CN113923312A - 一种基于无线通信的数字图像编码层鲁棒可逆水印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于无线通信的数字图像编码层鲁棒可逆水印方法，首先发送端结合所使用的发送方式、编码方案、信道特征等进行秘密信息嵌入容量的分析反馈；随后其对待传输的载体和秘密信息进行信道编码，并通过编码重分块，伪随机加扰等操作进行预处理；在得到预处理后的载体和秘密信息后，发送端通过一轮随机位置嵌入和多轮近似均匀的循环移位嵌入将秘密信息隐藏在编码后的载体比特流中；接收端在收到伪装载体比特流后，一方面可以在解码前依据密钥从接收到的比特流中提取秘密信息，也可以直接进行逆预处理步骤和解码，恢复出原始的载体信息。

Description

一种基于无线通信的数字图像编码层鲁棒可逆水印方法
技术领域
本发明属于信息安全技术领域，尤其涉及鲁棒可逆水印在新载体上的应用，具体涉及一种基于无线通信的数字图像编码层鲁棒可逆水印方法。
背景技术
由于信息技术和互联网的不断发展，数字图像已经成为各个领域交流信息，获取信息的重要载体。与此同时，数字信息面临的安全性威胁越来越大，因此人们对个人隐私保护的需求也不断提高。相对于加密技术通过将明文转换成密文进行传输来保证其安全性的方案，信息隐藏技术旨在将秘密信息隐藏在可以公开传输的载体中，不引起窃听者的注意，保证秘密信息的不可感知性。可逆数字水印技术是信息隐藏技术的一个分支，其要求保证接收者在能无差错提取秘密信息的前提下，无损恢复载体信息。由于潜在攻击者的存在，可逆信息隐藏方法的鲁棒性仍需提高。在此情况下，研究者提出了鲁棒可逆数字水印来增强方法抵抗图像处理攻击的能力。这种方法具有可逆数字水印方法可以无损恢复载体和秘密信息的特点，同时在传输的信息遭到恶意攻击的情况下，秘密信息仍然可以被无损还原。
为了保证方法的鲁棒性，大部分鲁棒可逆数字水印方案需要在直方图中通过扩展和平移为所嵌入的秘密信息腾出大量的空间。由于该方案较大的移位幅度，嵌入秘密信息后载体图像会产生一定的失真。此外，方法在嵌入过程中会生成溢出现象。为了使秘密信息能够无损还原，发送端需要对特定的像素进行标记，生成位置地图。这就要求存在另一个安全信道用来传输额外的信息。
在实际的无线通信系统中，由于监听者的存在，信息传输方很难获得一个完全安全的信道用来传输嵌入时产生的额外信息。此外，载体信息传输时，信道中存在的噪声会对所传输的图像带来影响，这可能会导致先前嵌入的秘密信息被干扰，令接收端无法完整且正确地还原出所嵌入的秘密信息。从这个角度来说，设计一个数字图像的无线信道信息隐藏方法是很有必要的。目前，随着无线通信方案的不断普及，人们越来越多地使用移动设备传输信息，这就给信道编码信息隐藏方案带来了广阔的应用前景。
基于信道编码的隐蔽信道可以在军事、物联网设备，甚至是一些企业应用中建立。通信设备的管理者可以利用特定的方案在用户之间的通信过程中嵌入额外的信息，用于记录或追踪用户的行为。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，正是针对现有技术中的缺陷，为实现秘密信息在信道中的安全，隐蔽的传输，提出了无线通信场景下针对数字图像的编码层鲁棒可逆水印方法。
为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：
本发明提出一种基于无线通信的数字图像编码层鲁棒可逆水印方法，包括如下步骤：
S1,嵌入容量分析反馈：发送端T基于信道编码和发送方式的特性计算嵌入容量和信道的信噪比的关系，由此确定在固定的载体下能够嵌入的秘密信息位数，并决定是否将秘密信息分批发送；
S2,载体信息和秘密信息预处理：发送端T将载体信息和秘密信息进行信道编码，并对载体信息进行编码重分块和置乱操作，对秘密信息进行伪随机加扰，与此同时，发送端T应确定和计算后续过程中所使用的必要的参数，以便于后续隐蔽信道的构建；
S3,秘密信息嵌入：发送端T利用预处理时所使用的参数，并生成位置选择序列和方向控制序列决定每个秘密信息比特的嵌入位置，秘密信息在一轮嵌入和多轮嵌入时分别采取随机嵌入和近似均匀的循环移位嵌入，并通过比特替换的方式被完整地嵌入载体比特流中；
