張春玉

摘? 要： 傳統圖像信息處理系統已無法滿足日益復雜的圖像信息，故設計基于可逆性的圖像信息隱藏系統。通過圖像采集模塊采集待處理圖像后發(fā)送至FIFO存儲模塊，FIFO存儲模塊存儲圖像信息并發(fā)送至S3C44BOX型AMR處理器，AMR處理器中的數據處理模塊對圖像實施灰度拉伸處理，拉伸處理后對圖像實施閾值分割處理，利用可逆信息隱藏算法隱藏圖像信息，經過逆運算提取隱藏圖像信息并利用LCD顯示模塊輸出圖像。圖像信息處理過程是通過數據通信模塊，利用PCI接口完成圖像信息處理系統與計算機交互，實現圖像信息處理系統的圖像信息處理功能。實驗結果表明，采用該系統可有效處理圖像信息，并且處理10幅圖像信息平均隱藏容量高達9 558.2 bit，輸出圖像信噪比高于45 dB，處理速率最高達4.251 Gb/s，充分驗證了該系統的有效性。

關鍵詞： 圖像信息隱藏; 系統設計; 圖像采集; 信息處理; 灰度拉伸; LCD顯示

中圖分類號： TN911.73?34; TP368? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 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

圖像信息處理系統是隨著科學技術以及圖像技術發(fā)展而誕生，近年來發(fā)展極為迅速，可實現圖像各種信息處理?？萍妓讲粩嗵嵘谷祟悓τ趫D像信息處理需求不斷增加，高性能的圖像信息處理系統是目前圖像處理領域的重點研究方向。信息隱藏是指將所需隱藏的信息通過特殊載體在傳輸，令信息通過隱藏方式傳輸至目的地。圖像作為特殊載體傳輸信息過程中會發(fā)生改變，所需隱藏信息將因圖像載體在的改變而改變，使所隱藏信息無法完整提取。一些軍事圖像或醫(yī)學圖像對圖像中隱藏信息要求極為嚴格[1]，若隱藏信息發(fā)生改變將會帶來巨大影響?；谝陨蠁栴}相關學者研究可逆信息隱藏算法，并設計了相關系統。目前常用的圖像信息處理系統主要有基于云計算的圖像信息處理系統和基于分層架構的圖像信息處理系統。雖然上述方法可以將隱藏信息安全地隱藏于圖像中，并且能夠提取圖像中所包含的完整的原始圖像信息，但是現有系統在處理圖像中的隱藏信息時，隱藏容量較低，并且輸出圖像的信噪比較低，處理效果不佳[2?3]。

為了解決傳統系統存在的問題，本文設計基于可逆性的圖像信息隱藏系統，將可逆信息隱藏算法應用于圖像信息處理系統中，提升圖像處理速度與傳輸速度，并保證圖像信息處理的安全性。

1? 系統總體設計

將ARM處理器與可逆信息處理算法應用于圖像信息處理系統中，基于可逆性的圖像信息隱藏系統總體結構圖如圖1所示。

系統利用圖像采集模塊采集圖像信息，利用ARM處理器通過可逆信息隱藏算法實現圖像信息隱藏，通過串口和以太網實現數據通信[4]，獲取最終圖像隱藏信息后通過SD卡模塊實現數據存儲。系統的整體數據通信利用數據通信模塊實現。

1.1? 系統硬件設計

1.1.1? ARM處理器

數據處理模塊是圖像信息處理系統ARM處理器的核心模塊，圖像數據處理模塊利用可逆信息隱藏算法實現圖像信息處理。圖像信息處理系統需要極高的圖像識別與跟蹤性能，具有較高的實時性和可靠性才可實現大量圖像信息處理運算。將Altera公司的Cyclone系列可編程邏輯芯片與S3C44BOX型ARM處理器相結合，ARM處理器選取的S3C44BOX型ARM，處理器是具有高性價比的微型控制器，利用ARM處理器實現圖像的預處理、疊加、信息隱藏，提升圖像信息處理系統的靈活性與可擴展性能[5]。此外，圖像信息處理系統總線結構利用SAMBALL進行設置。圖2為ARM處理器模塊結構圖。

1.1.2? LCD模塊

通過LCD模塊實現圖像信息處理系統的人機交互，LCD模塊中的LCD顯示屏具有觸摸功能，使LCD模塊接口與S3C44BOX處理器接口連接實現圖像信息處理數據的實時顯示[6]。利用ADS78432控制器控制LCD觸摸屏應用，通過四線電阻式觸摸屏控制算法實現觸摸屏控制。圖3為LCD模塊結構圖。

1.1.3? 數據通信模塊

通過數據通信模塊實現圖像數據傳送，數據通信模塊可實現多芯片通信，利用以太網數據傳送接口與高速串行接口實現圖像信息處理系統的數據通信。

數據通信模塊利用PCI接口實現圖像信息處理系統與計算機的信息交互。PCI接口是系統硬件的數據交換與控制中心，通過通信接口模塊接收圖像信息處理系統與各設備驅動的命令和數據，通信接口模塊完成系統中各個模塊的協調工作[7]，實現系統圖像信息處理。PCI通信接口模塊將采集的圖像信息與系統處理后的數據利用PCI總線發(fā)送至通用PC，選取PLX公司的PCI9030作為通信數據模塊的接口芯片。圖4為數據通信模塊的電路圖。

