（电路与系统专业论文）计算机视频泄露信息自动截获算法研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 本文涉及的技术领域属于电磁泄露技术中有关信息的提取技术这一分支。该技术一 方面可用于检测计算机作为信息处理设备的信息保密程度，在经济、国防等多种重要场 合为防范敌方窃密提供必要的保障；另一方面可用于获取信息情报。因此，从防护和截 获两个方面来讲，研究计算机视频泄露信息截获技术实用化具有积极和重要的战略意 义。 在认真调研电磁泄漏信息接收技术的国内外发展现状的基础上，深入分析了计算 机宽带视频信号和各种窄带时钟信号的时域、频域特征及其调制特性，提出了计算机视 频泄露信号稳定截获的必要条件，介绍了计算机显示原理，并对同步信号的精度进行了 分析和计算。 本文针对如何自动产生出与实际信号时序完全一致的同步信号这个问题，首先利 用重加滤波器和梳状滤波器对信号进行去噪处理，再用类h a 玎小波不同尺度上的滤波 器构成一个小波滤波器组，对视频信号进行多尺度滤波，在其中合适的尺度上提取出消 隐信号的特征。利用h o u 曲变换实现视频信号的消隐直线特征提取。采用垂直积分投影， 水平微分定位的算法对漂移的图像进行相位检测。经过实验验证，本文算法具有抗噪声 能力强，产生的同步信号精度高等特点。达到了稳定显示被截获电磁泄露图像信息的目 的。 关键词：计算机视频信息泄漏；稳定截获；相位；漂移 a b s t r a c t ih ea r t i c i er e f e r st ot h ef i e i do fi n f o r n l a “o ne x t r a c t i o nt e c h n o l o g y ，w h i c hb e l o n g st o 出e b r a n c ho ft e m p e s tt e c h n o l o g y o no n eh a n d ，t h i st e c l l i l o l o g yi sa v a i l a b l ei ne x a m i n i n gt h e c o m p u t e r si n f o 肌a t i o ns e c u r i t yd e g r e ea sa ni n f o r m a t i o np r o c e s s i n ge q u i p m e n t i tp r o v i d e s e s s e n t i a ls a f e g u a r dp r e v e n t i n gt h ee n e m y 仔o m s t e a l i n gs e c r e t si ne c o n o m y ，n a t i o n a ld e f e n s e a n dm a n yo t h e rk i n d so fi m p o r t a l l ts i t u a t i o n s 0 nt h eo t h e rh a n d ，i t sa v a i l a b l ei ng e t t i n g i n f o 姗a t i o n 。t h e r e f o r e ，f r o mt h et w oa s p e c t so fp r o t e c t i n ga n dg a i n i n g ，i th a sp o s i t i v ea 1 1 d i m p o i r t a n ts t r a t e g i cm e a n i n gt or e s e a r c ho nt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no fc o m p u t e rv i d e o f e q u e n c yr e v e l a t i o ni n f o r n l a t i o ni n t e r c e p t i o nt e c h n o l o g y 。 0 nt h eb a s i co fe a m e s t i yi n v e s t i g a t i n gt h ep r e s e n td o m e s t i ca n df b r e i g nd e v e l o p m e n t s i t u a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i s md i v u l g i n gi n f o r m a t i o nr e c e i v et e c h l l o l o g y ，t h ec o m p u t e r s b a n d w i d t hv i d e os i g n a l ，a l lk i n d so fn a r r o w b a n dc l o c ks i g n a l st i m er a n g ea n df e q u e n c y r a l l g ec h a r a c t e r i s t i ca n dt h em o d u l a t i o nc h a r a c t e “s