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1、延边大学本科毕业论文 学校代码 ： 10184 学 号 ： 2094030567延 边 大 学 本 科 毕 业 论 文文（题 目：基于CDMA原理的二值图合并技术学生姓名： 学 院：经济管理学院专 业：信息管理与信息系统班 级：2009级指导教师： 二 一 三 年 五 月摘 要本文阐述了一种根据CDMA扩频原理合并、叠加多个二值图像的方法。可以很好的将多个图像合并保存成一个图像，便于图像的保存管理，起到一定的隐藏、置乱图像的作用，增强了图像的安全性，保密性。因此在二值图像的处理运用，如二维码的合并、隐藏；数字安全、版权方面可以有很好的使用前景。本文图像处理最核心的思想，就是大胆的运用CDMA通
2、信技术中的直接序列扩频DSSS的处理方法，把图像处理与信号处理相结合起来，简单、快速地做到多图合一。并且合并方法简单易懂，便于实际操作，仍还有很大的提升空间。虽然此方法还不够成熟，需要进一步的改善，但是一旦将来技术成熟，将会有不俗的使用前景。关键词：二值图 ；CDMA ；扩频；图像合并AbstractThis paper describes a merger, according to the principle of CDMA spread spectrum overlay multiple binary image. Good save multiple images merged int
3、o one image, to facilitate the preservation and management of the image, play a hidden role of the scrambled image, the image is enhanced security and confidentiality. Therefore, the use of binary image processing, such as the merger of the two-dimensional code hidden; digital security, good prospec
4、ts for the use of copyright.The core idea of this paper, image processing, is the bold use of Direct Sequence Spread Spectrum DSSS CDMA communication technology in the processing method, image processing and signal processing combine simple, fast way to do multi-map one. And the combined method is s
5、imple to understand, easy to practice, there is still much room for improvement. Although this method is not mature enough, need further improvement, but once mature technology, will have good prospects for the use.Key Words ：Binary image; CDMA; SpreadSpectrum; Image combination目 录引 言- 4 -第一章 二值图- 5
6、 -1.1 二值图像概念- 5 -1.2 二维码技术特征- 5 -第二章 CDMA 技术- 7 -2.1 CDMA简介- 7 -2.2 CDMA 工作原理- 7 -第三章 图像合并算法- 8 -3.1 直接序列扩频（DSSS）- 8 -3.2 哈达玛矩阵（hadamard）- 9 -3.3 图像合并过程- 9 -第四章 代码设计- 11 -4.1 Matlab软件- 11 -4.2 M文件- 11 -4.3 代码- 11 -第五章 测 试- 11 -5.1 二维码测试结果- 11 -5.2 二值图像测试结果- 12 -5.3 测试环境- 13 -第六章 应 用- 14 -结 论- 14 -谢
