基于Matlab平台的《信息隐藏》教学改革研究.docx

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基于Matlab平台的《信息隐藏》教学改革研究

基于Matlab平台的《信息隐藏》教学改革研究

[摘要]如何在有限的课时内有效地讲授多媒体信息安全专业的重要课程——《信息隐藏》，激发学生学习热情、提高教学和实验的效率是信息安全专业教学的难点。

通过问卷调查和对该课程特点的深入研究，并与传统教学方法和演示与实验平台相比较，提出基于matlab平台的课程教学改革的方法。

实践表明该方法较大程度化解了传统教学方式中不易解决的难点，提高了学生的学习兴趣，获得了良好的教学效果。

[关键词]信息隐藏matlab教学改革多媒体信息安全

[abstract]‘informationghiding’isasignificantcourseofmultimediainformationsecurity.itisadifficultyinteachingofthiscoursetoimprovetheefficiencyofteachingandstimulatestudents’enthusiasmforlearning.anovelteachingreformwaybasedonmatlabplatformisproposed,throughthequestionnairesandthein-depthstudyofthecharacteristicsofthecourse.thenovelwayiscomparedwithtraditionalteachingmethodsandpresentationoftheexperimentalplatform.teachingpracticeshowsthatitgreaterextentresolvesthedifficultyoftraditionalteachingmethod,andimprovesstudents’interest,andobtainsgoodteachingeffectiveness.

[keywords]informationhidingmatlabteachingreformmultimediainformationsecurity

1.引言

多媒体信息安全是信息安全专业的一个重要分支，而《信息隐藏》则是多媒体信息安全专业的基础和主干课程，其主要研究内容是利用信息论、统计学、矩阵论、计算机图形学以及编码理论等基础课程知识的综合应用，采用数字多媒体（数字图像、音频、视频、文本和流媒体等）作为载体，将信息嵌入到载体中，并满足各种应用的需求。

该学科的典型应用研究即数字水印、数字隐写术以及隐写分析等，而这些典型的研究成果正在和已经广泛应用于多媒体版权保护、数字隐秘通信和隐秘通信分析等各个方面，影响着国民经济的发展乃至国家安全等重要方面。

《信息隐藏》这门课程着重强调理论原理和算法编制，是一门理论性和应用方法论均有较高要求的课程，可以为学生从事各种实际的多媒体信息安全系统的分析和设计提供理论基础和应用工具，是多媒体信息安全专业学习中的一门不可或缺的专业课程。

如何帮助学生理解与掌握《信息隐藏》的基本概念、原理、分析方法以及综合应用所学知识解决实际问题的能力，是目前该课程教学所要解决的关键问题。

由于《信息隐藏》要求数学（特别是统计学和优化理论）基础知识较广，且不同应用问题有不同要求，对应不同求解方法，这给如何向非数学专业的学生教好这门课程提出了不小的难题。

目前通常在《信息隐藏》课程教学中大多采用c/c++语言平台进行算法讲授和实验，虽然c/c++语言也具有一定的计算函数和扩展工具包，但是由于该课程有着极强的应用性，需要进行大量程序编制和实验，在采用c/c++语言时绝大多数的实验平台构建仍需学生自己编写大量的代码，而课程的学时数又相对较少（学生在课程中进行实验的时间通常在20个学时以下），这也给如何让学生在有限的学时内理解和掌握这门课程的基本理论和方法提出了教学的难题。

由于matlab程序编制和实验平台具有极强的数学表现性能（其开发初衷即为一个数学和科学计算的平台），且matlab语言程序编制简便快捷，本身具有强大的程序库函数，对运算和实验结果的表现非常具体和形象，因此在各个学科领域均得到了广泛的应用，发达国家对很多自然科学和技术专业的高等教育也广泛采用了matlab平台。

在国内各高校的教学和实验中也开始在不少学科尝试基于matlab平台的教学改革，如杨雪梅[1]对基于matlab平台对信息和计算科学专业的教学改革进行了探讨；汪洋[2]则利用matlab教学平台对《自动控制原理》的课程教学进行了有益的改革尝试；另外其它许多研究者也提出了不同的基于matlab平台的教学改革思路[3-4]

本文以下部分分析传统教学过程中存在的问题，并结合《信息隐藏》课程理论和应用实验的特点，通过实例的方法就如何基于matlab平台，对该课程的教学和实验进行改革，以提高学生学习和掌握本课程的能力进行研究和探讨。

