基于可逆性的图像信息隐藏系统设计

张春玉

摘  要： 传统图像信息处理系统已无法满足日益复杂的图像信息，故设计基于可逆性的图像信息隐藏系统。通过图像采集模块采集待处理图像后发送至FIFO存储模块，FIFO存储模块存储图像信息并发送至S3C44BOX型AMR处理器，AMR处理器中的数据处理模块对图像实施灰度拉伸处理，拉伸处理后对图像实施阈值分割处理，利用可逆信息隐藏算法隐藏图像信息，经过逆运算提取隐藏图像信息并利用LCD显示模块输出图像。图像信息处理过程是通过数据通信模块，利用PCI接口完成图像信息处理系统与计算机交互，实现图像信息处理系统的图像信息处理功能。实验结果表明，采用该系统可有效处理图像信息，并且处理10幅图像信息平均隐藏容量高达9 558.2 bit，输出图像信噪比高于45 dB，处理速率最高达4.251 Gb/s，充分验证了该系统的有效性。

关键词： 图像信息隐藏; 系统设计; 图像采集; 信息处理; 灰度拉伸; LCD显示

中图分类号： TN911.73?34; TP368                文献标识码： A                     文章编号： 1004?373X（2020）22?0140?04

Abstract： As the traditional image information processing systems have been unable to meet increasingly complex image information， an image information hiding system based on reversibility is designed. The image acquisition module is used to collect the image to be processed and send it to the FIFO storage module. The FIFO storage module is used to store the image information and send it to the S3C44BOX AMR processor. The data processing module of AMR processor is used to implement the gray stretch processing on the image， and then carry out the threshold segmentation processing. The image information is hidden by means of the reversible information hiding algorithm， and the hidden image information is extracted by means of the inverse operation and outputted by the extract the LCD display module. In the process of image information processing， the interaction between image information processing system and computer is realized by the PCI interface and the data communication module， so as to realize the image information process function of the image information system. The experimental results show that the system can effectively process image information， the average hidden capacity of processing 10 images information is as high as 9 558.2 bit， the signal?to?noise ratio of the output image is higher than 45 dB， and the processing speed up to 4.251 Gb/s， which fully verifies the effectiveness of the system.

Keywords： image information hiding; system design; image collection; information processing; gray stretch; LCD display

圖像信息处理系统是随着科学技术以及图像技术发展而诞生，近年来发展极为迅速，可实现图像各种信息处理。科技水平不断提升使人类对于图像信息处理需求不断增加，高性能的图像信息处理系统是目前图像处理领域的重点研究方向。信息隐藏是指将所需隐藏的信息通过特殊载体在传输，令信息通过隐藏方式传输至目的地。图像作为特殊载体传输信息过程中会发生改变，所需隐藏信息将因图像载体在的改变而改变，使所隐藏信息无法完整提取。一些军事图像或医学图像对图像中隐藏信息要求极为严格[1]，若隐藏信息发生改变将会带来巨大影响。基于以上问题相关学者研究可逆信息隐藏算法，并设计了相关系统。目前常用的图像信息处理系统主要有基于云计算的图像信息处理系统和基于分层架构的图像信息处理系统。虽然上述方法可以将隐藏信息安全地隐藏于图像中，并且能够提取图像中所包含的完整的原始图像信息，但是现有系统在处理图像中的隐藏信息时，隐藏容量较低，并且输出图像的信噪比较低，处理效果不佳[2?3]。

为了解决传统系统存在的问题，本文设计基于可逆性的图像信息隐藏系统，将可逆信息隐藏算法应用于图像信息处理系统中，提升图像处理速度与传输速度，并保证图像信息处理的安全性。

1  系统总体设计

将ARM处理器与可逆信息处理算法应用于图像信息处理系统中，基于可逆性的图像信息隐藏系统总体结构图如图1所示。

系统利用图像采集模块采集图像信息，利用ARM处理器通过可逆信息隐藏算法实现图像信息隐藏，通过串口和以太网实现数据通信[4]，获取最终图像隐藏信息后通过SD卡模块实现数据存储。系统的整体数据通信利用数据通信模块实现。

1.1  系统硬件设计

1.1.1  ARM处理器

数据处理模块是图像信息处理系统ARM处理器的核心模块，图像数据处理模块利用可逆信息隐藏算法实现图像信息处理。图像信息处理系统需要极高的图像识别与跟踪性能，具有较高的实时性和可靠性才可实现大量图像信息处理运算。将Altera公司的Cyclone系列可编程逻辑芯片与S3C44BOX型ARM处理器相结合，ARM处理器选取的S3C44BOX型ARM，处理器是具有高性价比的微型控制器，利用ARM处理器实现图像的预处理、叠加、信息隐藏，提升图像信息处理系统的灵活性与可扩展性能[5]。此外，图像信息处理系统总线结构利用SAMBALL进行设置。图2为ARM处理器模块结构图。

1.1.2  LCD模块

通过LCD模块实现图像信息处理系统的人机交互，LCD模块中的LCD显示屏具有触摸功能，使LCD模块接口与S3C44BOX处理器接口连接实现图像信息处理数据的实时显示[6]。利用ADS78432控制器控制LCD触摸屏应用，通过四线电阻式触摸屏控制算法实现触摸屏控制。图3为LCD模块结构图。