7、词- 14 -参 考 文 献- 15 -附表- 16 - 引 言二十一世纪是信息时代，各种计算机高新技术如雨后春笋般纷纷拔地而起，如信息技术，互联网技术，安全技术等。科技的发展带给我们的是社会飞速的发展和越来越简单化的生活模式。信息技术的发展给我们带来了许多方便之处，我们在享受其成果之外，更应该注意到如社会经济问题、信息安全、网络安全等问题。如何防范这些问题，成为了近几年来各领域专家学者们研究的课题。“以技术防技术”的一些高尖端安全技术的发展进入了快车道，黄金期。本文中所阐述的二值图像合并技术，属于图像处理，是信号处理的一种。由于是一种结合了CDMA中直接序列扩频技术（DSSS），所以方法通俗
8、易懂，便于实行。在讲解方法的过程中，引用了二维码和普通二值图作为目标图像，详细的阐述了本文的核心思想。本技术做到了将多个二值图像合并保存成一个图像，便于图像的保存管理，起到了一定的图像隐藏、置乱的作用，增强了图像的安全性，保密性。虽然此方法上还存在一些问题，但是经过进一步完善后，想必将来会有更广阔的应用空间。第一章 二值图1.1 二值图像概念二值图像（binary image），是指每个像素不是黑就是白，其灰度值没有中间过渡的图像，像素只有两个可能值的数字图像。二值图像一般用来描述文字或者图形，其优点是占用空间少，缺点是，当表示人物，风景的图像时，二值图像只能描述其轮廓，不能描述细节。这时候要
9、用更高的灰度级。二值图像中所有的像素只能从0和1这两个值中取，因此在MATLAB中，二值图像用一个由0和1组成的二维矩阵表示。这两个可取的值分别对应于关闭和打开，关闭表征该像素处于背景，而打开表征该像素处于前景。以这种方式来操作图像可以更容易识别出图像的结构特征。二值图像经常出现在数字图像处理中作为图像掩码或者在图像分割、二值化和dithering的结果中出现。一些输入输出设备，如激光打印机、传真机、单色计算机显示器等都可以处理二值图像。1.2 二维码技术特征（一）二维码介绍二维码（2-dimensional bar code），又称二维条码，最早起源于日本，它是用特定的几何图形按一定规律在平
10、面（二维方向）上分布的黑白相间的图形，是所有信息数据的一把钥匙。在现代商业活动中，可实现的应用十分广泛，如：产品防伪/溯源、广告推送、网站链接、数据下载、商品交易、定位/导航、电子凭证、车辆管理等等。二维码是一种特殊的二值图像。（二）二维码原理二维码的原理可以从矩阵式二维码的原理和行列式二维码的原理来讲述。1. 矩阵式原理矩阵式二维码（又称棋盘式二维码）是在一个矩形空间通过黑、白像素在矩阵中的不同分布进行编码。右图是国内常用的矩阵式二维码实例，手机正常扫描后会跳出高可靠性的信息：在矩阵元素位置上，出现方点、圆点或其他形状点表示二进制“1”，不出现点表示二进制的“0”，点的排列组合确定了矩阵式二
11、维码所代表的意义。矩阵式二维码是建立在计算机图像处理技术、组合编码原理等基础上的一种新型图形符号自动识读处理码制。具有代表性的矩阵式二维码有：Code One、Maxi Code、QR Code、 Data Matrix等。2. 行排式原理行排式二维码(又称：堆积式二维码或层排式二维码)，其编码原理是建立在一维码基础之上，按需要堆积成二行或多行。它在编码设计、校验原理、识读方式等方面继承了一维码的一些特点，识读设备与条码印刷与一维码技术兼容。但由于行数的增加，需要对行进行判定、其译码算法与软件也不完全相同于一维码。有代表性的行排式二维码有CODE49、CODE 16K、PDF417等。其中的C
12、ODE49，是1987年由 David Allair 博士研制，Intermec 公司推出的第一个二维码。（三）二维码种类二维条码/二维码能够在横向和纵向两个方位同时表达信息，因此能在很小的面积内表达大量的信息.就这些码制的编码原理而言，通常可分为以下三种类型：1. 线性堆叠式二维码 是在一维条形码编码原理的基础上，将多个一维码在纵向堆叠而产生的。典型的码制如：Code 16K、Code 49、PDF417等。2. 矩阵式二维码 是在一个矩形空间通过黑、白像素在矩阵中的不同分布进行编码。典型的码制如： Aztec、Maxi Code、QR Code、 Data Matrix等。3. 邮政码 通
13、过不同长度的条进行编码，主要用于邮件编码，如：Postnet、BPO 4-State。在许多种类的二维条形码中，常用的码制有：Data Matrix, Maxi Code, Aztec, QR Code, Vericode, PDF417, Ultracode, Code 49, Code 16K等。第二章 CDMA 技术2.1 CDMA简介CDMA (Code Division Multiple Access) 又称码分多址，是在无线通讯上使用的技术，CDMA允许所有使用者同时使用全部频带(1.2288Mhz)，且把其他使用者发出讯号视为杂讯，完全不必考虑到讯号碰撞 (collision)
