一種在低質量圖像壓縮數據中無損隱藏高質量圖像的方法與流程

2023-09-20 21:09:35 3

本發明涉及一種數據傳輸的方法，特別涉及一種在低質量圖像壓縮數據中無損隱藏高質量圖像的方法，屬於通信(如數據通信技術等)領域。

背景技術：

數據傳輸和圖像處理是目前通信領域的重要研究課題。隨著科技的發展，人們對高解析度圖像的需求越來越大，數據壓縮勢在必行。

數據壓縮分為有損壓縮與無損壓縮方法，有損壓縮方法壓縮比比較大，但壓縮後恢復圖像與原圖像存在一定的信息損失，只要主客觀評價指標符合要求，在實際中對應用沒有多大影響。無損壓縮方法壓縮後恢復圖像與原圖像不存在信息損失，但壓縮比特別小，一般2倍左右，使用場合受限，不便於進行數據傳輸。一般高速數據傳輸系統採用的壓縮方法大都是有損方法，對圖像來說，一般峰值信噪比(psnr)應該達到30db以上，35db以上效果才比較理想。

目前圖像數據壓縮方法有許多，代表性的有jpeg以及jpeg2000壓縮標準。由於壓縮標準算法功能比較多，算法與圖像本身特性有關，不是什麼情況下都有好結果。在許多實際應用情況下，壓縮比一般為4倍，壓縮前總數據率較高，如1200mbps，壓縮方法如果複雜，則難於硬體實現，因此目前jpeg2000壓縮算法大都基於國外壓縮晶片實現，研製成本高、受制於人；或者，有的任務不需要那麼高的圖像質量，例如衛星艙外監控、對地觀測普查，小衛星、微納衛星圖像傳輸、技術試驗衛星圖像傳輸、空間站內部監控、地面監控系統等，沒有必要採用國外jpeg類壓縮晶片。分塊截斷編碼(btc)壓縮方法就是一種經典的低成本壓縮方法，典型壓縮比為4倍，峰值信噪比psnr為30db以上，一般情況下可以。但是，對於重要目標或感興趣區域，psnr在30db左右可能無法滿足用戶需求。

軍民融合等場合，也有高質量軍用和低質量民用圖像同時傳輸的需求。

用戶也有把高質量圖像隱蔽在低質量圖像中偽裝傳輸的需求。

信息隱藏技術的出現，為解決上述問題提供了新的途徑。

技術實現要素：

本發明解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提供一種在低質量圖像壓縮數據中無損隱藏高質量圖像的方法，可用於數據(特別是圖像數據)的無損信息隱藏傳輸。

本發明的技術方案是：一種在低質量圖像壓縮數據中無損隱藏高質量圖像的方法，步驟如下：

1)將原始圖像a0分成大小為k1*k2＝k的不重疊塊，每塊像素為x1,x2,…xk，其中r＝k1*k2*8/(k1*k2+2*8)≥r,r<8,r<8；m、n為正整數；r為要求的壓縮比，r為實際壓縮比，原始圖像a0的大小為m*n，8比特量化；

2)求取每個不重疊塊的平均值t,得到集合b，所述集合b由k個1比特值bj組成,j＝1,2,…k；每個不重疊塊得到lhb三數值的集合，共16+k1*k2比特；

3)對原始圖像a0中每個不重疊塊，進行步驟2)的操作，完成壓縮，壓縮比為r；

4)把帶隱藏秘密信息q比特分組，每組為s、p和w，s＝s1，s2，…sd，p＝p1，p2，…pd，其中sj、pj和w取值為0或1，d取值為1，2，3，4，5，6，7，8中的任意一個值，每塊秘密信息總比特數為2d+1；

5)用s替代l的低d位，得到l1，用p替代h的低d位，得到h1；當信息w＝0,判斷l1-h1的絕對值，若該絕對值大於2d-1,則傳輸數據格式為l1h1b，此時該格式藏有信息w＝0；若該絕對值小於等於2d-1,則傳輸數據格式仍為l1h1b，此時該格式不藏有信息w；當信息w＝1,判斷l1-h1的絕對值，若該絕對值大於2d-1,則傳輸數據格式改為h1l1b，此時該格式藏有信息w＝1；若該絕對值小於等於2d-1,則傳輸數據格式仍為l1h1b，此時該格式不藏有信息w；