t i ca r ea n a l y z e dt h o m u g h l y i tp u t sf o r w a r d t h er e q u i r e m e n t so ft h ed i v u l g i n gv i d e os i g n a lb e i n gi n t e r c e p ta n dc a p t u r e ds t e a d i l ya n d p r e s e n tt h ec o m p u l e rs h o w i n gt h e o r y ，a n dt h ep r e c i s i o no fi n - p h a s es i g n a li sa n a l y s e da n d c a l c u l a t e d i no r d e rt om a k et h en o n - s t a n d a r ds i g n a lo fv i d e o 疔e q u e n c yb e i n gs h o w nq u i c k l ya n d s t e a d i i y ，t h ef i r s ts t e pl i e si nh o wt oa u t o p r o d u c et h ei n p h a s es i g n a lt h a ti si d e n t i c a lw i t ht h e r e a ls i g n a l i na l l u s i o nt ot h i si s s u e ，t h el a y e ra v e r a g ef i l t e r sa n dc o m bf i l t e r sa u r eu s e dt ow i p e o f ft h ey a m p a n dt h e nt h eg o u p ef i l t e ri sm a d eu po fb yt h ea n a l o g yh a l l i 、v a v e f 0 肌o f d i f f e r e n ts c a j e i tn l t r a t et h ev i d e os i g n a iw i t hd i f f e r e n ts c a i e t h e nt h ec w p t i cc h a r a c t e rw i l ib e d i s t i l l e di np r o p e rs c a l e t l l ec r ) ，p t i cl i n ec h a r a c t e rm a yb ed i s t i l l e db yh o u 曲t r a n s f o 啪t h e 骰i t h m e “co fp l u m bi n 姆g r a lp 叫e c t i o na n d1 e v e jd i f f e r e n t i a lc o e 所c i e n tj su s e dt od e t e c t p h a s e t h ea r i t h m e t i cb e a l r st h et r a i tt h a ti tr e s i s t sy a m pw e l l ，w i t ht h ei n p h a s es i g n a lh i g h p r e c i s i o n t h ei n t e n to fs h o w i n gt h ed i v u l g i n gv i d e os i g n a lb e i n gi n t e r c e p ta n dc 印t u i - e di s a c h i e v e d k e yw o r d s ： c o m p u t e rv i d e oi n f b 啪a t i o nd i v u l g i n g ： s t l b l ei n t e r c e p t i o n ； p h a s e ：e x c u r s i o n i i 独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研究工作所取得 的成果。据我所知，除了特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果。对本人的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了 明确的说明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 学位论文使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的规定。