专利名称：一种视频信息防泄漏方法及处理装置的制作方法
技术领域：
本发明属于信息安全处理范畴，具体是一种用于防止电子信息在传输过程中被恶 意窃取的视频信息防泄漏方法及处理装置。
背景技术：
随着科学技术的发展，计算机系统已广泛应用于机要信息的存储和数据处理。由 于计算机等信息技术设备在工作时会产生较强的电磁辐射，导致信息技术设备所处理 的机要信息的严重泄漏。而且通过计算机及其外部设备的电磁泄漏获取信息，要比通 过其他任何途径获取的信息更加的准确、及时、连续，隐蔽性好。
我们知道计算机的主机和显示器都是主要的电磁信息泄漏源，而从主机显卡输出 到显示器的整个视频信息传输通道是电磁信息泄漏的重要组成部分。
现有电磁信息泄漏的防护技术主要有屏蔽、模拟滤波等方法。采用屏蔽虽然可以 达到一定的屏蔽效果，但却不容易提高，难以满足TEMPEST技术要求。采用模拟滤波 方法可以实时地、方便地将视频信号的高频成分滤除，但同时，模拟滤波器也存在很 多缺点，如相位失真、要求阻抗匹配、设计不够灵活等。尤其是相位失真对图像的正 确显示影响很大。
中国专利CN200510059940.9公开了一种"安全防护显示器"，提出了利用了外加 干扰器方式，对视频信息进行防护，这种方式虽然能起到防护作用，但由于并未从源 头进行抑制泄漏，同时还受到电磁环境兼容性的约束。
一种通过软件的方法来控制信息电磁辐射是由英国剑桥大学的Kuhn提出的，它采 用S0FT-TEMPEST技术，即通过建立滤波后的只含有低频分量的字符泄漏字库，实现字 符型显示终端的防信息泄漏。这种方法显然能从源头进行抑制泄漏，也不受电磁环境 兼容性的约束。但一方面当主机和显示器之间传送的是动态图像时，其视频数据量极 大，数据传输速率极快，CPU在运行其它程序的同时运行视频信息防泄漏程序，会使计 算机的性能大打折扣；并且视频信号的处理和显示用编制驱动程序来实现时，难度很 大；另一方面该技术只适用于字符型显示终端，而不适用于图像/字符型显示终端。
发明内容
本发明的目的是提供一种视频信息防泄漏方法及处理装置，以便在不影响动态图 像传送速度的同时，从源头进行抑制信息泄漏，同时满足电磁环境兼容性的要求。
为实现上述目的，本发明的目的是这样实现的， 一种视频信息防泄漏方法，它至少包括将传输的视频信息通过一个低通滤波器进行低通滤波的过程，和经低通滤波器 后叠加一个高频视频信息的过程。
所述的视频信息通过的低通滤波器是一个数字低通滤波器，数字低通滤波器至少 具有一个保证视频图像相位不失真的条件。
所述的叠加的高频视频信息可以是通过抖动调制算法不断的将一幅图像信息的低 频能量搬移到高频端产生的连续的高频视频信息。
所述的叠加的高频视频信息可以是通过抖动调制算法将一幅图像信息的低频能量 搬移到高频端产生的高频视频信息的存贮信息。
所述的高频视频信息与经低通滤波器后的视频信息叠加是经调制算法完成的。
一种基于视频信息防泄漏方法的处理装置，它至少包括安装于计算机主机显卡和 显示器之间的一个处理单元。
所述的处理单元至少包括
一 A/D转换电路用于将计算机主机显卡提供的模拟视频信息转换成数字视频信息； 一处理电路，用于对高频视频信息进行抖动调制算法运算； 用于将经模拟视频信息转换成数字视频信息进行数字低通滤波； 用于对数字低通滤波后的数字视频信息和抖动调制算法运算后产生的高频视频信
息进行叠加算法运算输出；
一存C电路，用于存贮经A/D转换电路后产生的数字视频信息；存贮经数字低通
滤波后的数字视频信息和抖动调制算法运算后产生的高频视频信息的中间结果信息和
设定参数信息；
一 D/A转换电路，用于将叠加后数字视频信息转换成模拟视频信息。 所述的视频信号数字滤波器是采用窗函数法运算的数字滤波器。 所述的视频信号数字滤波器是采用有限冲击响应FIR数字滤波器。