S4，载体和秘密信息还原：接收端R在收到伪装载体后，可以在信道解码之前通过约定的密钥提取含有噪声的秘密信息，并通过逆预处理步骤无损还原秘密信息，同时也可以对伪装载体比特流进行信道解码，直接还原原始的载体信息。
本发明的步骤S1进一步包括：
S11，发送端T通过所使用的信道编码参数和发送方式计算载体的嵌入容量和信道中信噪比的关系；
S12，发送端T获取无线信道中的信噪比信息，并通过S11中得到的关系确定该信道状态下最大可以嵌入的秘密信息长度，也称其为最大嵌入容量；
S13，发送端T根据S12中得到的最大嵌入容量对所需嵌入的秘密信息进行合理分割，保证每次发送的秘密信息长度在最大嵌入容量内。
本发明的步骤S2进一步包括：
S21，发送端T将信道编码后的载体信息重分割成块，在后续嵌入时以“块”作为基本单元；
S22，发送端T生成一串和纠错编码后的秘密信息长度一致的随机比特流序列S1，通过使该比特流和秘密信息进行异或来加密待传输的秘密信息；
S23，发送端T生成置乱密钥，用以对所有块的位置进行随机置乱，由此生成预处理后的载体信息比特流，此时，如果载体信息比特流的末尾存在没有组成块的部分，则其不参与置乱。
本发明的步骤S3进一步包括：
S31，发送端T首先生成位置选择序列和方向控制序列，用于控制秘密信息的嵌入位置；
S32，发送端T判断秘密信息长度和分块数的大小关系，如果秘密信息长度大于分块数，则需进行多轮嵌入，在嵌入中，第一轮由S31中的位置选择序列和方向控制序列随机决定秘密信息比特嵌入位置，需要嵌入第二轮及以上时，发送端依据前一轮嵌入的位置，同时加入随机扰动，采用近似均匀的循环移位方案决定此轮的嵌入位置，以此使得秘密信息带来的噪声在分布上近似于信道中的自然噪声；
S33，在确定嵌入位置后，发送端T使用比特替换的方式将载体中指定位置的比特替换为秘密信息比特。
本发明的步骤S4进一步包括：
S41，接收端R获取发送端T使用的参数，并生成和发送端T在S31中得到的相同的位置选择序列和方向控制序列；
S42，接收端R在对信道中的比特流进行信道解码之前，使用所获得的参数和序列进行多轮次的提取，以获取含有噪声的秘密信息；
S43，接收端R在获取含有噪声的秘密信息后，对该比特流实施逆预处理操作，使其恢复为发送端T需要传输的秘密信息；
S44，接收端R在提取秘密信息后对信道中的比特流进行置乱还原和信道解码，以无损地获取原始的载体图像。
本发明采用以上技术方案，与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明方案具有普适性，其无需基于任何特定的协议，且由于纠错编码固有的特性，可以适用于绝大部分的通信场景中。相比传统的隐写方案，在信道中构建的隐蔽信道使得秘密信息在经过含噪信道传输后能够得到更好的恢复，此外，在信道中的信息隐藏具有更大的嵌入容量。
同时，目前人们大多使用多天线系统传输无线信号。在多天线系统中，通过分集技术，信号在瑞利信道中的差错将会被进一步减少，因此发送端可以将更多的秘密信息嵌入到信道编码中。因此，本发明所公布的一种基于无线通信的数字图像编码层鲁棒可逆水印方法从原理上具有更好的鲁棒性，可恢复性，以及隐蔽性。
附图说明
图1是基于无线通信的数字图像编码层鲁棒可逆水印方法实现步骤。
图2是编码层鲁棒可逆水印方法整体流程图。
图3是编码层秘密信息嵌入流程图。
图4是编码层秘密信息提取流程图。
图5是多轮嵌入时秘密信息具体隐藏方法示意图。
具体实施方式
以下将结合附图和实施例，对本发明进行较为详细的说明。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
首先，作为本发明提出的一个技术原理是：由于信道中存在噪声，结合信道编码的冗余性，秘密信息的传输者可以将经过预处理的秘密信息作为噪声的一部分嵌入信道编码的载体数据流中。只要秘密信息和信道干扰造成的总误码小于信道编码的纠错能力，就可以在接收端准确提取秘密信息，同时也可以通过信道解码获得载波信息。基于纠错编码的信息隐藏方案无需针对特定的协议，且由于纠错编码固有的特性，该方案可以适用于绝大部分的通信场景中。