即：东 北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权东北师范大学可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、 汇编本学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士学位论文全文数据库 ( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全文数据库( 中国科学技 术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发行和提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 矿 学位论文作者签名：杖指导教师签名；二2 玉! 兰 日 期：丝竺墨：驾 日期：迎呈：篁：哆 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话：垒兰臣芝j 矿哕 邮编：堇z ! 里口 东北师范大学硕士学位论文 引言 计算机已经普遍地应用在工农业、国防、科技、教育、管理等各个领域，家庭和个 人使用计算机的情况也在迅速普及。然而，任何事物都具有两面性，计算机也不例外， 计算机一方面为人们的工作、生活带来了诸多的便利，另一方面，它作为一种电子设备 以复杂的时域、频域形态向周围空间发射出电磁波，其辐射频谱从1 0 k h z 1 0 0 0 m h z ， 由此产生的危害使越来越多的人感到困扰和关注川。 计算机电磁泄漏的危害主要表现在以下几个方面【2 圳。 1 由于有向外泄漏电磁波的途径，必然存在受外部干扰、攻击的可能，潜伏着不稳 定的因素。 2 对人体健康有危害，特别是随着时间加长，危害更加明显。 3 破坏了周围环境的电磁兼容性，干扰了其他电子、电气设备的工作1 3 ”。 4 给信息安全带来严重的危害，例如： ( 1 ) 直接通过电磁场辐射或传导辐射使其视频信息泄漏出去。例如送给计算机监视器 的视频信号，其辐射的信息即可被截获与复现。 ( 2 ) 分析破译密码或密语，直接危及密码的安全。 现代保密机构均已采用微机处理技术。在信息处理过程中，信息将被辐射到附近空间， 积极接收此信息电波，将窃收的明文与密码相结合进行破密攻击，长期下去，就可以将 密码甚至高级密码破译出来。 ( 3 ) 干扰高灵敏设备的正常工作。 本文的研究的技术范畴是针对信息安全和保密中的视频信息的泄漏与截获问题。计 算机视频泄漏信息截获技术可用于获取对方的信息情报，截获技术还可用于检测我方计 算机等信息处理设备的信息保密程度，在经济、国防等多种重要场合为防范敌方窃密提 供必要的保障；同时检测水平的提高能够促进防护技术的发展，使得防护达到相应的水 平，确保国家秘密信息的安全。此技术的研究具有保密性、基础性、长期性、要求较高 的人才和资会投入，国外对该技术的研究日趋广泛和深入，美国市场规模有增无减。西 方发达国家对该技术实行严格的禁运政策【5 】，我们只有自主研发、攻克计算机视频泄漏 信息截获的技术难题才能够实现对敌方情报的窃取，另一方面也能够提高我国对计算机 视频信息泄漏的检测水平。 国内一些单位对视频接收技术的一些关键课题进行了研究，在微机辐射信息的接 收复原技术】、微机系统电磁泄漏防护技术【1 2 】等课题的研究上取得了很多成果。我的导 师和很多相关技术人员已经分析了视频图像的稳定显示对行同步信号的精度要求，计算 机视频泄漏信息的稳定截获就是要求系统能够自动地提取同步信息，并自动调整同步控 制参数使得同步精度满足要求，从而在一维时间序列中自动截获视频图像信息。本文首 先谈到计算机视频泄露信息稳定截获的必要条件，进而分析视频信号的频谱，通过对小 东北师范大学硕士学位论文 波分析的相关理论进行研究，对截获视频信息的特征进行了分析和归类，针对不同特征 研究具体的特征提取和同步偏差计算算法。 本文的工作重点是解决以下问题： ( 1 ) 实现倾斜图像纹理特征提取【9 】，进而提取图像消隐信号。 ( 2 ) 实现漂移图像相位特征提取【l o 】，使相位差为零实现锁相。进而使行同步精度 达到稳定显示的要求。 2 东北师范大学硕士学位论文 第一章计算机视频泄漏信息稳定截获的必要条件 众所周知，计算机的视频信号是通过显示器显示给用户的，用户最终见到的是一幅 二维的空间图像，而不是一维的时域信号。在由一维向二维的变换过程中，用于行、场 扫描的同步信号起着关键性的作用。同理，行、场同步信号在计算机视频泄漏信息的截 获中，为了把一维的时域信号恢复成二维的图像，也是必不可少的。另外，从显示器的 显示机理1 6 。j 可知，若使再现的视频图像稳定，则必须使扫描与信号保持严格的同步， 即足够高精度的同步信号是实现稳定截获的必要条件。 1 1 计算机显示器的光栅扫描【8 】 同常生活中的电视和计算机纯平显示器均采用光栅扫描方式显示图像。光栅扫描是 控制电子束按某种光栅形状进行的、顺序的、固定的扫描。扫描信号不随显示的字符或 图像的不同而发生变化。字符或图像的形成是靠z 轴信号控制光点的辉亮来形成的。 光栅扫描可分为逐行扫描光栅和隔行扫描光栅两种，二者基本原理相似。下面仅对 逐行扫描光栅进行说明。 在互相垂直的x y 两对偏转线圈中分别流过行、场锯齿波扫描电流，同时产生水平 方向和垂直方向的偏转磁场，在两个偏转磁场的共同作用下，电子束就在c r t 的荧光 屏上作匀速直线扫描，一行紧跟一行的扫描方式称为逐行扫描，所形成的扫描轨迹称为 扫描光栅。 其具体过程是：当行扫描锯齿波电流流过行偏转线圈时，电子束将在水平方向受到 偏转力，因而产生水平方向上的扫描。