所述的A/D转换电路选用AD公司的AD9883A;处理电路包括单片机和FPGA，单片 机选用Philips公司的P89LPC932A1; FPGA采用Altera公司EP1C6Q240C8; D/A转换 电路选用AD公司的AD9883A与配套使用的专用视频信号数模转换芯片AD7123;存贮电 路是RAM，选用ISSI公司的静态异步存储器，型号为IS61LV51216。
本发明通过将模拟视频图像中的易通过电磁辐射进行泄漏的高频分量滤除，保留 视频图像相位不失真的低频分量，让使用者所关心的传送图像观看不受影响。同时叠 加进去更易通过电磁辐射进行泄漏的无用高频视频图像信息，将极易通过视频图像中 的高频成份恢复图像外廓的信息被降低，加强了伪视频图像的高频成份，使截取设备信噪比减小，这样一不影响动态图像传送速度，二能从源头进行抑制信息泄漏，同时
满足电磁环境兼容性的要求。
下面结合实施例附图对本发明做进一步说明。 图1是未进行抖动调制的原始图像； 图2是进行抖动调制后的图像； 图3是对应图1黑线处的电子束电流波； 图4是对应图2黑线处的电子束电流波形； 图5是抖动调制前的数字序列频谱图； 图6是抖动调制后的数字序列的频谱图； 图7是用户看到的最终合成图象；
图8是本发明视频信息防泄漏处理卡的硬件构成框图； 图9是数字滤波器仿真幅频响应曲线； 图10是滤波器仿真时域响应曲线； 图11是视频信息内置式处理卡连接示意图； 图12是视频信息外置式处理卡连接示意图； 图13是视频原始图像(部分)； 图14是频点250MHz未处理接收图； 图15是滤波处理后频点250MHz处的接收图； 图16是频点160MHz未处理接收图； 图17是滤波处理后频点16(MHz处的接收图； 图18是频点20MHz未处理接收图； 图19是滤波处理后频点20MHz处的接收图； 图20是伪发射图像(2号及4号英文字符)； 图21是伪发射处理后频点250MHz处接收图； 图22是伪发射处理后频点170MHz处接收图。
具体实施例方式
计算机视频系统的信息泄漏主要由视频信号引起，而视频信息大多是通过高频频 段的辐射而造成的。这可通过TEMPEST接收机接收到的显示器视频电磁泄漏充分证实。 视频信号中能够被信息截获接收机接收到的主要是视频信号的一个波瓣内30%的高频 分量(0.7fp〈f〈 fp， fp为视频信号最高频率)，如果将传输的视频信息通过一个低通滤波器进行低通滤波，使高于0. 7fp的高频分量进行滤波，使TEMPEST截获机接收不 到髙频分量而无法恢复出原始图像，就能从根本上减少信息泄漏的可能性，达到防信 息泄漏的目的。
对于通过一个低通滤波器进行低通滤波，使高于0.7fp的高频分量进行滤波，采 用模拟或数字方式都是可行的。但要保证低通滤波器后输出的视频图像相位不失真， 对于数字低通滤波器其算法中必须考虑视频图像相位不失真的条件。
此外，在滤除掉受保护信息的高频成分的基础上，叠加一个高频视频信息，有意 让窃收者接收到的图像即"伪泄漏图像"，并提高伪泄漏图像发射频率，以淹没和掩饰 有用信息，进行窃收欺骗，将能更有效地保护机密图像。这是方式是通过降低TEMPEST 接受机信噪比实现的，让高频伪泄漏图像信息淹没经低通滤波后的低频保护图像信息。 一种产生高频视频信息的方法是通过抖动调制箅法将一幅图像信息的低频能量搬 移到高频端产生高频视频信息。它是重复不断的对一幅图像进行抖动。然后再将高频 视频信息与滤除掉受保护信息的高频成分的低频图像基础信息通过叠加算法后进行输 出。
定义滤波后图像的像素值C^为归一化像素值，则有:
(i)<formula>formula see original document page 7</formula>
式中，x、 y分别为图像像素点的行、列值，； 一般取为0.053，《 为原始有用 图像的归一化像素值，巧为所采用的低通滤波器的系数，对于凯塞窗
