張春霞

摘? 要： 傳統(tǒng)的圖像信息處理系統(tǒng)存在著載體圖像恢復(fù)性能差的缺陷，為了解決上述問(wèn)題，提出基于可逆信息隱藏算法的圖像信息處理系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括主控芯片選型、并行處理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及以太網(wǎng)通信電路設(shè)計(jì);軟件設(shè)計(jì)包括圖像信息隱藏模塊、圖像信息提取模塊與載體圖像恢復(fù)模塊。通過(guò)系統(tǒng)硬件與軟件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于可逆信息隱藏算法的圖像信息處理系統(tǒng)的運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的圖像信息處理系統(tǒng)相比，設(shè)計(jì)的圖像信息處理系統(tǒng)極大地提升了載體圖像恢復(fù)性能，具備更好的處理效果。

關(guān)鍵詞： 圖像信息處理; 圖像信息隱藏; 主控芯片選型; 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì); 電路設(shè)計(jì); 圖像信息提取

中圖分類號(hào)： TN911.73?34; G255? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）19?0023?04

Abstract： The traditional image information processing system has the defect of poor performance of carrier image restoration. In order to solve the above problem， the design of image information processing system based on reversible information hiding algorithm is proposed. The system hardware includes the selection of main control chip， design of parallel processing structure and design of Ethernet communication circuit. The software design includes image information hiding module， image information extraction module and carrier image recovery module. The operation of the image information processing system based on reversible information hiding algorithm is realized by means of the hardware design and software design. The experimental results show that， in comparison with the traditional image information processing system， the designed image information processing system has improved the carrier image restoration performance greatly， and has a better processing effect.

Keywords： image information processing; image information hiding; main control chip selection; structure design; circuit design; image information extraction

0? 引? 言

隨著科技的發(fā)展，人們已經(jīng)進(jìn)入了網(wǎng)絡(luò)化、信息化與智能化的時(shí)代，相應(yīng)地，對(duì)各行各業(yè)的要求也越來(lái)越高。視覺(jué)信息是人類最直接的信息載體，而圖像是視覺(jué)信息的主要體現(xiàn)形式。圖像是對(duì)客觀對(duì)象的一種有效描述，主要包括對(duì)象的紋理分布、形態(tài)等，連續(xù)的圖像序列還包含對(duì)象的運(yùn)動(dòng)特征等信息，這些信息的組合是判斷對(duì)象所屬類別的重要依據(jù)。因此，圖像信息處理已經(jīng)成為當(dāng)今信息處理領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向，許多學(xué)者、專家對(duì)其進(jìn)行了深入的研究，并取得了一定的成果[1]。

近幾年，光電子技術(shù)以及集成電路飛速發(fā)展，以圖像傳感器為信息獲取手段，嵌入式硬件為采集與信息處理單元的圖像信息處理系統(tǒng)，在農(nóng)業(yè)、軍事、交通、工業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的圖像信息處理系統(tǒng)主要利用圖像傳感器獲取圖像信息，由于傳感器視場(chǎng)角較小，分辨率較低、傳輸?shù)男畔⒂邢?，從而?dǎo)致圖像分辨率降低，并且存在較大的畸變，無(wú)法清晰分辨圖像內(nèi)成像目標(biāo)的細(xì)節(jié)。網(wǎng)絡(luò)信息化技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)致現(xiàn)今圖像信息經(jīng)常出現(xiàn)泄露的情況，存在著信息危險(xiǎn)[2]。

傳統(tǒng)的圖像信息處理系統(tǒng)在圖像信息提取后，載體圖像無(wú)法完成恢復(fù)，極可能出現(xiàn)圖像失真的情況，表明其存在著載體圖像恢復(fù)性能差的缺陷，無(wú)法滿足現(xiàn)今社會(huì)對(duì)圖像的需求，為此提出基于可逆信息隱藏算法的圖像信息處理系統(tǒng)?？赡嫘畔㈦[藏算法是一種特殊的信息隱藏算法，在該算法中，載體圖像可以在信息提取之后完全無(wú)損的恢復(fù)。通過(guò)可逆信息隱藏算法的應(yīng)用，可以極大地提升載體圖像恢復(fù)性能，并設(shè)計(jì)仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)性能[3]。

1? 圖像信息處理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要包括主控芯片選型、并行處理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及以太網(wǎng)通信電路設(shè)計(jì)[4]。具體設(shè)計(jì)過(guò)程如下。

1.1? 主控芯片選型

主控芯片采用FPGA芯片，F(xiàn)PGA是圖像信息處理的核心，具有處理速度快、運(yùn)算結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、涉及數(shù)據(jù)量大的優(yōu)勢(shì)，F(xiàn)PGA芯片的性能決定著圖像信息處理的效果[5]。經(jīng)過(guò)研究對(duì)比發(fā)現(xiàn)，選擇Xilix公司生產(chǎn)的XC5VLX110T芯片，實(shí)物圖如圖1所示。

XC5VLX110T芯片上具備11萬(wàn)個(gè)等效邏輯單元、16個(gè)收發(fā)器、64個(gè)DSP48E邏輯片、5 328 Kb的ARM以及6個(gè)時(shí)鐘[6]。

1.2? 并行處理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

并行處理主要由總線實(shí)現(xiàn)，因此，并行處理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是設(shè)計(jì)總線接口[7]。系統(tǒng)總線接口連接圖如圖2所示。