扫描电流在t l 和t 2 期间线性上升，如图1 1 a 所示。 电子束在水平方向上受到自左向右的作用力，因而自左端逐渐移到右端，这一段扫描过 程称为行正程扫描，行正程扫描所需时间称为行扫描正程时间t h l ，当行扫描电流在t 2 和t 3 时间内它由最大值迅速下降，电子束在水平方向上因受到自右到左作用力，将从右 端快速返回左端，这一段扫描过程称为行逆程扫描。行逆程扫描所需时问称为行扫描逆 程时间，用t h 2 表示。行扫描周期t h = t h l + t h 2 ，其倒数就是行扫描频率m = 1 t h 。 如果仅在行偏转线圈中通入行扫描电流，则在屏幕中间将显示一条水平亮线。当把场扫 描锯齿波电流送到场偏转线圈时，电子束由上端扫到下端所需时间称为场扫描正程时间 t v l ，当线圈中电流以较快速率增长时，电子束将在垂直方面受到偏转力，因而产生垂 直方向的扫描即场扫描。图1 1 b 为场扫描锯齿波电流，当电流线性下降时电子束受到向 下作用力，在垂直方向白上端向下端移动，这一过程称为场j 下程扫描，电子束从下端快 速返回到上端，这一过程称为场逆程扫描，场逆程时间t v 2 。场扫描周期t v = t v l + t v 2 ， 其倒数为场扫描频率仁l t v 。 在显示过程中，在行、场逆程期间使电子束截止，在屏幕上不产生显示图像，即消 隐。 3 东北师范大学硕士学位论文 图1 1 逐行扫描电流波形图 1 2 计算机视频同步格式1 1 6 】 计算机显示器利用光栅扫描进行显示，显示控制器送给显示器的信号共三种：视频 信号r g b 、垂直同步信号和水平同步信号，其中行、场同步均为方波信号。显然，必 须确保视频信号r g b 发送规律在时间上与行、场同步信号保持严格的一致，图像的显 示才能稳定。 1 3 同步信号精度分析【1 7 j 8 】 1 3 1 计算机显示的点频与行、场频的关系 通过前文的论述可知计算机视频显示是以光栅扫描为基础的，即电子束在屏幕一 ：进 行有规律的光栅扫描，一幅图像就稳定地显示出来。而要把被截获的计算机视频泄漏信 息稳定地复现出来，就需要高精度，高稳定度的水平和垂直同步信号，而且同步信号的 时序必须和被截获的视频信号的时序严格致。在计算机的显示控制器中，行、场同步 信号的频率是由点频决定的，而点频是由晶振决定的，其逻辑关系如图1 2 所示，由晶 振产生的基本时钟信号首先经过一次分频得到的用于控制像素显示的像素时钟，其频率 即为点频；然后根据一行扫描的点数，进行二次分频，得到的就是行同步信号，其频率 即为行频；最后再根据垂直最大扫描行数进行三次分频，并最终得到场同步信号，其频 率即为场频。具体时序关系如图1 3 所示，图为一款显示方式是v g a 6 4 0 4 8 0 的时序 关系。 4 东北师范大学硕士学位论文 时钟信号 像素时钟行同步信号场同步信号 匝卜屯习一p 口 图1 2 点频与行、场频的逻辑关系 晶振信号 几几几n 几几几几n 几几几几n 几几 点频信号 厂 r 厂 几r r 几厂 e = 二! q q 盛纠 行同步信号jl 1 卜一5 2 5 行- i 场同步信号 il 图1 3 晶振、点频、行场时序示意图 该显卡使用的晶振为5 0 4 m h z ，经二次分频，得到2 5 2 m h z 的点频信号。它的水平 扫描数最大分辨率为6 4 0 ，加上非显示区和行逆程的点数，一共8 0 0 个点。每点的周期 为：1 点频= 1 2 5 2 m h z = 3 9 6 8 n s ；则一行的周期为：点周期点数= 3 9 6 8 n s 8 0 0 = 3 1 7 4 4 n s = 3 1 7 4 4us ；行频= 1 行周期= 1 3 1 7 4 4ps = 3 1 5 k h z 而垂直总线数是垂直最大分辨率4 8 0 线加上非显示区和场逆程，共为5 2 5 线，所以 得到的结果：场频= 行频总线数= 3 1 5 k h z 5 2 5 = 6 0 h z 1 3 2 同步信号的精度分析与计算 既然行、场频是由点频决定的，那么能实现稳定截获计算机视频泄漏信息的同步信 号也可以用点频作为精度标准。 设晶振的频率为n ，振荡周期是1 n 。在某一种显示方式下，对晶振分频得到行同 步，分频数为h 。行同步信号的周期是h n ，它与实际行同步周期的最大绝对偏差为晶 体振荡周期的一半，即1 2 n 。 以上文v g a 6 4 0 4 8 0 显示方式为例，其每点的周期为3 9 6 8 n s ，场频为6 0 h z ，垂 直扫描线数为5 2 5 。从实际情况看，我们无法得到被截获计算机的显卡所用晶振型号， 我们假设采用1 0 0 m h z 晶振作为基准分频产生行同步，一场扫描的最大绝对偏差是： 5 2 5 ( 2 1 0 0 m ) = 2 6 2 5us 用场频乘以一场扫描的最大绝对偏差可以得到每秒产生的最大绝对偏差是： 2 6 2 5 6 0 = 1 5 7 5us 把一秒的最大绝对偏差折合成为像素点的扫描时间，可以得到 1 5 7 5 1 0 3 3 9 6 8 = 3 9 6 9 ( 像素) 折合成扫描行，可以得到： 东北师范大学硕士学位论文 3 9 6 9 8 0 0 5 ( 行) 即每秒种的最大绝对偏差是3 9 6 9 个象素点的扫描时间，5 行扫描周期。以这样精度的同 步信号去复现截获视频信息，用人眼观测显示器屏幕，只能看到一片抖动，什么也分辨 不出来。 