<formula>formula see original document page 7</formula>(2)
(3)
式中，/0(x) = l + ￡
，是第一类零阶修正贝塞尔函数，通常，L<25。
最终合成图像的像素值《 ^可以表示为 <formula>formula see original document page 7</formula>(4)
其中，C./，疋,，分别为未抖动有用图像和伪发射抖动图像的归一化像素值；"，P 是为确保5^e[0，1，分别引入的有用信息像素值縮小系数和伪发射信息抖动系数；^ 是在抖动时需根据不同显示器进行像素值调整而引入的系数，其取值范围为1.5^z^3.0;1)H为相隔n(l,2,3…)个像素点抖动的广义抖动函数。s(;c) 为阶跃函数。C ,^的下标c"i G巧，表示三个基本颜色通道。最终合成
图像的各点像素值Z^,为
、屮55.%,」 (5) 对于上述的方法需要一个高速的处理电路，但如果将通过抖动调制算法产生的高
频视频信息存贮在贮存器内，叠加算法对贮存器内的高频视频信息"伪泄漏图像"和
低频图像基础信息叠加输出，可降低处理电路要求。
所谓抖动调制算法是指用较小的颜色查找表来增加在显示器上可显示的颜色数的
一种技术。图像经抖动处理后，当电子束逐点扫描一幅图像中的各像素点时，电子束
电流的变化就会比抖动前更加剧烈，其高频成分就会增大。
下面通过对如下各图的说明使我们对抖动调制算法有较清楚的了解。
图1是未进行抖动调制的原始B字图，图2为进行抖动调制后的B字图像。
当电子束扫描到图1和图2中的黑线位置的时候，从左至右依次获取每个像素点
的R、 G、 B亮度，并分别组成数字序列。以获取的红色(R)信号数字序列为例，抖动
前、后的数字序列所对应的电子束电流波形分别图3图4所示。
对图3和图4中所示的电子束电流时域波形所对应的数字序列(红色信号的)分
别做FFT，得到抖动调制前后序列的频谱，如图5、图6所示。
对图5和图6进行比较，可以看出，数字序列经过抖动调制后，其原来的频谱被
搬移到了高频处。
为了达到伪发射(即发射伪泄漏图像)的目的，还必须将低通滤波器后输出的视 频图像(机密图像)和高频视频信息(伪泄漏图像)合成在一起。也可以称要伪装发 射的图像为"嵌入图像"，称所要进行保护的图像为"隐匿图像"。最终的目对两种图 像进行叠加，生成合成图像，并且在叠加后的图像中，嵌入图像应不易被用户察觉。 为实现嵌入图像与隐匿图像的叠加，应算出合成图像的像素值。
为了使用户对抖动察觉不明显，必须使抖动图案的幅度产生变化以保持平均亮度， 并且嵌入图像应该进行平滑处理，使人感觉不到图像边缘的尖锐。图7是用这种方法 产生的合成图。在该图中隐匿图显示的是一个"A"字符，嵌入图显示的是一个"B" 字符，图7也是合法用户看到的最终合成后的图。
此可以看出，在隐匿图像(字符A)周围形成了嵌入图像(字符B)，并且嵌入图 像是经过抖动形成的，组成字符B的像素点在最暗和最亮之间来回抖动，而组成字符A 的像素点则无此变化。由上文的分析可知，字符B的频谱中在高频处的幅值要高于字符A，字符B的辐射要比字符A的辐射更易接收，从而达到了掩盖和隐藏机密信息(在 此是字符A)的目的。
本发明伪发射方法与数字滤波方法结合起来，使所传播的数据序列既降低有用信 息的发射，又能对有用信息进行掩盖的双重目的。
