骤如下：首先，计算机中的显卡根据CPU(中央处理器)发出的指令读取内存中的二进制图像数据，数据经过GPU(图形处理器)、DAC(数字模拟转换器)的处理，由显卡进入视频线缆，最后显示器将从视频线缆获取的信号转化为可视图像。
视频线缆在传输视频信号时所产生的电磁泄漏会包含所传输的视频数据信息，而电磁泄漏会让这些信息在视频线缆之外也存在。用宽带高增益天线对泄漏的电磁信号进行接收，再利用高带宽、高采样率的存储式示波器就可以获取到电磁泄漏信息的采样信号。对获取的采样信号进行相应的信号处理，便可从中获取视频线缆传输的视频信号。
然而，在低采样率下，所获取的电磁泄漏视频信号将遗漏大量信息，且更不便于对低频信号进行滤波处理。在此条件下，寻找行频及点频将变得更为困难。尤其是在寻找点频时，由于采样率过低，甚至无法在全局信号的频谱图像中获取点频信息。故在低采样率下恢复视频信号并从中获取图像信息则成为了一大难点。
发明内容
本发明的目的是提供一种低采样率下电磁泄漏视频图像的复原方法及系统，能够在低采样率下恢复视频信号并从中获取图像信息。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种低采样率下电磁泄漏视频图像的复原方法，包括：
获取视频线缆传输时电磁泄漏的视频图像；
获取所述视频图像的采样频率、行频和点频；
根据所述行频和点频计算所述视频图像的尺寸；
根据所述采样频率和点频计算所述视频图像的像素值；
根据所述尺寸和像素值对所述视频图像进行复原。
可选的，所述视频图像的采样频率为所述点频的两倍以上。
可选的，采用FFT和频域分析对所述视频图像进行处理，得到所述行频。
可选的，采用时域分析、FFT和频域分析对所述视频图像进行处理，得到所述点频。
可选的，采用公式w＝Fn/Fw计算所述视频图像的长度，其中，Fn为点频，Fw为行频，w为视频图像的长度。
可选的，采用公式h＝0.02Fn/w计算所述视频图像的高度，其中， h为视频图像的高度，Fn为点频，w为视频图像的长度。
可选的，所述根据尺寸和像素值对所述视频图像进行复原步骤之后，还包括：
当复原后的图像出现偏移或者扭曲时，对复原后的图像进行图像修复。
一种低采样率下电磁泄漏视频图像的复原系统，包括：
图像获取模块，用于获取视频线缆传输时电磁泄漏的视频图像；
采样频率、行频和点频获取模块，用于获取所述视频图像的采样频率、行频和点频；
尺寸计算模块，用于根据所述行频和点频计算所述视频图像的尺寸；
像素计算模块，用于根据所述采样频率和点频计算所述视频图像的像素值；
图像复原模块，用于根据所述尺寸和像素值对所述视频图像进行复原。
可选的，所述采样频率、行频和点频获取模块包括时域分析单元、 FFT单元和频域分析单元，用于对所述视频图像进行分析，得到行频和点频。
可选的，还包括复原模块，用于当复原后的图像出现偏移或者扭曲时，对复原后的图像进行图像修复。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明可在低采样率下对视频信号的电磁泄漏采样信息进行恢复并获得可视图像，从而根据图像获取有效信息。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明将电磁泄漏视频信号转化为图像信息的整体逻辑框图；
图2为本发明行频获取的步骤图；
图3为本发明点频获取的步骤图；
图4为本发明图像呈像中图像尺寸计算的步骤图；
图5为本发明图像呈像中获取像素的步骤图；
图6为本发明图像呈像中图像修复的步骤图；
图7为本发明低采样率下电磁泄漏视频图像的复原系统模块图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本发明的目的是提供一种低采样率下电磁泄漏视频图像的复原方法及系统，能够在低采样率下恢复视频信号并从中获取图像信息。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明方案概述为：本发明应用于复原电磁泄漏下截取的视频信号，方法的步骤主要包括行频获取、点频获取、图像呈像三个步骤；