6)接收端接收數據，取出秘密信息並判斷數據格式；

7)根據秘密信息的來源進行恢復；把數據按順序l1h1b排列；如果b中bj＝0,則xj＝l1；如果b中bj＝1，則xj＝h1，得到每一個不重疊塊的恢復圖像，從而得到原始圖像a0的恢復圖像a1。

步驟2)中其中確定集合b的方法為：若xj≥t,則bj＝1，否則bj＝0；計算獲得bj＝0時對應的所有xj的平均值l，計算獲得bj＝1時對應的所有xj的平均值h，每個不重疊塊得到lhb三數值的集合，共16+k1*k2比特。

步驟4)中d的確定方法為：

若用戶希望優先保證原始圖像btc壓縮的圖像質量，則取d＝1,2,3,4；

若用戶希望優先保證原始圖像較大的感興趣區域質量，則取d＝5,6,7,8。

步驟4)中秘密信息s、p、w的確定方法為：

對原始圖像a0的感興趣區域f進行劃分，得到一個大小為k3*k4的矩形區域，坐標點為(a1,b1)(a1,b2)(a1,b2)(a2,b2)，把區域f中的像素值構成秘密信息s和p，四個坐標值8個數共64比特作為秘密信息w，其中s、p、w的總比特數q1＝k3*k4*8+64，滿足：q1≤(2d+1)*(m*n)/(k1*k2)；

或者對原始圖像a0進行正常的壓縮，壓縮後的數據字節構成秘密信息spw，spw的總比特數q2滿足：q2<＝(2d+1)*(m*n)/(k1*k2)；

或者其它圖像或數據，設總數據量為k5*k6*8比特，構成秘密信息spw，spw的總比特數滿足下列條件：k5*k6*8<＝(2d+1)*(m*n)/(k1*k2)。

步驟7)中根據秘密信息的來源進行恢復的具體過程為：如果秘密信息來自圖像，則根據秘密信息再恢復出圖像；如果秘密信息來自圖像壓縮後數據，則根據秘密信息再解壓縮恢復出圖像；如果秘密信息來自其它數據源，則根據秘密信息再恢復出其它數據的原始格式。

步驟6)的具體過程為：設接收端收到的數據為u,v,b,判斷u-v的絕對值：若該絕對值大於2d-1，且uv,則推斷數據格式為h1l1b，取出l1的低d位，得到s＝s1，s2，…sd，取出h1的低d位，得到p＝p1，p2，…pd，同時得到信息w＝1；若該絕對值小於等於2d-1，則推斷數據格式為l1h1b，取出l1的低d位，得到s＝s1，s2，…sd，取出h1的低d位，得到p＝p1，p2，…pd，此時不能得到信息w。

本發明與現有技術相比的有益效果在於：

本發明利用信息隱藏技術在圖像壓縮數據中關鍵圖像信息進行傳輸，接收端可以從載體數據中正常解壓縮，並無失真恢復感興趣區域高質量圖像。在不增加信息傳輸速率的情況下，整個圖像壓縮4倍滿足質量要求，感興趣區域無失真。

本發明與目前背景技術相比有下面幾點實質性不同及進步：

(1)目前分塊截斷編碼(btc)壓縮方法沒有與感興趣區域結合；分塊截斷編碼(btc)壓縮方法由於載體壓縮質量不高，而經過lsb等方法信息隱藏後載體質量還要下降，特別是隱藏容量大時，載體質量更差，因此常規方法無法與lsb等隱藏方法相結合，而本發明則可以大容量隱藏信息，載體質量有一點降低不影響質量，當d＝2時，實驗室表明本發明恢復圖像psnr幾乎不變，但感興趣域圖像無損恢復。

(2)本發明把btc域信息隱藏方法的容量提高，通過對原始載體圖像進行btc壓縮(ambtc)，首次把均值中隱藏以及均值對的隱藏巧妙融為一體，可以得到1/32的高隱藏容量而圖像質量基本不變，為無損隱藏傳輸創造了條件。

本發明隱藏容量(比特)：隱藏秘密信息比特數，為(2d+1)*(m*n)/(k1*k2)比特；

按壓縮後的數據計算隱藏容量，則隱藏容量值c1如下：

c1＝(2d+1)/(16+k1*k2)。說明：圖像壓縮後每塊得到lhb三數值集合，每塊所用比特數8+8+k1*k2，而每塊實際隱藏比特數(2d+1)，故相對於分塊壓縮後數據，本發明隱藏容量為(2d+1)/(16+k1*k2)。