如图8所示，防视频信息电磁泄漏处理卡的硬件结构包括A/D转换芯片、FPGA器 件、D/A转换芯片、单片机、RAM芯片；所述FPGA器件内设有有限冲击响应FIR数字 滤波器和视频信号抖动处理单元，用于实现对数字视频信号的滤波和伪发射处理。图 中，A/D转换芯片选用AD公司的高性能A/D器件AD9883A。作用是将从显卡出来的模 拟视频信号转化为数字视频信号。FPGA器件选用Altera公司Cyclone系列FPGA芯片， 型号为EP1C6Q240C8。主要作用是实现对数字视频信号的滤波和伪发射处理。D/A转换 芯片选用AD公司与AD9883A配套使用的专用视频信号数模转换芯片AD7123。作用是将 FPGA处理后的数字视频信号还原为模拟视频信号。单片机选用Philips公司的 P89LPC932A1芯片。主要作用是对AD转换器件AD9883A进行初始化和系统工作状态的 上层控制。RAM芯片选用ISSI公司的静态异步存储器，型号为IS61LV51216。主要作 用是存储用于"伪泄漏"的图像，以供嵌入使用。
根据框图8，防视频信息电磁泄漏处理卡的工作流程是将来自显卡的视频信号通 过预处理防混叠低通滤波器后输入到AD处理芯片，将RGB三路模拟视频信号分别转换 成三路并行8位数字信号，并对行、场同步进行相位修复和幅度补偿使之变为标准的 行、场同步信号，然后在单片机的控制下决定RGB信号的走向，如果采集到的是嵌入 图像，则将该信号临时存入RAM中以备后续的伪发射处理时调用，如果采集到的是隐 匿图像则直接送入FPGA进行滤波以及伪发射处理。FPGA伪发射处理完后就将结果送入 DA将其还原成模拟信号，最后输出至显示器，重复上述过程。其中AD从视频信号中 提取的点频为系统的基准时钟。
本发明用窗函数法设计FIR数字滤波器，把无限时宽的冲击响应序列进行截断， 得到有限长的冲击序列h(n)，并可保证截取的h(n)对(N-1)/2对称以获得严格的线性 相位，使所设计的FIR数字滤波器满足线性相位特性要求。
根据计算机1024*768*75的分辨模式视频信号，视频信号的安全带宽14MHz，确定 所需滤波器的设计指标选取滤波器通带截止频率fp二15MHz，通带最大衰减0Cp二ldB， 阻带最小衰减ocs二60dB，因为1024*768*75的分辨模式下，点频PXCLK=78. 75MHz，所 以取采样频率F^80MHz，阶数25。输入数据位宽为8位，系数位宽取16位。
在采用窗函数法设计FIR滤波器时，通过对不同的窗函数进行比较，由于海明窗具有最小阻带衰减在50dB以上，有较小的过渡带，实现相同指标的滤波器可以有较小 的阶数等优点，所以根据设计指标要求，选择海明窗函数设计FIR滤波器。
仿真软件FIR IP Core,将确定的设计指标输入，对所设计的FIR滤波器进行仿 真验证，FIR IP Core所显示的滤波器的幅频响应曲线，如图9;滤波器的时域响应 曲线如图10。
从仿真的结果可以看出，滤波参数的设定是正确的，滤波达到了预期的效果。 如图11、图12所示，本发明的防视频信息电磁泄漏处理卡既可以置于主机机箱内， 由计算机主机提供电源，也可以将处理卡置于主机机箱外，由外部电源单独供电，独 立使用。视频信号由计算机显卡输出，先经过防混叠模拟滤波器，再由15芯视频电缆 连接到防视频信息泄漏处理卡上，处理后的视频信号及同步信号再输出到显示器进行 显示。需要说明的是，由于视频信息处理卡中含有丰富的视频信息，在外置时需要对 其进行屏蔽处理，而在内置时如果对主机机箱进行局部加固处理，则不再需要对视频 信息处理卡进行额外的屏蔽处理，反之则需要对其进行屏蔽处理。 本发明的优点通过截获结果测试验证。
TEMPEST截获接收试验是在如图13所示的2号汉字字符图像时，在2(T500MHz频 率范围内进行的，图14、 15、 16、 17、 18和19为部分截获图像。图13是低通滤波器 后输出的视频图像(机密图像)和高频视频信息(伪泄漏图像)合成在一起的图像。
通过比较可以看出滤波前接收机可以在20MHz、 160MHz、220MHz、250MHz、270MHz、 290MHz、 310MHz等多个频点接收到视频图像；而滤波后接收机只能在20MHz和250MHz 两个频点接收到视频图像。