即首先对由电流卡钳从视频线缆处采集的电磁泄漏视频信号执行行频获取和点频获取，分别获取到该信号的行频及点频，再根据行频及点频的数值执行图像呈像步骤，则可实现将电磁泄漏视频信号复原为图像信息。
其中，行频指行同步信号的频率，点频指图像时钟脉冲信号的频率，它们决定了图像的尺寸以及采样信号中代表图像像素信息的点所处的位置，故只有在获取行频和点频的值之后，才可将电磁泄漏下截取的视频信号进行复原。
电磁泄漏视频信号特征如下：视频信号截获于视频线缆传输时的电磁泄漏，且截获的视频信号采样频率在点频的2倍以上；具体的，该视频信号包含两个信号：与屏幕像素相关的图像时钟脉冲信号，以及与屏幕刷新率相关的行同步信号、场同步信号；根据奈奎斯特定律，对截获的视频信号的采样频率不应低于视频信号点频的2倍，否则将导致采样信号中视频信号缺失所述图像时钟脉冲信号，便无法对视频信号进行复原。
所述图像时钟脉冲信号为包含图像中每一个像素灰度值的随机信号；根据传输介质的不同，图像时钟脉冲信号在传输过程中或为模拟信号，或为数字信号。
所述场同步信号决定屏幕的帧数，即整个屏幕所有像素更新的速度；所述行同步信号决定屏幕中某一行像素更新的速度；获取场同步信号，可将视频信号按帧分为若干图像；获取行同步信号，决定了在排列像素点时每一行含有像素点的个数；行、场同步信号均为脉冲方波。
需要注意的是，只有获取了行同步信号的频率，才可以正确地将视频信号里的图像信息复原；而只要对电磁泄漏视频信号采样的采样时间超过了场同步信号的周期，便可通过图像处理技术将单帧的图像信息还原；所述图像时钟脉冲信号的载波频率为行同步信号的整数倍，所述行同步信号的频率为场同步信号的整数倍。
场同步信号的频率称为场频，根据大多数视频显示设备的实际参数，场频通常在60Hz-150Hz范围内，采样时间在0.02s时通常可获取一到两帧的视频信息；行同步信号的频率称为行频，图像时钟脉冲信号载波的频率称为点频；行频和点频都需对视频信号进行分析才可获取。
其中，行频获取基于对视频信号的频域分析；所述频域分析方法为快速傅里叶分析(FFT)；在频域中会出现以行频为间距的等间隔尖峰，根据该等间隔尖峰的间距即可确定行频。
点频获取基于对视频信号低幅值部分的频域分析；整个视频信号的频域含大量信号的干扰，低幅值的点频信息在频域中不显著，故需先对视频信号进行时域分析，将视频信号中低幅值部分加窗截取；再对截取部分使用FFT获得截取部分信号的频谱值；在结合点频性质后对截取部分信号做频域分析，即可获取点频信息。
具体的，图像呈像又分为三个步骤：图像尺寸计算、获取像素、图像修复；
其中，图像尺寸计算指根据采样信号的采样长度n0及采样频率 Fs得到采样时间t，再根据采样时间t以及点频Fn和行频Fw计算图像时钟脉冲信号的脉冲个数n及行同步信号的脉冲个数w，w是呈像图像的长度，最后根据图像时钟脉冲信号的脉冲个数n及行同步信号的脉冲个数w确认图像的尺寸，计算公式如下：
t＝n0/Fs
n＝Fnt
w＝Fn/Fw
h＝(0.02n/t)/w
其中，n0为采样信号的采样长度，Fs为采样信号的采样频率，t 为采样时间；Fn为点频，n为图像时钟脉冲信号的脉冲个数；Fw为行频，w为呈像图像的长度；h为图像呈像的高度，由0.02s下采样的信号决定；
获取像素值指的是在采样信号中根据点频Fn将图像中各个像素点的值取出，其计算公式如下：
xi＝kXj+b
Figure RE-GDA0002997017880000061
kXmin+b＝0
kXmax+b＝255
其中，xi为第i个图像时钟脉冲的值，Xj为第j个采样信号点的值；floor为取整操作；k和b为一组常数，其组成一个映射使采样信号点的值等比地映射至区间[0，255]内；通过此方式即可将图像中各个像素点的值取出组成一组序列，并根据图像的尺寸信息，即可利用该序列将图像进行呈像；图像修复指将获取像素后的图像呈像中偏移或是扭曲的情况进行修复；所述图像偏移原因在于排列像素时选取的起始点不在行同步信号起始的位置，所述图像扭曲原因在于行频或点频不精确；所述图像偏移可根据图像处理技术进行修复，所述图像扭曲需对获取的行频及点频进行适当调整；将图像偏移及图像扭曲修复后，即可得到视频信号中的图像信息；