2.传统教学过程中存在的问题

《信息隐藏》通常为大学三年级开设课程，鉴于该课程的理论较深且实践性较强的特点，使得传统的教学过程存在一定的困难。

为此，选取计算机系信息安全专业两个班的学生进行问卷调查，共发放问卷53份，回收49份有效答卷，同时随机抽取学生进行深入访谈。

通过调查问卷和访谈，发现该课程教学主要存在以下问题：

1）抽象理论概念多，算法分析涉及较多数学，特别是积分变换、矩阵论和统计学知识。

教学过程易枯燥，教学演示不直观，学生学习难度较大，不易培养学习兴趣。

通过课后访谈发现，81％的学生对该课程存在较严重的畏难情绪。

造成这一现象的原因主要有以下几方面。

①没有较系统地学过信号分析类课程中傅里叶变换、离散余弦变换等知识点，使学生对数字图像空域和频域中的变换和逆变换较难理解。

②没有深入学习过线性代数或矩阵论理论。

使学生对课程中数值矩阵的运算较陌生。

③由于学生统计学基础知识较薄弱，因此对课程中利用各种统计学知识进行分析的算法难以理解，只“知其然，不知其所以然”，对整个课程逐渐失去兴趣。

④由于教学演示不直观，使得学生对课程教学中一些基本原理和算法所产生的效果较为茫然，对整个课程逐渐失去兴趣。

2）实验课开设课时较少，无法给理论教学足够的支持。

《信息隐藏》是理论教学和实践结合非常紧密的课程，各中基本原理和算法的实际效果不仅需要教学演示，更需要学生实际动手和分析，因此通常课程有近一半的课时是实验课时，包括验证性实验和设计性实验。

但是，由于传统教学和实验中常常采用c/c++等编程和调试平台进行实验，而这样的平台对多媒体信息处理等科学计算和工程应用的工具函数库支持不足，使得学生耗费大的实验时间在非课程重点问题的解决上，从而相对地减少了对课程本身需解决问题的实验和体会，降低了学生进行实验的积极性，对理论体系的支持也不够。

综上所述，《信息隐藏》课程的传统教学模式亟待改革，需要采用更适合本课程特点的教学演示和实验平台。

3.matlab编程环境和语言

matlab（matrixlaboratory，矩阵实验室）主要包括matlab和simulink两大部分，其将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了全面的解决方案，在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如c、fortran）的编辑模式。

matlab的基本数据单位是矩阵，其指令表达式与数学和工程的常用形式很相似，故用matlab解算问题比用c，fortran等语言简捷得多，且其开发公司——mathworks在新版本中也加入了对c、fortran、c++和java的支持，可直接相互调用。

使用matlab进行编程、调试具有以下优势：

①工作平台和编程环境友好：

matlab由一系列工具组成。

这些工具方便用户使用matlab的函数和文件，且大多采用图形用户界面，人机交互性强，操作简单。

matlab编程环境提供了较完备的调试系统，程序不必经编译即可直接运行，且能及时报告出现的错误及进行原因分析。

②程序语言简单易用：

matlab是高级矩阵/阵列语言，包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。

用户可在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可先编写好一个较大的复杂应用程序后再一起运行。

新版matlab语言基于c＋＋语言基础，其语法特征与c＋＋相似，但更简单更符合科技人员对数学表达式的书写格式，且可移植性更好。

③科学计算数据处理能力强大：

matlab是一个包含大量计算算法的集合。

其拥有600多个工程数学运算函数，可实现用户所需的各种计算功能。

函数中使用的算法均为科研和工程计算的最新研究成果，且经过了优化和容错处理。

④图形处理功能出色：

matlab具有方便的数据可视化功能，可将向量和矩阵用二维和三维图形表现出来，且其不仅具有二维曲线和三维曲面等的绘制和处理功能，还对于如图形光照处理、色度处理及四维数据的表现等同样出色。

⑤模块集合工具箱广泛：

matlab对许多专门领域由特定领域的专家开发了功能强大的模块集和工具箱，用户可直接使用工具箱学习、应用和评估不同的方法而不需要自己编写代码。

⑥程序接口和发布平台实用：

matlab程序可自动转换为独立于开发环境的c/c++代码，且允许编写可和matlab进行交互的c/c++程序。

4.matlab平台在《信息隐藏》课程教学中的应用

由于授课课时的限制，目前《信息隐藏》大多采用数字图像为载体进行讲授。

而数字图像的实质即为数值矩阵，在数字图像中隐藏信息也即对这些特定的数值矩阵的空域和各种变换域（如dct域或dwt域等）进行处理。

matlab本身即为一种高级矩阵/阵列语言，可直接使用以矩阵为基本运算单元的matlab编程环境和语言对数字图像的信息隐藏进行编程实现和调试，这样就具有比其它程序语言其他基于标量的编译性语言如c、fortran等更为方便和易于实现的优点，非常适合利用其对《信息隐藏》课程进行讲授和实验。

由于matlab编程特点接近于人的思维方式，编程过程犹如在纸上列公式求解，大大降低了编程门槛，使得《信息隐藏》的学习者可以将主要精力放在算法和问题本身上，而不是耗费在程序的编写和调试上，因此选择matlab作为工具平台，辅助该课程的教学和实验对教与学得效率有较大的提高。