1.2? 系統軟件設計

1.2.1? 可逆信息隱藏算法

灰度圖像直方圖中的圖像像素點最小值通常分布于圖像兩側[8]，圖像中連續(xù)出現零值點。利用圖像像素具有的以上分布特性通過基于直方圖修改的可逆信息隱藏算法實現圖像信息的可逆隱藏功能。

基于直方圖修改的可逆信息隱藏步驟如下：

1） 尋找灰度直方圖圖像中的一個最大點[Ng]以及一組零點[Nf1]，[Nf2]，…，[Nfm]，最大點與零點分別為對應的像素點個數最多的灰度值[fi]以及像素點數量為空的對應灰度值。其中，[i=1，2，…，m]。當圖像中不具有零點時，用最小點代替零點。

2） 設圖像直方圖中一個最大值點可隱藏比特位數量為[n]，且[n≤4]，可得利用最大值點隱藏圖像直方圖信息的連續(xù)零點值需要數量[m]以及比特位數關系，見表1。

3） 依次掃描圖像全部像素點后實現圖像信息隱藏。

4） 將隱藏信息后圖像的峰值信噪比與原始圖像峰值信噪比相減，當結果不符合圖像信息隱藏要求時，則返回至步驟2）。將隱藏位數增加后再次掃描，直至圖像質量與峰值信噪比符合圖像信息隱藏要求為止。

提取異常圖像信息的過程為以上圖像信息隱藏的逆過程，該算法可有效隱藏圖像信息，并將隱藏信息通過逆運算提取[13]。提取圖像隱藏信息后，恢復圖像至原始狀態(tài)，可逆信息隱藏算法運算過程中需要重視以下問題：

1） 為了提升圖像信息隱藏的魯棒性以及圖像質量，設置隱藏信息位數小于等于4，其原因是圖像像素點第3～第5位修改像素時，可獲取最優(yōu)的隱藏效果[14]。

2） 圖像的峰值點應在像素值處于灰度值允許范圍內時實施加減法。

1.2.2? 系統實現流程

利用可調用函數編寫基于可逆性的圖像信息隱藏系統，實現圖像信息隱藏處理。系統處理圖像信息任務流程如圖5所示。

分析圖5可知，基于可逆性的圖像信息隱藏系統利用FIFO存儲器采集圖像信息后，對圖像實施灰度拉伸處理，拉伸處理后對圖像實施閾值分割處理[15]，并利用ARM處理器通過可逆信息隱藏算法隱藏圖像信息，經過逆運算提取隱藏圖像信息并輸出圖像，實現圖像信息處理系統的圖像信息處理。

2? 實驗分析

為了檢測本文設計基于可逆性的圖像信息隱藏系統處理圖像的有效性，在CPU為英特爾i9 990k酷睿八核，內存為8 GB的計算機中，利用Matlab仿真平臺調用函數編程本文系統，采用本文系統處理數字化圖像處理常用的標準測試圖片集合中的10幅經典圖像。

統計采用本文系統處理10幅圖像信息的隱藏容量，并將本文系統與云計算系統及分層架構系統對比，對比結果如表2所示。

通過表2實驗結果可以看出，采用本文系統處理10幅不同圖像，隱藏圖像信息容量明顯高于云計算系統以及分層架構系統，其處理10幅圖像信息平均隱藏容量高達9 558.2 bit;而采用云計算系統以及分層架構系統處理10幅圖像平均隱藏容量僅為5 478.7 bit以及5 697.3 bit。因為本文系統采取高效的可逆信息隱藏算法實現圖像信息隱藏，隱藏容量明顯高于另外2種系統，充分驗證了本文系統的優(yōu)越性。

統計采用本文系統處理10幅圖像信息后圖像的信噪比，并將本文系統與云計算系統及分層架構系統進行對比，對比結果如表3所示。

由表3實驗結果可以看出，采用本文系統處理10幅圖像信息輸出圖像信噪比明顯高于另外2種系統。采用本文方法處理10幅圖像信息，輸出圖像信噪比均高于45 dB，說明本文系統不僅可有效處理圖像信息，并且處理后輸出圖像信噪比較高，輸出圖像質量較好。再次驗證本文系統對圖像信息的處理性能。

3? 結? 論

圖像信息處理是圖像處理領域中極為重要的部分。本文設計基于可逆性的圖像信息隱藏系統，將可逆信息隱藏算法應用于圖像信息處理系統。通過實驗結果驗證，采用該系統處理圖像信息可在較低成本前提下具有較高的圖像信息處理效率，并且具有良好的處理性能，可應用于不同類型圖像信息實際處理要求。

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（上接第143頁）

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