扩频技术在信息隐匿中的应用

数字水印技术的研究始于1994年，早期的算法强调水印的不可感知性而忽视水印的鲁棒性，这些算法主要是基于信息隐匿中的替换技术，其理论基础主要源自统计学和图像编码、处理领域。扩频思想的运用标志着水印技术的重大进步，扩频技术起源于通信系统，最早只是用于军用通信、制导等系统，它的理论基础来源于信息论和抗干扰理论。香农（Shannon）在其信息论中得到公式为：

C=Wlog₂（1+S/N） （4-2）

式中，C为信道容量；

W为信道带宽；

N为噪声功率；

S为信号功率。

香农公式表明了无误差地传输信息的能力、存在于信道中的信噪比以及用于传输信息的信道带宽三者之间的关系。

令C具有的信息容量，对式（4-2）换成以e为底的对数得：

C/W=1.44ln（1+S/N） （4-3）

对于干扰环境的典型情况，S/N＜＜1，对上式用幂级数展开，略去高次项得：

C/W=1.44S/N （4-4）(www.xing528.com)

通过上述分析，可得出一个重要结论：对于给定的信道容量（C）可用不同的带宽（W）和信噪比（S/N）的组合来传输信息。如减少带宽则必须发送较大的信号功率；如有较大的传输带宽，则同样的信道容量能够用较小的信号功率（较小的信噪比）来传送，这表明宽带系统具有较好的抗干扰性。因此，当信噪比太小，不能保证通信质量时，常用宽带系统改善通信质量，使信号在强干扰情况下，仍然可保持可靠通信。

扩频技术是一种信息处理技术，它是利用同欲传输数据（通信信息）无关的扩频码对被传输的信号扩展频谱，使之远超过被传输信息所必需的带宽，在接收机中采用相同的解扩来恢复数据。

由于扩频码的随机性、扩频信号的宽带性，扩频系统具有以下特点：

①扩频信号是不可预测的伪随机的宽带信号，扩频系统具有很高的抗干扰能力，因为干扰者难以通过观察改善其干扰性能，而只能采用发射同被干扰信号不匹配的干扰技术。

②扩频信号的功率相当均匀地被分布在很宽时频率范围，以致被传输信号功率密度很低，侦察接收机难以检测。因此，扩频系统具有低截获率。

③扩频系统具有良好的码分多址通信能力，对不同的用户使用不同的码，别人无法窃听他们的通信，因而扩频系统具有高的保密性。

以上特点对数字水印技术特别有用，在数字水印技术中，将原始数据的频域看作通信信道C，水印看作将通过C的信号S，各种干扰看作是N，利用扩频技术原理，将水印分布在许多数据频域系数中，加入每个频域系数的信号能量很小且不可随意检测。

然而，对于水印嵌入者和水印掩密通信时接收者，在水印检测过程中知道水印的位置和内容，它能将许多微弱的信号集中起来形成具有较高信噪比时输出值。攻击者要破坏水印需要很强的噪声信号加入所有频域系统中，但破坏水印的同时也造成原始数据质量严重下降。

只要水印信号能量足够小，加入原始数据的水印不可能被看见或听到。而且，利用人的视觉系统（HVS）或人的听觉系统（HAS）的掩蔽效应可以增加加入水印信号的能量。因此，利用扩频原理的数字水印技术具有很高的鲁棒性和安全性。其一，水印的位置不明显且水印的值具有随机性；其二，频域区域的适当选择，使得破坏水印通信信息的同时也破坏了原数据。