电台,特别是军用电台,在通讯中只希望信息接受者能收列通讯的内容,即保证通信消息是秘密的,传统的做法是用密码学的加密技术将通信的内容进行加密,没有密钥的其他接受者不能理解通信的内容。由于信息在加密后表现为一堆乱码,容易引起拦截者注意和破解欲望,内容一旦被破解就不再有保护作用了,同时即使拦截者不能缓解,也能成功地拦截秘密信息或干扰通讯的进行,为此我们提出了一种新的电台加密技术,即利用数字水印将秘密信息嵌入到普通载体中进行传递,以达刭保护秘密信息、迷惑非法拦截者的目的。

一、数字水印的概念及系统模型

所谓数字水印技术是描在声音,图像或视频等数字化的数据中嵌入隐蔽的信息,这些信息通常是不可见的,不能被人的视觉感知系统觉察或注意到,只有通过专用的检测器器或阅读器才能提取。通过这些隐藏在多媒体内容中的信息,可以达到确认内容创建者,购买者或判断内容是否真实完整的目的。

数字水印是信息隐藏技术研究领域的重要分支,它通过在原始数据中嵌入秘密信息—水印,来证实该数据的所有权、验证数据的完整性、跟踪数据的来源、控制数据的使用。秘密信息的传递等,根据信息隐藏的目的和要求,数字水印具有以下基本特征:

1、隐藏性

水印信息和源数据集成在一起,不改变数据的存储空间,并且源数据必须没有明显的改变现象。

2、鲁棒性

指嵌入水印后的数据经过各种处理操作和攻击操作以后,不导致其中的水印信息丢失或被破坏的能力。

3、安全性

指水印信息新叠的位置及内容不为人所知,这需要采用隐蔽的加密算法,以及对水印进行预处理(如加密)等措施。

所有的数字水印系统都是由两个基本部分组成的,水印嵌入系统和水印检测系统,下面两个图分别表示了一般的水印嵌入和水印检测过程。

数字水印在电台加密技术中的应用

水印嵌入过程中,首先要生产水印,要嵌入的信息可以是各种性质的,如数字、图像、文本等。密码是用来增强安全性的,可以防止未经授权者读取信息,水印嵌入过程的输出是嵌入了水印的图像作品。

数字水印在电台加密技术中的应用

水印坚持过程的输入是被测试的图像,它可能是没有嵌入水印的,也可能是嵌入了水印后又被攻击的图像,由于不同的水印加密算法,水印检测的输入还可能是密码、原始图像等,水印检测过程的输入或是检测出的水印,或是一个关于水印是否存在于被检测的信号的置信度值。

当电台要传递秘密信息时,将秘密信息作为水印嵌入到一个可以公开的载体上。此载体可以是文本、图片,声音等数字信号。

在电台的水印加密方案中,应使用双重或多重水印机制:在载体中除了嵌入鲁棒性水印用于隐藏信息外,还嵌入与内容不相关的半脆弱水印、脆弱水印,用于识别敌我方以及是否遭到攻击或篡改,一旦检测不出水印,就可以判断原内容遭到攻击或不是自己方。这样就可以有效的防止鲁棒性水印不能抵抗的统计攻击。

二、数字水印在电台加密技术中的应用

数字水印有一个重安的应用方面就是用于内容认证,即使用水印技术帮助保持和验证作品的完整性。在军事通讯实践中,敌对双方都试图截获、利用、破坏对方的信息,甚至用一些假信息来欺骗对方,因此,在这种场合下需要明确地知道该信息(消息)是我方发送的,这就产生了对作品(消息)内容进行认证的技术要求,能够实现内容认证的加密算法有很多,这里我们给出基于DWT的水印加密算法。

1、水印加密算法基本思想

我们将图像从RGB色彩模式转换为YUV色彩模式,按着公式①进行转换:

数字水印在电台加密技术中的应用

然后对Y分量进行3级小波分解,存高频块和中频块都嵌入水印,由于基于DWT中频域的数字图像水印方案与基于DWT高频域的数字图像水印方案思路差不多,这里我们先给出在高频域嵌入和提取水印的加密算法。

2、高频水印嵌入加密算法

对Y分量进行L级的小波分解,可以得到一个序列HH={HH1,HH2,...,HHL},可以计算得到每个高频块HHi里面所含的系数个数。

数字水印在电台加密技术中的应用

我们将一个水印分别嵌入刭各个高频块中。

算法的基本思路如下:首先产生一个长度数字水印在电台加密技术中的应用满足N(0,1)分布的实数伪随机序列X={X1,X2,...Xlongth}作为水印信息,然后将水印信息嵌入到HH中每一块对应的系数fij,嵌入公式如下:

数字水印在电台加密技术中的应用

fij是嵌入水印后的系数。

3、高频水印提取算法

算法的基本思想如下:设fij是可能受到攻击后得到小波系数,按下式计算相关性大小。

数字水印在电台加密技术中的应用

然后按如下公式计算阙值大小:

数字水印在电台加密技术中的应用

量后按如下规则进行判明水印是:

数字水印在电台加密技术中的应用

4、在DWT中频域嵌入和提取水印

在DWT中频域嵌入提取水印的思路和在DWT中频域嵌入提取水印的思路类似,不同的只是,中领域嵌入水印是将水印信息嵌入到HLi和LHi所对应的小波系数中.可以嵌入的水印信息量是高频的两倍。

5、实验结果

这里用PSNR和MSE作为衡量的标准,透过大量实验,在本系统中,我们采用L=3,α=o.05作为默认值,下面我们给出针对L=3,α=o.05时得到的加水印前后图像峰值信嘹比和均方差来说明采用此默认值的合理性,我们使用Bear2.avi,提取其中的部分来擦拭效果,大小为512*768,从加水印前后的图像可以看到,从主观上基本上看不到区别。

数字水印技术的发展只有短短的十几年,利用数字化媒体进行数据隐藏还是一个崭新的研究领域,同时它又是一种与具体应用结合比较紧密的实用技术。利用数字水印技术实现对电台秘密信息文件加密也是—种新的尝试,该技术与电台现有的密钥加密和调频技术相结合,效果更加。

小知识之YUV

YUV是被欧洲电视系统所采用的一种颜色编码方法(属于PAL),是PAL和SECAM模拟彩色电视制式采用的颜色空间。在现代彩色电视系统中,通常采用三管彩色摄影机或彩色CCD摄影机进行取像,然后把取得的彩色图像信号经分色、分别放大校正后得到RGB,再经过矩阵变换电路得到亮度信号Y和两个色差信号R-Y(即U)、B-Y(即V),最后发送端将亮度和色差三个信号分别进行编码,用同一信道发送出去。这种色彩的表示方法就是所谓的YUV色彩空间表示。采用YUV色彩空间的重要性是它的亮度信号Y和色度信号U、V是分离的。