14、问题。CDMA中所提供语音编码技术，通话品质比目前GSM好，且可把用户对话时周围环境噪音降低，使通话更清晰。就安全性能而言，CDMA不但有良好的认证体制，更因其传输特性，用码来区分用户，防止被人盗听的能力大大增强。 Wideband CDMA(WCDMA)宽带码分多址传输技术，为IMT-2000的重要基础技术，将是第三代数字无线通信系统标准之一。CDMA技术的出现源自于人类对更高质量无线通信的需求，第二次世界大战期间因战争的需要而研究开发出CDMA技术，其思想初衷是防止敌方对己方通讯的干扰，在战争期间广泛应用于军事抗干扰通信，后来由美国高通公司更新成为商用蜂窝电信技术。移动通信系统有多种分类方
15、法。例如按信号性质分，可分为模拟、数字；按调制方式分，可分为调频、调相、调幅；按多址连接方式分，可分为：频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)。2.2 CDMA 工作原理CDMA系统是基于码分技术（扩频技术）和多址技术的通信系统，系统为每个用户分配各自特定地址码。地址码之间具有相互准正交性，从而在时间、空间和频率上都可以重叠；将需传送的具有一定信号带宽的信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的伪随机码进行调制，使原有的数据信号的带宽被扩展，接收端进行相反的过程，进行解扩，增强了抗干扰的能力。CDMA系统属于自干扰系统。CDMA系统只接收地址码一样的部分，其他部分变成噪音。
16、CDMA是扩频通信的一种，它具有扩频通信的以下特点：（1）抗干扰能力强。这是扩频通信的基本特点，是所有通信方式无法比拟的。（2）宽带传输，抗衰落能力强。（3）由于采用宽带传输，在信道中传输的有用信号的功率比干扰信号的功率低得多，因此信号好像隐蔽在噪声中；即功率话密度比较低，有利于信号隐蔽。（4）利用扩频码的相关性来获取用户的信息，抗截获的能力强。（5）多个用户同时接收，同时发送。第三章 图像合并算法3.1 直接序列扩频（DSSS）扩展频谱(Spread Spectrum)技术是一种常用的无线通讯技术，简称展频技术，展频技术的无线局域网络产品是依据FCC(Federal Communicatio
17、ns Committee，即美国联邦通讯委员会)规定的ISM(Industrial Scientific, and Medical工业、医疗、科学)，频率范围开放在902M928MHz及2.4G2.484GHz两个频段，所以并没有所谓使用授权的限制。展频技术主要又分为跳频技术及直接序列两种方式。直接序列展频技术(Direct Sequence Spread Spectrum； DSSS)是利用10个以上的chips来代表原来的1或0位，使得原来较高功率、较窄的频率变成具有较宽频的低功率频率。而每个bit使用多少个chips称做Spreading chips，一个较高的Spreading chi
18、ps可以增加抗噪声干扰，而一个较低Spreading Ration可以增加用户的使用人数。 基本上，在DSSS的Spreading Ration是相当少的，例如在几乎所有2.4GHz的无线局域网络产品所使用的Spreading Ration皆少于20。而在IEEE802.11的标准内，其Spreading Ration大约在100左右。直接序列扩频通过利用高速率的扩频序列在发射端扩展信号的频谱，而在接收端用相同的扩频码序列进行解扩，把展开的扩频信号还原成原来的信号。直接序列扩频技术在军事通信和机密工业中得到了广泛的应用，现在甚至普及到一些民用的高端产品，例如信号基站、无线电视、蜂窝手机、监控宝
19、护神、婴儿监视器等，是一种可靠安全的工业应用方案。3.2 哈达玛矩阵（hadamard）哈达玛（Hadamard)矩阵是由+1和-1元素构成的正交方阵。正交方阵，即行列数相等的正交矩阵，它的任意两行（或两列）都是正交的，且任意一行（列）的所有元素的平方和等于方阵的阶数。即：设A为n阶由+1和-1元素构成的方阵，若AA=nI（这里A为A的转置，I为单位方阵），则称A为n阶Hadamard矩阵。下面列举的分别是四阶和八阶的哈达玛矩阵。不难发现，矩阵的各行之间都是正交的，因此为本文扩频时的码片序列选择奠定了基础。3.3 图像合并过程图像的具体合并步骤如下，为了方便说明，本文中使用4个二维码作为目标图