總線接口具有多個(gè)引腳，定義如表1所示。

1.3? 以太網(wǎng)通信電路設(shè)計(jì)

圖像信息處理系統(tǒng)需要良好的網(wǎng)絡(luò)通信支撐，為此設(shè)計(jì)以太網(wǎng)通信電路，需要將處理器的獨(dú)立接口與以太網(wǎng)收發(fā)器進(jìn)行連接，并設(shè)置IEEE 802.3網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，設(shè)置電路為工作模式，保障圖像信息處理系統(tǒng)的正常運(yùn)行[8]。

以太網(wǎng)通信電路設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

上述過(guò)程完成了系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)，為下述系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)提供硬件支撐[9]。

2? 圖像信息處理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括圖像信息隱藏模塊、圖像信息提取模塊與載體圖像恢復(fù)模塊[10]。具體設(shè)計(jì)過(guò)程如下。

2.1? 圖像信息隱藏模塊

圖像信息隱藏模塊主要采用可逆信息隱藏算法隱藏圖像信息，達(dá)到保護(hù)圖像信息的目的。首先將載體圖像進(jìn)行非重疊分塊，圖像塊大小設(shè)置為2×2，其次依次處理每個(gè)圖像塊，注意隱藏圖像信息[11]。具體的圖像信息隱藏步驟如下：

步驟1：依據(jù)[n×n]的矩陣塊生成256×256的參考矩陣，[n]可選取值包括4，8，16與32。

步驟3：將參考矩陣轉(zhuǎn)換為平面區(qū)域，將[P1，P2，P3]映射到參考矩陣中，找到對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)位置。

步驟4：以參考矩陣中[P1]為中心，分別往左、右方向掃描，將掃描的[n]個(gè)像素構(gòu)成一個(gè)像素組[G]，將其信息采用十進(jìn)制轉(zhuǎn)換為待隱藏信息，找到在[G]中的對(duì)應(yīng)位置，替換[P1]點(diǎn)的縱坐標(biāo)，完成[P1]點(diǎn)的信息隱藏。

步驟5：依據(jù)步驟4方法分別處理[P2，P3]信息，完成[P2，P3]信息隱藏。

步驟6：重復(fù)步驟2～步驟5，直到所有圖像信息均被隱藏為止[12]。

2.2? 圖像信息提取模塊

以上述隱藏的圖像為基礎(chǔ)，嵌入解碼程序，提取圖像信息[13]。具體過(guò)程如下所示。

解碼程序指可逆信息隱藏算法的解碼算法，將隱藏信息轉(zhuǎn)換為原始信息，并對(duì)其進(jìn)行提取。常規(guī)情況下，只有圖像歸屬權(quán)的人員才能擁有解碼程序，外人無(wú)法提取圖像信息，這樣就可以極大程度地保證圖像信息的安全，避免圖像信息泄露造成的危害[14]。

解碼密鑰主要由[k1，k2]表示，圖像信息提取流程如圖4所示。

2.3? 載體圖像恢復(fù)模塊

圖像信息經(jīng)過(guò)提取后，需要將載體圖像恢復(fù)，載體圖像恢復(fù)即是圖像信息隱藏的逆過(guò)程，具體程序如圖5所示。

載體圖像恢復(fù)函數(shù)表示為：

通過(guò)上述系統(tǒng)硬件與軟件的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了基于可逆信息隱藏算法的圖像信息處理系統(tǒng)的運(yùn)行，為圖像信息安全提供更加有效的支撐[15]。

3? 載體圖像恢復(fù)性能分析

上述過(guò)程實(shí)現(xiàn)了基于可逆信息隱藏算法的圖像信息處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行，但是對(duì)其是否能夠解決傳統(tǒng)系統(tǒng)存在的問(wèn)題還無(wú)法確定，為此設(shè)計(jì)仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下所示。

3.1? 實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)主要采用以太網(wǎng)通信，為了保障實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行，測(cè)試實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)。

以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)實(shí)物圖如圖6所示。

經(jīng)過(guò)測(cè)試得到以太網(wǎng)流量變化情況如圖7所示。流量變化情況較大，表明以太網(wǎng)通信正常、有效。

3.2? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

以上述測(cè)試過(guò)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為基礎(chǔ)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，載體圖像恢復(fù)性能主要通過(guò)載體圖像恢復(fù)程度體現(xiàn)，恢復(fù)程度越大表明載體圖像恢復(fù)性能越好，反之，則表明載體圖像恢復(fù)性能越差。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到載體圖像恢復(fù)程度對(duì)比情況如表2所示。

如表2數(shù)據(jù)顯示，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的載體圖像恢復(fù)程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)系統(tǒng)，最大值可以達(dá)到90%，說(shuō)明設(shè)計(jì)系統(tǒng)的載體圖像恢復(fù)性能更好。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：與傳統(tǒng)的圖像信息處理系統(tǒng)相比，本文設(shè)計(jì)的圖像信息處理系統(tǒng)極大地提升了載體圖像的恢復(fù)性能，充分說(shuō)明設(shè)計(jì)的圖像信息處理系統(tǒng)具備更好的處理效果。

4? 結(jié)? 語(yǔ)

設(shè)計(jì)的圖像信息處理系統(tǒng)極大地提升了載體圖像的恢復(fù)性能，為圖像信息安全提供了更加有效的支撐。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的載體圖像恢復(fù)性能依然具有上升空間，需要學(xué)者對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

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