當d＝2時，k1*k2＝4*4＝16時，隱藏容量為5/32大於1/8。當d＝4時，隱藏容量＝9/32大於1/4,當d＝8時，隱藏容量＝17/32大於1/2。

(3)該方法充分利用了btc壓縮圖像的先驗知識，並以不增加傳輸數據量的方式傳輸到接收端，接收端可根據隱藏的信息得到高質量載體圖像；

(4)該方法把高質量圖像或感興趣區域圖像進行無損處理，隱藏於圖像的ambtc壓縮碼流中，可進行隱蔽傳輸，具有隱真示假的功能，避免了直接傳輸或存儲高質量圖像的安全問題；

(5)該方法可以根據需要選擇d值和壓縮比，調整圖像質量和roi大小，可得到多種不同質量的btc壓縮圖像：也可以把整個圖像用jpeg2000壓縮後隱藏於btc域，得到不同等級jpeg2000壓縮恢復圖像，為不同等級用戶的使用提供了方便；

(6)本發明首次實現了高質量圖像在低質量圖像壓縮數據中的隱藏，滿足了特殊用戶的保密需求，可實現圖像壓縮恢復圖像的分級傳輸與接收；

(7)本發明技術方案獨特，同時具有壓縮和隱藏功能，但與btc壓縮方法相比，複雜度並沒有增加，非常易於實現。

附圖說明

圖1為本發明所用圖像；

圖2為本發明對lena圖像的處理結果，其中2(a)為lena原始圖像，2(b)為本發明恢復圖像，2(c)為感興趣區。

具體實施方式

高速數據壓縮傳輸技術已經廣泛應用於遙感衛星、空間探測器等太空飛行器及各類衛星數傳系統，在今後必將得到更廣泛應用。但是星上數據壓縮方法基於jpeg2000算法，壓縮比主要為4倍，可以說用戶可以接受的壓縮比為4，實現起來成本高，受制於人。

本發明提供了一種利用信息隱藏技術進行隱藏傳輸和壓縮一體化方法，同時該方法具有高性能和低性能共存，實現複雜度低、實用性強等特點，實現複雜度遠遠低於jpeg2000壓縮標準，利用小規模fpga資源就可以高速實現，從而在太空飛行器工程中、低成本圖像傳輸系統中更具有實用價值。

為了驗證本文提出的算法的性能，仿真實驗中採用了4幅大小為512×512的8比特灰度圖像數據進行數據壓縮和傳輸。

1、一種在低質量圖像壓縮數據中無損隱藏高質量圖像的方法，其特徵在於步驟如下：

1)設要求的壓縮比為4，實際壓縮比r＝4，原始圖像為lena.bmp，大小為m*n＝512*512，8比特量化；設圖像塊的大小為k＝k1*k2＝4*4＝16，其中k1*k2*8/(k1*k2+2*8)＝4；將原始圖像lena.bmp分成大小為4*4的不重疊塊，每塊有x1,x2,…x16個像素值，總比特數為k*8＝128；

2)求每個塊的平均值t,得到一個集合b，b由16個1比特值bj組成,j＝1,2,…16；其中確定集合b的方法為：若xj≥t,則bj＝1，否則bj＝0；計算bj＝0對應的所有xj的平均值l，計算bj＝1對應的所有xj的平均值h，l和h均為0-255之間的值，l小於或等於h；每個塊得到lhb三數值的集合，共16+16＝32比特；

3)對原始圖像a0每個塊，進行步驟2)的操作，完成壓縮，壓縮比r為k*8/32＝128/32＝4；

4)把秘密信息分組，每組為s、p和w，s＝s1，s2，p＝p1，p2，w＝w1，其中sj、pj和w1取值為0或1，j＝1,2,d取值為2；s為01，p為10，w為1；

5)用s替代l的最低2位得到l1，用p替代h的最低2位得到h1；當信息w＝1,判斷l1-h1的絕對值，若該絕對值大於2d-1＝3,則傳輸數據格式改為h1l1b，此時該格式藏有信息w＝1；若該絕對值小於等於2d-1＝3,則傳輸數據格式仍為l1h1b，此時該格式不藏有信息w；