应用传统的频率合成技术实现的同步机的精度大约在1 0 一1 0 。6 s 之间，取其最高精 度1 0 击s ，即lus ，经计算利用该方法产生行、场同步，一场的最大绝对偏差可在8 0 0 us ，远不能满足稳定截获的要求。 稳定截获除了满足人眼的主观观测，还应满足对图像数字滤波的要求。人眼主观观 测只需分辨出图像即可，但滤波器还需要有更高的同步精度，以确保图像稳定、清晰的 复现。以重加平均滤波器为例，假设以每次采样n 场信号进行运算，n 场扫描后行同步 的最大累积误差不能超过一个像素点的扫描时间。在v g a 6 4 0 4 8 0 显示方式下，行同 步信号的精度要求达到3 9 6 8 ( 5 2 5 n ) n s 。 表 n 取不同值时的精度值要求 n12345678 精度( p s ) 7 5 63 7 8 2 5 21 8 915 11 2 61 0 89 4 n91 01 11 21 31 41 51 6 精度( p s ) 8 4 7 66 96 35 85 454 7 n 2 0 3 04 05 06 07 0 8 01 0 0 精度( p s ) 3 7 82 5 21 8 91 5 11 2 61 0 8o 9 4o 7 6 从表1 1 可以看出，稳定截获与清晰再现要求的同步精度是极高的，单纯地靠提高 晶体振荡器的振荡频率实现这一高精度是不现实的。 1 4 ，j 、结 本章首先介绍了计算机显示器的显示原理，进而对行同步信号精度进行了分析。为 使再现的视频图像稳定，则必须使扫描与信号保持严格的同步，即足够高精度的同步信 号是实现稳定截获的必要条件。 6 东北师范大学硕士学位论文 第二章计算机视频泄露信号的频谱特征分析 本文研究的计算机视频泄漏信息自动截获算法的前提是接收设备能够接收到计算 机泄漏的电磁信息，不但要求接收的信号具有一定的强度，还要求信号中包含可复原的 视频信息。因此，了解计算机基带视频信号的频谱特征对有效的接收视频泄漏信息起着 至关重要的作用。 2 1 视频泄露信息的频谱特征【1 3 。4 】 根据视频信号电磁泄漏的远场分析，计算机视频信息辐射频谱的衰减与视频信号的 点频和信号的上升时间有关，我们以6 4 0 卡4 8 0 的显示模式为例分析视频信号电磁泄漏的 频谱特点。计算机显示分辨率6 4 0 木4 8 0 场频6 0 h z 。对应点频毛为2 5 m h z 。时钟脉冲的 信号占空比大约为5 0 ，我们假设上升时间大约为脉冲宽度的1 1 0 。计算可知，时钟周 期t = l f i - 4 0 n s ，t = 2 0 n s 。对应的频率f l = 16 m h z ，龟：l6 0 m h z 。视频信号的频谱每个 波瓣的宽度为5 0 m h z 。理论分析可以推断计算机显示卡在字符方式下显示分辨率设为 6 4 0 牛4 8 0 场频6 0 h z 时，视频信号的辐射在1 6 m h z 到1 6 0 m h z 频率范围内较强，在这个 范围内存在几个视频波瓣，截获者只要接收到一个波瓣内的完整信号，就可以恢复出视 频信息的时域波形，从而复现出视频泄漏信息。 一 计算机中处理数据都是将所有的信息变化成“0 和“1 两个数，然后不断的进行 累加而计算出来的，显卡也是靠这些“0 和“1 ”对每一个象素进行颜色、深度、亮度 等各种处理。计算机在图形显示模式下，显示卡送出的信号是具有连续灰度级的视频脉 冲信号。根据显示模式的需求，显卡将处理好的具有颜色、亮度、深度信息的视频显示 信息存储在帧存储器内，帧存里的数据在同步信号和像素时钟的控制下经过 r a m d a c ( 视频信号数模转换器) 转换成模拟信号输出。根据显示分辨率、刷新频率与 视频信号带宽的关系，视频信号的带宽决定了对i 认m d a c 转换速率的要求，目前高分 辨率的视频带宽已经达到上百兆。高速r a m d a c 能够输出高频模拟视频信号控制c r t 显示器电子束实现图像的显示。 计算机图像显示时的视频脉冲信号是随机的宽带模拟信号，因为l 认m d a c 的速度 大于视频信号的数字带宽我们可以近似的认为视频信号是由像素时钟对模拟信号的取 样。这样高频模拟视频脉冲信号可以近似表示为具有不同幅值的数字脉冲的时延和： s ( t ) = k 。f ( t n f ) ( 2 1 ) 根据显示图像格式的不同，图像的灰度级不同，对于2 5 6 ( 8 b i t ) 色解析度k 。为o 2 5 5 之问的随机数，f ( t ) = a g 。( t ) ，t 为脉冲宽度，那么s ( t ) 的谱密度可表示为； s ( ) = f ( ) 半：k 。e x p ( 一j n f ) ( 2 2 ) 7 东北师范大学硕士学位论文 其中坟) 为f ( t ) 的谱密度f 渤) ：a f 竺掣 tlj z 图像信息输出的视频信号点脉冲持续时间t 就等于点周期，计算可以得知视频 i l f 漏 信号的波瓣宽度就等于显示卡视频脉冲信号的带宽。与字符显示相比，图像信息的辐射 频谱波瓣宽度将减小一半，波瓣宽度等于视频信号的点频岛，随机视频信号的辐射频谱 示意图如图2 1 所示。由于l 认m d a c 的作用，图像信息的高频成分减少，视频信息的 辐射能力相对减弱，要求截获系统具有更高的灵敏度和放大能力。