相比传统的隐写方案，在信道中构建的隐蔽信道使得秘密信息在经过含噪信道传输后能够得到更好的恢复，此外，在信道中的信息隐藏具有更大的隐藏容量。由于在通信过程中纠错编码原理上的冗余性，发送端可以将秘密信息作为噪声嵌入编码中。一方面接收端在解码前可以还原出秘密信息，另一方面对于不知道该信号中包含秘密信息的合法接收者来说，只要所嵌入的秘密信息和信道中噪声带来的总误码小于纠错编码的纠错能力，则其可以正常接收到原始的载体信息。
基于以上分析，本发明提出一种基于无线通信的数字图像编码层鲁棒可逆水印方法。
实施例1
本方案中的符号及其定义如表1所示：
表1
符号 定义
T 发送端
R 接收端
M 信道编码后的秘密信息长度
P<sub>d</sub> 嵌入的秘密信息比特和嵌入位置比特的差异概率
P<sub>e</sub> 传输信道的误比特率
C 信道编码后的载体信息长度
C<sub>0</sub> 未编码的载体信息长度
(n<sub>1</sub>，k<sub>1</sub>，t<sub>1</sub>) 对载体信息所使用的信道编码参数
(n<sub>2</sub>，k<sub>2</sub>，t<sub>2</sub>) 对秘密信息所使用的纠错编码参数
n<sub>B</sub> 重新分块后的总块数
g 每块中包含的信道编码分组数
S<sub>X</sub> 方法流程中所使用的序列(X表示序列编号)
s<sub>Xi</sub> 序列S<sub>X</sub>中的第i位
m<sub>i</sub> 第i位编码后的秘密信息
m′<sub>i</sub> 第i位预处理后的秘密信息
l<sub>i</sub> 第i位秘密信息的嵌入位置
c′<sub>i</sub> 嵌入后的第i位载体比特流
l<sub>o</sub> 在上一轮嵌入中秘密信息的嵌入位置
l<sub>n</sub> 本轮嵌入中秘密信息的嵌入位置
α 随机扰动
L 移位长度
mod(*) 取余运算
r<sub>p</sub> 提取秘密信息时的当前轮次
e<sub>i</sub> 第i位提取的秘密信息
n<sub>round</sub> 秘密信息需要被嵌入的轮数
如图1结合图2所示，一种基于无线通信的数字图像编码层鲁棒可逆水印方法，包括如下的步骤：
(1)发送端T基于信道编码和发送方式的特性计算嵌入容量和信道的信噪比的关系，由此确定嵌入步骤所嵌入的秘密信息位数，并决定是否将秘密信息分批发送；
在这种框架下，发送端需要保证由于秘密信息嵌入和信道干扰所造成的总误码效应小于编码的纠错能力。这可以用如下公式表示：
MPd-MPdPe+M(1-Pd)Pe+(C-M)Pe≤编码纠错能力
则在分组码中，当所嵌入的秘密信息和对应位置的载体比特完全相反时，最大可嵌入的秘密信息长度可以表示为：
Figure BDA0003285657080000061
基于这种计算方式，发送端T应获取信道的误码率信息，并选取合适的载体以及所使用的信道编码方案，从而令秘密信息可以被完整地嵌入载体信息中。在所传输的秘密信息长度小于最大嵌入容量时，接收端R可以无损恢复秘密信息和原始载体图像。如果待发送秘密信息长度超过确定载体的最大嵌入容量，则发送端T应该将秘密信息进行分组，以保证原始的载体图像和秘密信息具有足够的可恢复性。
(2)发送端T将载体信息和秘密信息进行信道编码，并对载体信息和秘密信息进行预处理；
发送端T需要首先对载体比特流和秘密信息进行编码，使之符合无线信道的传输条件，并提高其应对信道噪声的能力。为了使得接收端R能够最大程度地还原秘密信息和原始载体图像，发送端T需要对载体图像比特流和待嵌入的秘密信息进行预处理。同时，对于载体信息比特流和秘密信息比特流所进行的预处理步骤可以使得所提出的方法具有更高的隐蔽性和鲁棒性。
步骤(2)包括如下的子步骤：
(2.1)发送端T将待发送的载体图像和秘密信息进行信道编码。
(2.2)发送端T对编码后的载体比特流进行分块。以分组码为例，整个比特流被分为nB块，其中每块包含g个信道编码分组。此时，发送端T可以计算需要进行的嵌入轮数
Figure BDA0003285657080000062
其中
Figure BDA0003285657080000063
表示向上取整。
(2.3)发送端T生成一串具有M位的随机比特流S1，其中的每个比特记为s1i。随后对编码后的秘密信息进行加密。加密过程即是对生成的随机比特流和秘密信息实施异或操作，并生成预处理后的秘密信息比特流。