依次执行获图像尺寸计算、获取像素、图像修复三个步骤，则可根据行频及点频将采样信号中的视频信号复原，从而获得视频信号中的相关信息。
具体的，图1为本发明将电磁泄漏视频信号转化为图像信息的整体逻辑框图，如图1所示，由电流卡钳从视频线缆处采集的电磁泄漏视频信号通过点频获取及行频获取得到视频信号的点频、行频信息后，再由图像呈像步骤根据信号的点频及行频将电磁泄漏的视频信号恢复为图像信息。
所述点频信息为每一个像素点在视频信号中的频率，所述行频信息为每一行像素点在视频信号中的频率，只有知道了点频和行频才可将视频信号中图像信息各像素从采样信号中提取并排列成图像。
图2为行频获取的步骤。所述行频为视频信号中行同步信号的频率。所述行同步信号为占空比高的时钟脉冲信号，时钟脉冲信号的频谱图像为间隔大小为信号频率的等间隔尖峰。故通过对采样信号进行频谱分析，即可根据时钟脉冲信号的频谱性质获取行频的值。
在对视频信号的电磁泄漏中获取的采样信号进行分析时，具体步骤为：首先对采样信号进行FFT，获得采样信号的频谱图；再对频谱图进行频域分析，寻找频谱图中的等间隔尖峰；最后根据行频性质以及等间隔尖峰的宽度，确定行频的频率。
图3为点频获取的步骤。所述点频为视频信号中图像时钟脉冲信号的频率，故点频决定了每一个像素点在采样信号中的位置。如上所述，时钟脉冲信号的频谱图像为间隔大小为信号频率的等间隔尖峰。根据奈奎斯特定律，采样信号中信号频率最高值为采样频率的一半，由于采样频率低，故在整段采样信号的频谱中无法获取点频信息。故需先对采样信号进行时域分析，再对采样信号时域分析的结果进行频域分析。
考虑到采样信号来源于电磁泄漏，而在电磁泄漏中会含有大量的高幅值低频信号的干扰，故在采样信号的时域中首先找到低幅值部分，再对低幅值部分进行加窗截取，可选的，窗函数为汉宁窗。加窗目的是避免频谱泄漏，以确保截取的信号的频谱信息足够准确。
对信号低幅值部分加窗截取后，再对加窗截取的部分进行FFT，即可通过频域分析获取到点频的待选值。再根据点频与行频之间的关系，即点频为行频的整数倍，可进一步对点频的待选值进行选取。最后多次对采样信号的不同段低幅值部分进行截取，且对截取部分进行频域分析，从而确定点频的值。
图4、图5和图6为本发明图像呈像的具体步骤示意图。其中图 4为本发明图像呈像中图像尺寸计算的步骤，获取图像尺寸之后，即可将获取像素步骤中获取的像素按照图像尺寸依次排列，以实现对图像进行呈像。图5为本发明图像呈像中获取像素的步骤；在通过计算过程得到图像时钟脉冲序列后，再根据图像的尺寸，首先定义一个各个像素灰度值为0的图像，将图像时钟脉冲序列的各值先按照图像行长度的值分段，再将每一段依次排入预定义图像的每一行，最后根据排列的结果，则可得到视频信号的还原图像信息。
图6为本发明图像呈像中图像修复的步骤；所述图像修复指根据获取像素后得到的图像存在的问题对图像进行修复，根据视频信号传输的性质，其图像修复需要面对的问题主要有以下两种：图像扭曲以及图像偏移；
其中，图像扭曲的原因是点频或是行频不准确，而图像偏移的原因在于排列图像时钟脉冲信号时没有把行同步信号起始点排列在呈像图像的行起始位置，以及没有把场同步信号起始点排在图像的第一个点上；
对于图像扭曲的解决方法，即是对行频以及点频进行适当调整，使图像可调整成正常图像；对于图像偏移的解决方法，即是对图像进行一些图像处理操作，譬如切割并重新拼接图像，或是对图像进行翻转、旋转。
图7为本发明低采样率下电磁泄漏视频图像的复原系统模块图，如图7所示，包括：
图像获取模块701，用于获取视频线缆传输时电磁泄漏的视频图像；
采样频率、行频和点频获取模块702，用于获取所述视频图像的采样频率、行频和点频；
尺寸计算模块703，用于根据所述行频和点频计算所述视频图像的尺寸；
像素计算模块704，用于根据所述采样频率和点频计算所述视频图像的像素值；
图像复原模块705，用于根据所述尺寸和像素值对所述视频图像进行复原。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种低采样率下电磁泄漏视频图像的复原方法，其特征在于，包括：
获取视频线缆传输时电磁泄漏的视频图像；
获取所述视频图像的采样频率、行频和点频；