20、像。Step ：使用Matlab软件，分别读取四个二值图像。得到的矩阵分别记为A1、A2、A3、A4。Step ：把A1A4矩阵中，数值等于255的位置都改为数值1，从而得到B1、B2、B3、B4矩阵。Step ：对B1B4矩阵进行直接序列扩频，得到扩频矩阵C1、C2、C3、C4。在扩频过程中，本文选用四阶哈达玛矩阵的各行做扩频码片序列。图二是步骤一到步骤三的流程图。图中第三步骤扩频时，是假设码片序列为（1 1 1 1）的前提。Step ：相加C1C4矩阵，得到了叠加矩阵D。Step ：此时的D矩阵数值的范围为 - 4 , 4。为了可以以图像的格式保存 D 矩阵，因此需要引进 E 矩阵。如果原
21、图像共有 x 个，就有：理论上，此种处理手法，支持的x 的范围为 0127，即最多支持127个二值图的合并。通过以上几个步骤，通过Matlab软件，可以用图像显示 E 矩阵，从而得出叠加图像。图像的分离过程完全是合并过程的逆过程，在这里不作详细介绍。图二第四章 代码设计4.1 Matlab软件MATLAB是一款数学软件，为美国MathWorks公司出品，是三大数学运算软件之一，用于数据开发、算法可视化、分析数据以及数值计算的高级计算机语言交互式环境，其自身包含多个模块和工具箱，其中包括MATLAB和Simulink两大部分。现如今，在自然科学领域的学术研究、科研探索等活动中，已经离不开对计算机
22、智能运算软件的使用，Matlab便于学习，易于操作，用途广泛，已经越来越多的被科研单位，研究人士所使用。4.2 M文件MATLAB中有一种文件叫M文件，他就是一系列代码组成的一个扩展名为.m的文件。虽然M文件系ASCII型的文本文件，但是和其它高级语言一样，它是一种系统化、程序化的编程语言。M文件包含函数文件（matlab functions）和脚本文件（matlab scripts）两部分。脚本文件是包含多条MATLAB命令的文件；函数文件可以包含输入变量，并把结果传送给输出变量。本文中给出的代码部分，就是利用到了这两种文件。4.3 代码详见附表第五章 测 试5.1 二维码测试结果如下图三：
23、图三5.2 二值图像测试结果如下图四：图四5.3 测试环境（一）Matlab版本本文中所介绍代码的编写及测试是在Matlab 7.11.0（R2010b）环境中进行的。（二）计算机环境CPU：Inter core i5 3450（3.10 GHZ）内存：4GB显卡：GTX 550 TI结 论根据测试不难发现，本文所阐述的方法，很好地实现了多个二值图像的叠加、合并，置乱效果较好，还原效果良好。（一）优势1. 可以很好的将多个图像合并保存成一个图像，便于图像的保存管理2. 起到一定的隐藏、置乱图像的作用，增强了图像的安全性，保密性。3. 在二值图像的处理运用，如二维码的合并、隐藏；数字安全、版权方
24、面可以有很好的使用前景。4. 把图像处理与信号处理相结合起来，简单、快速地做到多图合一。并且合并方法简单易懂，便于实际操作，仍还有很大的提升空间。（二）不足1. 当原始图像的数量少时，合并图像的抗攻击、噪声、剪切的效果较差。2. 由于没有加密过程，所以当知道方法后，容易被破解。3. 方法还不够成熟，需要进一步的改善。谢 词首先，我要感谢延边大学，感谢经济管理学院，感谢信息管理与信息系统系对我四年的培养，特此感谢各位老师和同学们在这四年里对我的关心与帮助，在此致以我深深的谢意。 本文从选题到最后定稿成文，崔基哲教授一直给予我指导，崔基哲老师那种严谨求实的作风，孜孜不倦的开拓精神和敬业精神令我深受
25、启迪，谨向我的指导老师致以深深的谢意。 最后，我还要向我的父母致敬，向所有关心支持我的人表示感谢！参 考 文 献1 张波、崔基哲、Jongweon KIM，基于改进BCD码及DCT变换的图像置乱算法研究J，动动画世界.教育技术研究，2012年，第20期2 崔基哲、张波，Jongweon KIM， 一种图像置乱算法及在数字电视中的应用研究J，电视技术，2011年 第35卷3 毛伟，ICR840条码阅读系统的优化与应用M ，天津大学2009年4 周喆，二维条形码标签印刷业借势物联网，中国印刷，2010年第4期5 谢希仁，计算机网络M，第五版，北京，电子工业出版社，2008年6 刘刚，MATLAB数
26、字图像处理M，北京，机械工业出版社，2010年附表（一）主程序部分：% 本程序列举了四个（可多个）二维码（二值图）的CDMA叠加情况clc,clear all% 读取二值图并显示% 这里的二值图读取后需满足% 数据精度为uint8的条件，才可运行此套代码O1=imread(256_256.bmp);O2=imread(256_256_2.bmp);O3=imread(256_256_3.bmp);O4=imread(256_256_4.bmp);% 显示原始图figure(1),subplot(2,2,1),imshow(O1),title(O1 image);figure(1),subplo