(2.4)发送端T生成置乱密钥，并生成置乱序列S2用以对所有块的位置进行随机置乱，并生成预处理后的载体信息比特流。需要注意的是，如果载体信息比特流的末尾存在没有组成块的分组，则其不参与置乱。
(3)发送端T对预处理后得到的载体比特流和秘密信息进行操作，生成位置选择序列和方向控制序列决定每个秘密信息比特的嵌入位置。参考图5所示，秘密信息在一轮嵌入和多轮嵌入时采取不同的嵌入策略，并通过比特替换的方式被完整地嵌入载体比特流中。
步骤(3)即是对步骤(2)中所得到的预处理后的载体信息比特流进行秘密信息的嵌入，参考图3所示，包括如下的子步骤：
(3.1)发送端T首先生成位置选择序列
Figure BDA0003285657080000071
和方向控制序列
Figure BDA0003285657080000072
分别控制秘密信息在初次嵌入某块的位置和多轮嵌入时移位的方向，其中有s3i∈{1,2,…,n1g}，且s4i∈{0,1}。根据编码后的秘密信息长度M和载体信息块数nB的大小关系，秘密信息的嵌入步骤略有不同，分别如(3.2)和(3.3)；
(3.2)当M≤nB时，秘密信息在nround＝1的前提下进行嵌入。秘密信息嵌入的具体流程如下：
a)发送端T将S3和S4截取至前M位，作为此次嵌入时所使用的新的位置选择序列和方向控制序列；
b)发送端T根据新生成的S3和S4确定秘密信息在载体比特流中的嵌入位置。假设原始载体图像使用参数为(n1,k1,t1)的分组码进行编码，则第i位秘密信息的嵌入位置可以表示为：
Figure BDA0003285657080000073
c)发送端T根据已经确定的嵌入位置在载体信息比特流上进行比特替换，使秘密信息被完整嵌入到载体比特流中。对于第i位秘密信息来说，嵌入过程可以表示为
Figure BDA0003285657080000074
(3.3)当M＞nB时，发送端T应使用近似均匀的循环移位方案对秘密信息进行完整嵌入。秘密信息嵌入的具体流程如下：
a)在第一轮嵌入中，发送端T根据(3.1)中所生成的S3和S4的前nB位确定第一轮嵌入中秘密信息在载体比特流中的嵌入位置。假设原始载体图像使用参数为(n1,k1,t1)的分组码进行编码，则第一轮中第i位秘密信息的嵌入位置可以表示为：
Figure BDA0003285657080000081
b)发送端T计算循环移位长度
Figure BDA0003285657080000082
以此作为不同轮次嵌入时位置移动的依据，由此减少重新生成密钥的存储开销。其中，α表示随机扰动幅度。这样的循环移位长度可以使得接收端R还原载体信息时可以最大程度地利用信道编码的纠错能力，而加入的随机扰动α可以使所嵌入的秘密信息在统计上近似于信道的自然噪声，以达到更高的隐蔽性；
c)当嵌入轮次大于1时，发送端T需要通过前一轮嵌入的位置来确定新的嵌入位置。令秘密信息在前一轮每组中的嵌入位置为lo，则对于本轮嵌入中的第i位秘密信息mi′来说，可以计算其在相同分组中新的嵌入位置ln：
Figure BDA0003285657080000083
d)发送端T根据已经确定的嵌入位置在载体信息比特流的对应位置上进行比特替换。对于当前轮次中第i位预处理后的秘密信息mi′来说，其嵌入规则为：
Figure BDA0003285657080000084
(4)：接收端R在接收到无线信道中的信息后，需要对原始载体图像和秘密信息进行还原。
接收端R可以在信道解码之前通过约定的密钥提取秘密信息，同时也可以对伪装载体比特流进行信道解码，直接还原原始的载体信息。参考图4所示，步骤(4)包含如下的子步骤：
(4.1)接收端R获取通过信道传输的比特流。同时取得发送端T所使用的密钥，并生成其所有使用的序列S1，S2，S3和S4。除此之外，接收端R应在解码前获取发送端进行嵌入时所使用的参数，包括对载体信息和秘密信息所进行的信道编码参数，随机扰动α，嵌入轮数nround，以及信道编码方式以及一个块内含有的信道编码分组数g；
(4.2)接收端R应在对信道中的比特流进行解码前提取秘密信息。在第rp轮提取中，对于第i位提取出的信息ei有：
Figure BDA0003285657080000091
以此得到预处理后的秘密信息；