6)設接收端收到的數據為u,v,b,判斷u-v的絕對值：

若該絕對值大於2d-1＝3，且u>v,則推斷數據格式為h1l1b，取出l1的低2位得到s＝s1，s2，取出h1的低2位得到p＝p1，p2，同時得到信息w＝1；

若該絕對值小於等於2d-1＝3，則推斷數據格式為l1h1b，取出l1的低2位得到s＝s1，s2，取出h1的低2位得到p＝p1，p2，此時不能得到信息w；

7)如果秘密信息來自其它數據源，則根據秘密信息再恢復出其它數據的原始格式；

把數據按順序l1h1b排列；如果b中bj＝0,則xj＝l1；如果b中bj＝1，則xj＝h1，得到每一個不重疊塊的恢復圖像，從而得到原始圖像a0的恢復圖像a1；

2、根據權利要求1所述的一種在低質量圖像壓縮數據中無損隱藏高質量圖像的方法，其特徵在於：步驟4)中秘密信息s、p、w及d的確定方法為：

1)d的確定方法：

若用戶希望優先保證原始圖像btc壓縮的圖像質量，則取d＝1,2,3,4；

若用戶希望優先保證原始圖像較大的感興趣區域質量，則取d＝5,6,7,8。

本實施例，取d＝2

2)秘密信息s、p、w確定方法：

對原始圖像a0的感興趣區域(roi區域)f進行劃分，得到一個大小為k3*k4＝64*128的矩形區域，坐標點為(a1,b1)(a1,b2)(a2,b1)(a2,b2)，具體值為(223,192)，(223,319)，(286,192)，(286,319)，把區域f中的像素值構成秘密信息s和p，四個坐標值8個數共64比特作為秘密信息w，其中s、p、w的總比特數q1＝64*128*8+64＝65600比特，滿足：q1<＝5*(512*512)/(4*4)＝81920比特。

說明：當取d＝8，相當於隱藏容量(相對於壓縮後數據)達到17/32＝53％大於50％,相對於原始圖像隱藏容量可達到17/128＝13％大於1/8,如果把原始圖像用jpeg2000壓縮8倍(psnr40db左右)，則可以做到在btc壓縮體制下，把psnr提高8db。

圖1是本發明所用4幅圖像，表1是本發明對4幅圖像的處理結果，圖2是本發明對lena圖像的處理結果。可以看出本發明的性能改善情況。

表1

以lena標準圖像為例，btc4倍壓縮時，恢復圖像psnr可達32.8db,

btc感興趣區恢復質量psnr＝29.2db；本發明4倍壓縮時，恢復圖像psnr可達32.4db，但是感興趣區恢復質量psnr為無限大，說明沒有任何信息損失。

隱藏容量(相對於壓縮後圖像)c1計算舉例：

c1＝(2d+1)/(k1*k2+16)；

如d＝2,k1*k2＝4*4＝16,v＝5/32＝16％

如d＝4,k1*k2＝4*4＝16,v＝9/32＝28％

如d＝6,k1*k2＝4*4＝16,v＝13/32＝41％

如d＝7,k1*k2＝4*4＝16,v＝15/32＝47％

如d＝8,k1*k2＝4*4＝16,v＝17/32＝53％

隱藏容量(相對與原始圖像)c2可達：c2＝c1/r，r:壓縮比。

c2＝c1/r＝(2d+1)/(k1*k2*8)

把lena感興趣區域(64*128)圖像無失真地隱藏在壓縮數據中進行傳輸，接收端能完全恢復隱藏的感興趣區域圖像，也能通過解壓縮得到與原圖像同質量等級、psnr基本相同的lena載體圖像(512*512)。為了觀察方便，圖2中顯示的感興趣區域比實際區域大。

總之，本發明提出了一種在低質量圖像壓縮數據中無損隱藏高質量圖像的方法，其特點在於：該方法通過高效率信息隱藏，把高質量的圖像(感興趣區域圖像或關鍵目標圖像)無失真地隱藏在壓縮數據中進行傳輸，接收端能完全恢復隱藏的高質量圖像，也能通過解壓縮得到與原圖像同質量等級的圖像。

本發明在不改變原來數據壓縮技術(如分塊截斷編碼)的情況下，提供了一種高效率信息隱藏和基於此方法的高質量數據壓縮方法，如相對隱藏容量可達16％-53％。經過4倍分塊壓縮，既得到4倍壓縮的恢復圖像，也得到感興趣區域高質量圖像；既滿足了原來用戶的壓縮需求，也滿足了特殊用戶對高質量目標圖像的無損傳輸需求。

本發明未詳細說明部分屬本領域技術人員公知常識。