接收机只要接收到辐 射频谱中一个高频波瓣的信号就可以提取出完整的基带视频信号。 扔 2 厶， 坟m h z p 图2 1 视频信号辐射频谱示意图 2 2 基带视频信号的频谱特征( 2 0 。2 1 】 通过对计算机视频信号电磁泄漏频谱的分析，我们得出结论：只要接收机能够接收 到一个完整旁瓣内的辐射信息就可以提取出基带的视频信号。计算机的视频信息是串行 的一维时间信号，通过计算机显示卡的光栅扫描原理可知要想将一维的信号复现出二维 的图像信息，必须有同步信号的控制。因此，扫描信号是信息复现所必须的信号，应当 予以重视。在计算机显示过程中，同步信号是由显卡精确给出的；在视频信息的电磁辐 射过程中由于行、场扫描信号都是低频信号，直接通过辐射泄漏不易被接收，我们接收 到的是视频信号的辐射信息。为了实现计算机视频信息的二维复现，我们必须研究基带 视频信息的特征，通过信号处理算法在一维视频电磁泄漏信号中提取出隐含的行、场同 步信息。 计算机显示时对屏幕内容不断地进行刷新，对于非重复的信息显示，原始视频信号 为随机信号。但对于静止的计算机图像或变化缓慢的图像，由于在显示卡上采用了周期 性扫描，所以视频信号具有周期性的特点。若图像在垂直方向没有变化，形成的图像信 号将是以行频为重复周期的信号( 在不考虑场消隐信号情况下) ，它可以用复数形式的 傅立叶级数表示为： p ( ) = c ng 舢( 2 剐 一 式中h 为行频角频率，c 。为振幅，上式表示是以行频为问隔的离散线状谱。如果图 像垂直方向上也有变化，则按行频扫描和场频扫描形成的图像信号，将具有二维付立叶 r 东北师范大学硕士学位论文 级数的形式 p ( 矿) = c 门m p 门国h + 肌国v v( 2 4 ) 门，竹= 埘 式中v 为场频角频率。从以上二式可以看出，图像信号不单是按行频重复的，它具有 行频的各次谐波分量，当图像在垂直方向也有亮度变化时，可以看作场频信号对行频信 号的幅度调制，所以视频图像信号的频谱应是以行频及其谐波为主谱线，在主谱线两侧 对称分布着由场频及其谐波组成的谱线族，如图2 2 所示： llii| iil| | | i | 卜，一l h i 、 0f h2 f h 3 f h 图2 2 计算机视频信号谱线 由此可以得出结论，计算机视频信号辐射的频谱是包含有同步信号的信息的。 上述结论也可以在时域中解释。由t e m p e s t 技术截获的泄漏信息被数据采集卡转 换为离散信号。图2 3 是采集的一场视频信号的示意图。在图中可以看出，在整个时间 序列上周期性地存在着信号区( 显示区) 和无信号区( 行消隐区) ，但其中夹杂着噪声。 这个周期值就是我们关心的行频周期。只要采取适当的方法就可以从接收的信号中提取 出行同步信息。 信号区 信号区信号区 信号区 几n 几几 消隐区 消隐区 消隐区 图2 3 被截获的视频信号示意图 2 3 图像内容对视频信号频谱的影响【1 9 】 计算机的显示内容是千变万化的，有文字、静止图像、动态视频等等，显然不同显 示内容的视频信号具有不同的特征。电磁泄漏信号的强度与视频信号强度息息相关，根 据电磁辐射的原理，信号的频率特征也对辐射能力起着至关重要的作用。信号幅度愈大， 频率愈高，功率愈大，辐射就愈强；信号波形愈尖锐，其频谱愈宽，高频分量愈丰富， 辐射也就愈强。下面我们具体分析一下文本信息和图文信息的频率特性。对于文本信息， 由于字符的笔画变化频繁，对比度大，信号的高频分量比较丰富，我们对满屏显示的五 号字和一号字作频谱分析如图2 4 所示。 9 东北师范大学硕士学位论文 五号字一号字 图2 4 不同字号文本信息的频谱 图2 5l i n a 图像及其频谱 通过比较可以看出，在相同的显示分辨率下，满屏显示五号字和一号字的视频信号 频潜具有相同的信号带宽，但是由于笔画粗细的不同，信号频率的成分有所不同，大的 字体对应的信号频谱低频分量比重大，信号能量主要集中在低频，小的字体高频成分比 较丰富。由此可以推断小字体的视频信号辐射能力强，但是由于高频成分比重大，对信 号的恢复也起重要的作用，因此采集信号必须覆盖整个视频信号带宽。对于大字体而言， 高频信号分量能量小，对信号恢复影响也小，采集信号能量集中的低频分量可以大致的 恢复出字形。对于图像信号，灰度变化缓慢，视频信号的高频对应图像的轮廓等细节信 息，一般来讲，图像的频谱更加集中于低频部分( 如图2 5 所示) ，因此显示图像内容 的视频信号辐射能力弱一些，对接收的带宽要求更低一些。 综上所述，显示内容对应的视频信号高频成份越丰富，辐射能力强，对接收灵敏度 要求降低，但是对接收的带宽要求高。平滑的图像视频信号能量集中在低频段，辐射能 力弱，对接收灵敏度要求高，接收信号的带宽可以适当减小。 本节重点讨论了计算机视频泄漏信号的频谱特征，根据理论分析可以得知： 1 计算机视频信息的电磁辐射频谱覆盖范围很宽，在中频段辐射较强，信号的频谱呈现 1 0 东北师范大学硕士学位论文 多个波瓣的形状，任意一个旁瓣的信息可以恢复出基带的视频信号。波瓣的宽度由视频 信号的像素时钟频率决定。 2 计算机视频泄漏信号的基带信息含有重要的视频图像信息，同时视频信号中隐含了行、 场同步信号的频率信息，可以通过对一维视频信号的处理分析提取出同步信号，从而恢 复出二维的图像。 3 计算机的显示内容决定了视频信号的频域成分有所不同，不同的信号对接收机的灵敏 度和带宽要求有所不同。 