TEMPEST截获接收试验是在如图20所示的2号英文字符图像时在20 500MHz频率 范围内进行的，图21、 22为部分截获图像。图19是低通滤波器后输出的视频图像(机 密图像)和高频视频信息(伪泄漏图像)合成在一起的图像。
从截获图可以看出视频信息经过伪发射处理后，伪发射图像几乎完全淹没覆盖了 机要信息，已近无法辨别出原始的机要文字，特别是滤波后再进行伪发射处理的图像 机要信息被彻底隐匿了，而伪发射信息却十分凸现基本上可以辨别出文字。说明本系 统可以实现将伪泄露图像嵌入到机密图像中，使企图窃收机密信息的接受者接收到伪 装的，虚假的信号，从而保护实际的机密信息的目标。
权利要求
1、一种视频信息防泄漏方法，其特征是它至少包括将传输的视频信息通过一个低通滤波器进行低通滤波的过程，和经低通滤波器后叠加一个高频视频信息的过程。
2、 根据权利要求1所述的一种视频信息防泄漏方法，其特征是所述的视频信息 通过的低通滤波器是一个数字低通滤波器，数字低通滤波器至少具有一个保证视频图 像相位不失真的条件。
3、 根据权利要求1所述的一种视频信息防泄漏方法，其特征是所述的叠加的高 频视频信息可以是通过抖动调制算法不断的将一幅图像信息的低频能量搬移到高频端 产生的连续的高频视频信息。
4、 根据权利要求1所述的一种视频信息防泄漏方法，其特征是所述的叠加的高 频视频信息可以是通过抖动调制算法将一幅图像信息的低频能量搬移到高频端产生的 高频视频信息的存贮信息。
5、根据权利要求1所述的一种视频信息防泄漏方法，其特征是所述的高频视频 信息与经低通滤波器后的视频信息叠加是经调制算法完成的。
6、 一种基于视频信息防泄漏方法的处理装置，它至少包括安装于计算机主机显卡 和显示器之间的一个处理单元。
7、 根据权利要求6所述的视频信息防泄漏方法的处理装置，其特征是所述的处 理单元至少包括一 A/D转换电路用于将计算机主机显卡提供的模拟视频信息转换成数字视频信息; 一处理电路，用于对高频视频信息进行抖动调制算法运算； 用于将经模拟视频信息转换成数字视频信息进行数字低通滤波； 用于对数字低通滤波后的数字视频信息和抖动调制算法运算后产生的高频视频信息进行叠加算法运算输出；一存贮电路，用于存贮经A/D转换电路后产生的数字视频信息；存贮经数字低通滤波后的数字视频信息和抖动调制算法运算后产生的高频视频信息的中间结果信息和设定参数信息；一 D/A转换电路，用于将叠加后数字视频信息转换成模拟视频信息。
8、 根据权利要求2所述的一种视频信息防泄漏方法，其特征是所述的视频信 号数字低通滤波器是采用窗函数法运算的数字滤波器。
9、 根据权利要求2所述的一种视频信息防泄漏方法，其特征是所述的视频信 号数字低通滤波器是采用有限冲击响应FIR数字滤波器。
10、根据权利要求7所述的视频信息防泄漏方法的处理装置，其特征是所述的A/D转换电路选用AD公司的AD9883A;处理电路包括单片机和FPGA，单片机选用Philips 公司的P89LPC932A1; FPGA采用Altera公司EP1C6Q240C8; D/A转换电路选用AD公 司的AD9883A与配套使用的专用视频信号数模转换芯片AD7123;存贮电路是RAM，选 用ISSI公司的静态异步存储器，型号为IS61LV51216。
全文摘要
本发明属于信息安全处理范畴，具体是一种用于防止电子信息在传输过程中被恶意窃取的视频信息防泄漏方法及处理装置，其特征是它至少包括将传输的视频信息通过一个低通滤波器进行低通滤波的过程，和经低通滤波器后叠加一个高频视频信息的过程。它可以在不影响动态图像传送速度的同时，从源头进行抑制信息泄漏，同时满足电磁环境兼容性的要求。
文档编号H04N7/167GK101437148SQ200710019089
公开日2009年5月20日 申请日期2007年11月16日 优先权日2007年11月16日
发明者锦 田, 扬 邱, 陈光达 申请人:西安电子科技大学