根据所述行频和点频计算所述视频图像的尺寸；
根据所述采样频率和点频计算所述视频图像的像素值；
根据所述尺寸和像素值对所述视频图像进行复原；
其中，所述视频图像的采样频率为所述点频的两倍以上；
采用FFT和频域分析对所述视频图像进行处理，得到所述行频；在频域中会出现以行频为间距的等间隔尖峰，根据该等间隔尖峰的间距即可确定行频；
采用时域分析、FFT和频域分析对所述视频图像进行处理，得到所述点频；点频获取基于对视频信号低幅值部分的频域分析；整个视频信号的频域含大量信号的干扰，低幅值的点频信息在频域中不显著，故需先对视频信号进行时域分析，将视频信号中低幅值部分加窗截取；再对截取部分使用FFT获得截取部分信号的频谱值；在结合点频性质后对截取部分信号做频域分析，即可获取点频信息；
采用公式w＝Fn/Fw计算所述视频图像的长度，其中，Fn为点频，Fw为行频，w为视频图像的长度；
采用公式h＝0.02Fn/w计算所述视频图像的高度，其中，h为视频图像的高度，Fn为点频，w为视频图像的长度；
获取所述像素值指的是在采样信号中根据点频Fn将图像中各个像素点的值取出，其计算公式如下：
xi＝kXj+b
Figure FDA0003591394700000011
kXmin+b＝0
kXmax+b＝255
其中，xi为第i个图像时钟脉冲的值，Xj为第j个采样信号点的值；floor为取整操作；Fs为采样信号的采样频率；k和b为一组常数，其组成一个映射使采样信号点的值等比地映射至区间[0，255]内；通过此方式即可将图像中各个像素点的值取出组成一组序列，并根据图像的尺寸信息，即可利用该序列将图像进行呈像。
2.根据权利要求1所述的低采样率下电磁泄漏视频图像的复原方法，其特征在于，所述根据尺寸和像素值对所述视频图像进行复原步骤之后，还包括：
当复原后的图像出现偏移或者扭曲时，对复原后的图像进行图像修复。
3.一种低采样率下电磁泄漏视频图像的复原系统，其特征在于，包括：
图像获取模块，用于获取视频线缆传输时电磁泄漏的视频图像；
采样频率、行频和点频获取模块，用于获取所述视频图像的采样频率、行频和点频；
尺寸计算模块，用于根据所述行频和点频计算所述视频图像的尺寸；
像素计算模块，用于根据所述采样频率和点频计算所述视频图像的像素值；
图像复原模块，用于根据所述尺寸和像素值对所述视频图像进行复原；
其中，所述视频图像的采样频率为所述点频的两倍以上；
采用FFT和频域分析对所述视频图像进行处理，得到所述行频；在频域中会出现以行频为间距的等间隔尖峰，根据该等间隔尖峰的间距即可确定行频；
采用时域分析、FFT和频域分析对所述视频图像进行处理，得到所述点频；点频获取基于对视频信号低幅值部分的频域分析；整个视频信号的频域含大量信号的干扰，低幅值的点频信息在频域中不显著，故需先对视频信号进行时域分析，将视频信号中低幅值部分加窗截取；再对截取部分使用FFT获得截取部分信号的频谱值；在结合点频性质后对截取部分信号做频域分析，即可获取点频信息；
采用公式w＝Fn/Fw计算所述视频图像的长度，其中，Fn为点频，Fw为行频，w为视频图像的长度；
采用公式h＝0.02Fn/w计算所述视频图像的高度，其中，h为视频图像的高度，Fn为点频，w为视频图像的长度；
获取所述像素值指的是在采样信号中根据点频Fn将图像中各个像素点的值取出，其计算公式如下：
xi＝kXj+b
Figure FDA0003591394700000031
kXmin+b＝0
kXmax+b＝255
其中，xi为第i个图像时钟脉冲的值，Xj为第j个采样信号点的值；floor为取整操作；Fs为采样信号的采样频率；k和b为一组常数，其组成一个映射使采样信号点的值等比地映射至区间[0，255]内；通过此方式即可将图像中各个像素点的值取出组成一组序列，并根据图像的尺寸信息，即可利用该序列将图像进行呈像。
4.根据权利要求3所述的低采样率下电磁泄漏视频图像的复原系统，其特征在于，还包括复原模块，用于当复原后的图像出现偏移或者扭曲时，对复原后的图像进行图像修复。
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