2 4 ，j 、结 为了实现计算机视频泄漏信息的有效接收，本章主要分析了计算机视频泄漏信号的 频谱特征，为计算机视频泄漏信息截获系统的研发奠定理论基础，能够有效的指导视频 信号的截获实验工作。 东北师范大学硕士学位论文 第三章小波变换理论在视频泄露信号接收中的应用研究 上文已经分析了视频图像的稳定显示对行同步信号的精度要求，计算机视频泄漏信 息的自动截获就是要求系统能够自动地提取同步信息，并自动调整同步控制参数使得同 步精度满足要求，从而在一维时间序列中自动截获视频图像信息。为了实现系统对行同 步参数的自动调整，本章对信号处理的相关算法进行了研究 3 1 小波分析【1 5 】 小波分析的理论和方法近年来在科学研究和工程中得到了广泛的应用，小波分析是 泛函分析、傅立叶分析、样条分析和调和分析的完美结晶。它是一种时频分析方法，具 有多分辨率分析的特性，在时域和频域都具有突出信号突变特征的能力。小波变换为图 像信号的表示提供了一种多分辨率的方法，图像信号经过小波变换后可以用小波系数来 描述，小波系数体现了原图像的性质。小波在图像处理中的应用思路1 3 l 】主要就是把时 间或空间域的图像信号变换到小波域的多尺度上，根据小波基的特点来分析和处理小波 系数，达到滤波、特征提取等图像处理的目的，然后再将处理后的小波系数反变换，得 到处理后的目标图像。对于图像分析等领域也可以直接在小波域提取图像特征，不必还 原图像。下面简单介绍一下小波分析的理论框架，在多分辨率分析的基础上构造正交小 波基，对信号进行多尺度分析。 定义满足以下允许条件的平方可积函数y ( f ) r ( r ) 为允许小波 。 ( 3 - 2 ) 其中，删o ，6 拙) ；南y ) 州，功代表地) 内积。我们称y 为母小 波，称1 5 f ，柑为小波。 相应的反变换为： 饨) 。专f f 上喝( 咖) 南y ( 等) 警 协3 ， = 专m 咖。，) 警 东北师范大学硕士学位论文 其中，参数口和6 是连续的，分别控制母小波函数v 的伸缩和平移。对口和6 的积分是 在整个连续相平面内进行的。相平面是物理学中的概念，在这里指时间和频率作为整体 考虑时组成的二维的几何平面。 关于公式( 3 3 ) 可以有两种解释： 1 函数厂可以用它的小波变换系数啊( 口，6 ) 唯一地表示，函数与无限维的小波向量空 间之间存在一一对应关系。 2 函数厂可以写成一组小波l f ，。的叠加形式。 通过改变尺度参数a ，实现对信号的多分辨率分析，即随着a 的减小，小波函数的 时窗也随之变窄，而频率窗随之向高频端展宽，从而实现窗口大小的自适应变化。即在 信号低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，在高频部分具有较高时间分 辨率和较低的频率分辨率。 小波变换的定义形式并不是唯一的，在边缘检测、信号滤波等应用中，小波变换定 义成卷积的形式： l ， 一r 町( 口，6 ) = 厂( ，) 幸帆( r ) = 二i ：) 厂( f 沙( = 二) 以 ( 3 4 ) 口”。口 小波变换的作用可以粗略的比喻成利用镜头观察目标，待分析信号f ( t ) 就是目标， i f ，( t ) 代表镜头的作用( 卷积或者滤波) 。t 相当于使镜头相对于目标平行移动，a 相当 于镜头向目标推进或远离。由此可见小波变换有以下的特点【2 2 】： ( 1 ) 具有多分辨率( 也叫多尺度) 的特点，可以由粗到细的逐步观察信号。 ( 2 ) 小波变换也可以看成用基本频率特性为l f ，沏) 的带通滤波器在不同尺度a 下对信号 作滤波。由于傅立叶变换的尺度特性：f ( y ( x a ) ) = ial f ，( a ) ，因此这组滤波器具有品 质因数恒定，即相对带宽( 带宽与中心频率之比) 恒定的特点。 、 ( 3 ) 适当的选择基本小波，使i f ，( t ) 在时域上为有限支撑，i f ，沏) 在频域上也比较集中， 便可以使小波变换在时、频两域都具有表征信号局部特征的能力，因此有利于检测信号 的瞬态和奇异点。 基于上述特征，因此有人把小波誉为分析信号的数学显微镜。小波变换的粗略解释 如图3 1 ：利用小波分析工具可以实现对信号不同尺度的观察，得到感兴趣的特征系数， 实现信号的多尺度分析。 东北师范大学硕士学位论文 弋、海篡 。镜头一 。 推进 u 一 方向s w 以较1 。 li 镜头 图3 1 小波变换的粗略解释 鳜 拼 频 辑 3 1 2 多分辨率分析和正交小波构造 多分辨率分析( m u l t i r e s o i u t i o na n a l y s i sm r a ) 是建立在函数空间概念上的理论， 它定义了一个由尺度函数( t ) 在不同尺度下张成的一系列尺度空自j ，信号在不同的尺度 空间上投影，就可以实现对信号由粗及精的多分辨率分析。但是尺度函数在不同的尺度 空间不具有正交性，不能够作为r ( r ) 空间的正交基。为了构造亭( 月) 空间的正交基定义 了小波空间为尺度空间的补空间，小波函数y ( t ) 是小波空间的一组正交基，可以证明尺 度函数和小波函数构成了r 似) 空间的一组正交基，小波空自j 是两个相邻尺度空问的差， 信号在小波空问的投影，反映了信号的细节信息。