1.1.3  数据通信模块

通过数据通信模块实现图像数据传送，数据通信模块可实现多芯片通信，利用以太网数据传送接口与高速串行接口实现图像信息处理系统的数据通信。

数据通信模块利用PCI接口实现图像信息处理系统与计算机的信息交互。PCI接口是系统硬件的数据交换与控制中心，通过通信接口模块接收图像信息处理系统与各设备驱动的命令和数据，通信接口模块完成系统中各个模块的协调工作[7]，实现系统图像信息处理。PCI通信接口模块将采集的图像信息与系统处理后的数据利用PCI总线发送至通用PC，选取PLX公司的PCI9030作为通信数据模块的接口芯片。图4为数据通信模块的电路图。

1.2  系统软件设计

1.2.1  可逆信息隐藏算法

灰度图像直方图中的图像像素点最小值通常分布于图像两侧[8]，图像中连续出现零值点。利用图像像素具有的以上分布特性通过基于直方图修改的可逆信息隐藏算法实现图像信息的可逆隐藏功能。

基于直方图修改的可逆信息隐藏步骤如下：

1） 寻找灰度直方图图像中的一个最大点[Ng]以及一组零点[Nf1]，[Nf2]，…，[Nfm]，最大点与零点分别为对应的像素点个数最多的灰度值[fi]以及像素点数量为空的对应灰度值。其中，[i=1，2，…，m]。当图像中不具有零点时，用最小点代替零点。

2） 设图像直方图中一个最大值点可隐藏比特位数量为[n]，且[n≤4]，可得利用最大值点隐藏图像直方图信息的连续零点值需要数量[m]以及比特位数关系，见表1。

3） 依次扫描图像全部像素点后实现图像信息隐藏。

4） 将隐藏信息后图像的峰值信噪比与原始图像峰值信噪比相减，当结果不符合图像信息隐藏要求时，则返回至步骤2）。将隐藏位数增加后再次扫描，直至图像质量与峰值信噪比符合图像信息隐藏要求为止。

提取异常图像信息的过程为以上图像信息隐藏的逆过程，该算法可有效隐藏图像信息，并将隐藏信息通过逆运算提取[13]。提取图像隐藏信息后，恢复图像至原始状态，可逆信息隐藏算法运算过程中需要重视以下问题：

1） 为了提升图像信息隐藏的鲁棒性以及图像质量，设置隐藏信息位数小于等于4，其原因是图像像素点第3～第5位修改像素时，可获取最优的隐藏效果[14]。

2） 图像的峰值点应在像素值处于灰度值允许范围内时实施加减法。

1.2.2  系统实现流程

利用可调用函数编写基于可逆性的图像信息隐藏系统，实现图像信息隐藏处理。系统处理图像信息任务流程如图5所示。

分析图5可知，基于可逆性的图像信息隐藏系统利用FIFO存储器采集图像信息后，对图像实施灰度拉伸处理，拉伸处理后对图像实施阈值分割处理[15]，并利用ARM处理器通过可逆信息隐藏算法隐藏图像信息，经过逆运算提取隐藏图像信息并输出图像，实现图像信息处理系统的图像信息处理。

2  實验分析

为了检测本文设计基于可逆性的图像信息隐藏系统处理图像的有效性，在CPU为英特尔i9 990k酷睿八核，内存为8 GB的计算机中，利用Matlab仿真平台调用函数编程本文系统，采用本文系统处理数字化图像处理常用的标准测试图片集合中的10幅经典图像。

统计采用本文系统处理10幅图像信息的隐藏容量，并将本文系统与云计算系统及分层架构系统对比，对比结果如表2所示。

通过表2实验结果可以看出，采用本文系统处理10幅不同图像，隐藏图像信息容量明显高于云计算系统以及分层架构系统，其处理10幅图像信息平均隐藏容量高达9 558.2 bit;而采用云计算系统以及分层架构系统处理10幅图像平均隐藏容量仅为5 478.7 bit以及5 697.3 bit。因为本文系统采取高效的可逆信息隐藏算法实现图像信息隐藏，隐藏容量明显高于另外2种系统，充分验证了本文系统的优越性。

統计采用本文系统处理10幅图像信息后图像的信噪比，并将本文系统与云计算系统及分层架构系统进行对比，对比结果如表3所示。

由表3实验结果可以看出，采用本文系统处理10幅图像信息输出图像信噪比明显高于另外2种系统。采用本文方法处理10幅图像信息，输出图像信噪比均高于45 dB，说明本文系统不仅可有效处理图像信息，并且处理后输出图像信噪比较高，输出图像质量较好。再次验证本文系统对图像信息的处理性能。

3  结  论

图像信息处理是图像处理领域中极为重要的部分。本文设计基于可逆性的图像信息隐藏系统，将可逆信息隐藏算法应用于图像信息处理系统。通过实验结果验证，采用该系统处理图像信息可在较低成本前提下具有较高的图像信息处理效率，并且具有良好的处理性能，可应用于不同类型图像信息实际处理要求。

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