27、t(2,2,2),imshow(O2),title(O2 image);figure(1),subplot(2,2,3),imshow(O3),title(O3 image);figure(1),subplot(2,2,4),imshow(O4),title(O4 image);% 获得图像尺寸Original_size=size(O1);Original_size=Original_size(1);% 查找原始图的非零元素并都替换成1O1(find(O1)=1;O2(find(O2)=1;O3(find(O3)=1;O4(find(O4)=1;% 准备 Hadamard 矩阵% 因为本文举四
28、个图的例子，所以生成如下四阶哈达玛矩阵HD=hadamard(4); HD1=HD(1,:);HD2=HD(2,:);HD3=HD(3,:);HD4=HD(4,:);% 利用扩频函数 DSSS 扩频Z1=DSSS(O1,HD1);Z2=DSSS(O2,HD2);Z3=DSSS(O3,HD3);Z4=DSSS(O4,HD4);% 显示扩频图figure(2),subplot(2,2,1),imshow(Z1),title(Z1 image);figure(2),subplot(2,2,2),imshow(Z2),title(Z2 image);figure(2),subplot(2,2,3),i
29、mshow(Z3),title(Z3 image);figure(2),subplot(2,2,4),imshow(Z4),title(Z4 image);% S为多个扩频信号的叠加图S=Z1+Z2+Z3+Z4;% 此时S 是 -4到4 的图像（因为本文所举例子是4个二值图的合并）% 为了能把S 保存成灰度图像（0-255），需要先 +4，后 4 的处理手法% 例如，设源图像共有 x个，就用 +x，-x 的方法处理% 理论上，此种简单处理手法，支持的x 的范围为 0127S=S+4;figure(3),imshow(S),title(CDMA 叠加图);imwrite(S,CDMA 叠加图.b
30、mp);% 还原图像 %S=S-4;% 用逆扩频函数还原图像Y1=DSSS_(S,HD1);Y2=DSSS_(S,HD2);Y3=DSSS_(S,HD3);Y4=DSSS_(S,HD4);figure(4),subplot(2,2,1),imshow(Y1),title(最终还原图1);figure(4),subplot(2,2,2),imshow(Y2),title(最终还原图2);figure(4),subplot(2,2,3),imshow(Y3),title(最终还原图3);figure(4),subplot(2,2,4),imshow(Y4),title(最终还原图4);imwrit
31、e(Y1,最终还原图1.bmp);imwrite(Y2,最终还原图2.bmp);imwrite(Y3,最终还原图3.bmp);imwrite(Y4,最终还原图4.bmp);clc（二）扩频函数部分% 定义扩频函数 DSSSfunction Z=DSSS(O,HD) Original_size=size(O); Original_size=Original_size(1); % 准备元胞 C1和C2 C1=cell(1,Original_size); C2=cell(Original_size,1);for i=1:Original_size; OO=O(i,:); % 第i行原矩阵 for j
32、=1:Original_size; if OO(1,j)=0; C11,j=-HD; else C11,j=HD; end end C2i,1=cell2mat(C1);end% Z为O图扩频后的图Z=cell2mat(C2);（三）逆扩频函数部分% 定义逆扩频函数 DSSS_function Y=DSSS_(S,HD)Original_size=256;% 准备元胞 C3和C4C3=cell(Original_size,Original_size);C4=cell(Original_size,Original_size);for v=1:Original_size for u=1:Original_size C3v,u=S(v,(1+(u-1)*4):(u*4); C4v,u=dot(C3v,u,HD)/4; endendY=uint8(cell2mat(C4)*255;- 22 -