多分辨率分析理论下定义的尺度函数 咖( t ) 和小波函数l f ，( t ) 具有一些重要的性质： 妒( t ) = h 。咖( 2 t n ) y ( t ) = g 。妒( 2 t n ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) 式( 3 5 ) 、 ( 3 6 ) 表述了相邻两尺度空间基函数的关系，被称为两尺度方程，h 。、g n 是由尺度函数和小波函数决定的滤波器系数，与尺度无关。根据两尺度方程，我们可以 构造正交小波和滤波器组。 我们在时域中取定标准的正交尺度函数为【4 2 】： 绯，= 忪墓j 1 7 ， 按照m r a 构造小波的方法，只要推导出相应的两尺度方程 驴( t ) = h 。咖( 2 t n ) ( 3 8 ) 确定两尺度方程的系数 h n ) ，就可按g 。= ( 一1 ) n h 卜m 确定 ) ，从而确定正交小波函数l f ，( t ) 。 1 4 东北师范大学硕士学位论文 因为利用砂( t ) 的正交性，由式( 3 - 8 ) 有： 弘( t ) 9 i ( 2 t n ) d t = h k ( 2 t k ) 妒( 2 t n ) d t ， 小住蒜：1 ， 所以，求得 h 。) 只有两个非零数值，于是 g 。) 也仅有两个非零数值。即 1 1 ，n = 0 ， g 。= ( 一1 ) n h l 一。= 一1 ，n = l ， i o ，其它。 从而进一步推导出l f ，( t ) 的时域表达式为： 叫，= 聊叫= 仁。麓要磐 妒( t ) 和y ( t ) 的波形如图3 2 所示。 ( 3 - 9 ) ( 3 1 0 ) 图3 2h a r r 小波波形 l f ，( t ) 与数学家a h a 玎于1 9 1 0 年提出的h a 盯系不谋而合，故称为h a r r 小波。由图 3 2 可见，h a l l r 小波在时域中支集很短，在时域中的局部能力很强。利用h a r r 小波在时 域与信号进行卷积型的小波变换，可以有效的提取信号的奇异点。 3 1 3h a r r 小波滤波器的设计 对离散的数字信号进行小波分析，小波也要进行离散处理。( 3 4 ) 式描述的是连 续小波变换，参数口和6 是连续的，分别控制母小波函数缈的伸缩和平移。一维信号厂( ，) 变换为二维的小波变换系数胛，( 口，6 ) 后其信息是有冗余的，也就是说连续参数a ，6 可以 离散化而不丢失信息，由一组离散小波族可以重建信号。 当然，对于给定的一族小波， 函数厂是否可以用它的系数完全表示，要取决于参数离散的步长。如果这族小波可以构 成框架( 觑吼e ) ，对任何信号厂( ，) r ( 尺) 都可以用它来进行完全重建。对于正交小波 可以利用两尺度方程的系数 h 。 、 g 。) 由m a l l a t 分解和重构算法进行快速运算，分解后 的小波系数可以完全重建原信号。但是如果不需要对所有的函数进行重建，就不一定要 东北师范大学硕士学位论文 满足以上的框架和正交条件。在信号的奇异点检测中只要分析信号的小波系数，提取奇 异点，不需要重建信号，因此只要将信号投影到不同尺度的小波空间进行分析即可。我 们可以对参数口、6 进行离散化。一种通常的离散方法就是将尺度按幂级数进行离散化， 即取a 。= 口孑( m 为整数，玎。1 一般= 2 ) 。对于位移的离散化，当口= 2 0 = l 时， l f ，础( ，) = y o 一6 ) ，通常对6 进行均匀离散取值，以覆盖整个时间轴，为了不丢失信息， 我们要求采样间隔满足n y q u i s t 采样定理，即采样频率大于等于该尺度下频率通带的二 倍。每当m 增加1 ，尺度口增加一倍，对应频带减少一半，可见采样频率可以降低一半， 也就是采样间隔可以增大一倍，因此，如果尺度m = o 时b 的蒯隔为t s ，则在尺度为2 m 时的问隔为2 m t 。此时v ，础( ，) 可以表示为 眦) = 丢y ( 争= 专y ( 半) 一眦) j ( 3 为了简化起见往往将t 轴用t 。归一化，这样( 3 1 1 ) 式就可以表示为： 、 i f 厂。( ，) = 2 。m y ( 2 - m t n ) 一( 3 1 2 ) 为了叙述方便，我们称小波y 。( f ) 为尺度为m 的小波。对于h a 仃小波母函数为： l f ，( t ) ：j 11 ) k 2 ， ( 3 - 。 l l1 2 t 1 尺度为m 的h a f r 小波函数为 y ( t ) ：j 2 “ o 专k 2 ”1 ， ( 3 14 ) 卜2 1 “ 2 “。t 2 ” h a r r 小波基函数在不同尺度下时域波形如图3 3 所示： 图3 3 不同尺度的h a 玎小波 h a r r 小波族在空问域和频率域都有很好的局部性。小波y 删的支撑域与m 成比例，当m 的取值很小时，对应于频率较高的小波。这时，对应于高频小波l f ，删在时间域内的平移 参数也很小，这意味着，高频小波可以用来分析信号的细节，并且能够对高频信号的发 1 6 东北9 币范大学硕士学位论文 生位置准确的定位。将信号投影到不同尺度的小波空间【2 9 1 ，可以提取出不同频率的信号 特征点。 图3 4 几种不同的信号波形 前面叙述的离散小波参数是离散化的，但是小波函数仍然是连续的，在对数字信号 进行小波分析时，要