下面《信息隐藏》的几个典型教学实验为例进行说明。

4.1lsb嵌入实验

在数字图像载体的信息隐藏中lsb（leastsignificantbits，最低有效位）类算法是出现得最早且应用最为广泛一种算法。

因此基本lsb隐藏算法是《信息隐藏》课程的最基本实验之一。

基本lsb嵌入算法的原理是：

将载体嵌入域的最低位平面替换为隐秘信息比特流，学生实验中通常采取将自然图像空域像素的lsb位替换为需嵌入的隐秘信息。

而lsb隐写的提取算法则是嵌入算法的逆操作，即接收者根据密钥在载密图像中直接提取载密域最低比特位平面中的隐秘比特流，并解密得到隐秘信息。

基本lsb实验主要是嵌入算法实验，若使用c/c++等语言进行实验，由于对载体的读取、写入等程序的编写和调试将占用大量的时间，使得学生对本实验中真正需关注的原理和步骤反而没有时间去完成和理解。

而由于matlab平台本身具有各种类型图像载体的基本处理工具包函数，因此对该实验的程序编写非常简单，如下：

其主函数为

clear

a=imread（‘lena.bmp’,’bmp’）;[m,n]=size（a）;

secret=randint（1,262140,2,123）;a_lsb=lsb_stand（a,secret）;

imwrite（uint8（a_lsb）,’lena_lsb.bmp’,’bmp’）;

而lsb嵌入函数为

functiona_secret=lsb_stand（a,secret）

[m,n]=size（a）;[p,q]=size（secret）;

a_secret=a;k=1;

fori=1:

m

forj=1:

n

ifkf（i_c,j_c）r1=r1+1;

elseiff_f1f（i_c,j_c）r2=r2+1;

elseiff_f_1

end

end

sum=64*64;r_ad=r1/sum;s_ad=s1/sum;

r_mi=r2/sum;s_mi=s2/sum;

从上述matlab程序可知，需要编写程序的主要部分全是rs分析算法的主体步骤，且语句简单易调试。

对于实验结果的显示，使用matlab平台的图像显示功能也非常直观如图2。

图2图像lena的rs分析结果

5.结论

本文总结了多年信息安全专业的重要课程——《信息隐藏》教学实践中，对课程重难点内容教与学经验。

通过与传统的计算机编程和调试平台的比较，提出将matlab平台运用于该课程的教学演示和实验指导中，充分利用matlab平台变量基于矩阵运算、具有大量通用的数字多媒体处理和科学计算工具箱、编程和调试简便易行、实验演示手段丰富直观等作为现代科学计算、实验和教学工具的优势，在教学中使抽象的数学概念具体化、形象化，使繁琐的编程和计算简单化。

在《信息隐藏》教学和实验中，可较大限度地减轻教师和学生在非课程重点内容的环节所花费的精力，使得学生能够在有限的课时内充分理解和掌握学科的基本原理和实验操作，实现教学讲解和实验验证的同步进行。

教学实践证明，基于matlab平台对《信息隐藏》课程教学和实验的各环节进行改革和调整，可使教学效率有大幅提高。

应用matlab平台作为教学和实验的基本平台扩展了学生的思维空间，使学生更易于理解和接受该门课程中的抽象理论，也克服了传统教学中讲解内容抽象、教学内容难以扩展、手工绘图不准确、实验结果演示不直观等方面的不足，更易激发学生的学习兴趣，从而促使其更深入地掌握本课程的内容，增强学习的自信心。

另外通过对matlab平台软件掌握的同时，也培养了学生利用科学计算和编程工具去分析解决实际工程问题的能力，为将来从事的信息安全专业工作打下良好的基础。

虽然matlab语言与c/c++类似，具有c语言基础的计算机和信息类专业的学生可较快地掌握，但是由于该平台具有种类繁多的各种科学计算和工程应用的工具箱，而限于《信息隐藏》课程总体课时有限，因此仅仅能够将该平台与本课程有关的几个工具箱的运用教授给学生。

如何将matlab平台作为高等理工科教学和实验的基本平台，使得学生可以较为熟练和全面的掌握该平台的应用是值得进一步思考和研究的方向。

参考文献:

[1]杨雪梅.matlab应用于信息与计算科学专业教学的实践与体会[j].教学研究,2010,33（5）:

49-52.

[2]汪洋.基于matlab教学平台的《自动控制原理》教学改革研究[j].台州学院学报,2011,33（3）:

76-81.

[3]吴涓,宋爱国,温秀兰.“matlab语言与应用”课程教学设计探讨[j].电气电子教学学报,2010,32（6）:

10-11,16.

[4]阮周生,何杰.matlab在《运筹学》教学中的应用[j].科技广场,2006,7:

92-93.