(4.3)接收端R应对在(4.2)中获得的序列进行逆预处理操作。首先利用随机比特流S1和预处理后的秘密信息，生成经过纠错编码的秘密信息。随后接收端R对得到的比特流进行纠错译码，即可以恢复原始的秘密信息；
(4.4)接收端R在获取发送端T期望传输的秘密信息后，应对直接接收到的信道比特流利用置乱序列S2进行分块位置还原。随后，接收端R可以对还原位置后的载体比特流应用信道解码，则可以恢复原始的载体信息。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于无线通信的数字图像编码层鲁棒可逆水印方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、嵌入容量分析反馈：发送端基于信道编码和发送方式的特性计算嵌入容量和信道的信噪比的关系，由此确定在固定的载体下能够嵌入的秘密信息位数，并决定是否将秘密信息分批发送；
S2、载体信息和秘密信息预处理：发送端将载体信息和秘密信息进行信道编码，并对载体信息进行编码重分块和置乱操作，对秘密信息进行伪随机加扰；
S3、秘密信息嵌入：发送端利用预处理时所使用的参数，生成位置选择序列和方向控制序列决定每个秘密信息比特的嵌入位置，秘密信息在一轮嵌入和多轮嵌入时分别采取随机嵌入和近似均匀的循环移位嵌入，并通过比特替换的方式被完整地嵌入载体比特流中；
S4、载体和秘密信息还原：接收端在收到伪装载体后，在信道解码之前通过约定的密钥提取含有噪声的秘密信息，并通过逆预处理步骤无损还原秘密信息；或者对伪装载体比特流进行信道解码，直接还原原始的载体信息。
2.如权利要求1所述的一种基于无线通信的数字图像编码层鲁棒可逆水印方法，其特征在于，步骤S1具体包括：
S11、发送端通过所使用的信道编码参数和发送方式计算载体的嵌入容量和信道中信噪比的关系；
S12、发送端获取无线信道中的信噪比信息，并通过S11中得到的关系确定该信道状态下最大可以嵌入的秘密信息长度，即最大嵌入容量；
S13、发送端根据S12中得到的最大嵌入容量对所需嵌入的秘密信息进行合理分割，保证每次发送的秘密信息长度在最大嵌入容量内。
3.如权利要求2所述的一种基于无线通信的数字图像编码层鲁棒可逆水印方法，其特征在于，步骤S2具体包括：
S21、发送端将信道编码后的载体信息重分割成块，在后续嵌入时以块作为基本单元；
S22、发送端生成一串和纠错编码后的秘密信息长度一致的随机比特流序列，通过使该比特流和秘密信息进行异或来加密待传输的秘密信息；
S23、发送端生成置乱密钥，用以对所有块的位置进行随机置乱，由此生成预处理后的载体信息比特流，若载体信息比特流的末尾存在没有组成块的部分，则其不参与置乱。
4.如权利要求3所述的一种基于无线通信的数字图像编码层鲁棒可逆水印方法，其特征在于，步骤S3具体包括：
S31、发送端首先生成位置选择序列和方向控制序列，用于控制秘密信息的嵌入位置；
S32、发送端判断秘密信息长度和分块数的大小关系，如果秘密信息长度大于分块数，则需进行多轮嵌入，在嵌入中，第一轮由S31中的位置选择序列和方向控制序列随机决定秘密信息比特嵌入位置，当需要嵌入第二轮及以上时，发送端依据前一轮嵌入的位置，同时加入随机扰动，采用近似均匀的循环移位方案决定此轮的嵌入位置，以此使得秘密信息带来的噪声在分布上近似于信道中的自然噪声；
S33、在确定嵌入位置后，发送端使用比特替换的方式将载体中指定位置的比特替换为秘密信息比特。
5.如权利要求4所述的一种基于无线通信的数字图像编码层鲁棒可逆水印方法，其特征在于，步骤S4具体包括：
S41、接收端获取发送端使用的参数，包括信道编码、重分块时使用的参数，以及嵌入步骤生成的随机扰动参数，生成和发送端在S31中得到的相同的位置选择序列和方向控制序列；
S42、接收端在对信道中的比特流进行信道解码之前，使用所获得的参数和序列进行多轮次的提取，以获取含有噪声的秘密信息；
S43、接收端在获取含有噪声的秘密信息后，对该比特流实施逆预处理操作，使其恢复为发送端需要传输的秘密信息；
S44、接收端在提取秘密信息后对信道中的比特流进行置乱还原和信道解码，以无损地获取原始的载体图像。
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