本發(fā)明涉及一種數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒?，特別涉及一種在低質(zhì)量圖像壓縮數(shù)據(jù)中無(wú)損隱藏高質(zhì)量圖像的方法，屬于通信(如數(shù)據(jù)通信技術(shù)等)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

數(shù)據(jù)傳輸和圖像處理是目前通信領(lǐng)域的重要研究課題。隨著科技的發(fā)展，人們對(duì)高分辨率圖像的需求越來(lái)越大，數(shù)據(jù)壓縮勢(shì)在必行。

數(shù)據(jù)壓縮分為有損壓縮與無(wú)損壓縮方法，有損壓縮方法壓縮比比較大，但壓縮后恢復(fù)圖像與原圖像存在一定的信息損失，只要主客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)符合要求，在實(shí)際中對(duì)應(yīng)用沒(méi)有多大影響。無(wú)損壓縮方法壓縮后恢復(fù)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(chǎng)合受限，不便于進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。一般高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用的壓縮方法大都是有損方法，對(duì)圖像來(lái)說(shuō)，一般峰值信噪比(psnr)應(yīng)該達(dá)到30db以上，35db以上效果才比較理想。

目前圖像數(shù)據(jù)壓縮方法有許多，代表性的有jpeg以及jpeg2000壓縮標(biāo)準(zhǔn)。由于壓縮標(biāo)準(zhǔn)算法功能比較多，算法與圖像本身特性有關(guān)，不是什么情況下都有好結(jié)果。在許多實(shí)際應(yīng)用情況下，壓縮比一般為4倍，壓縮前總數(shù)據(jù)率較高，如1200mbps，壓縮方法如果復(fù)雜，則難于硬件實(shí)現(xiàn)，因此目前jpeg2000壓縮算法大都基于國(guó)外壓縮芯片實(shí)現(xiàn)，研制成本高、受制于人；或者，有的任務(wù)不需要那么高的圖像質(zhì)量，例如衛(wèi)星艙外監(jiān)控、對(duì)地觀測(cè)普查，小衛(wèi)星、微納衛(wèi)星圖像傳輸、技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星圖像傳輸、空間站內(nèi)部監(jiān)控、地面監(jiān)控系統(tǒng)等，沒(méi)有必要采用國(guó)外jpeg類(lèi)壓縮芯片。分塊截?cái)嗑幋a(btc)壓縮方法就是一種經(jīng)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(duì)于重要目標(biāo)或感興趣區(qū)域，psnr在30db左右可能無(wú)法滿(mǎn)足用戶(hù)需求。

軍民融合等場(chǎng)合，也有高質(zhì)量軍用和低質(zhì)量民用圖像同時(shí)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

用戶(hù)也有把高質(zhì)量圖像隱蔽在低質(zhì)量圖像中偽裝傳輸?shù)男枨蟆?/p>

信息隱藏技術(shù)的出現(xiàn)，為解決上述問(wèn)題提供了新的途徑。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種在低質(zhì)量圖像壓縮數(shù)據(jù)中無(wú)損隱藏高質(zhì)量圖像的方法，可用于數(shù)據(jù)(特別是圖像數(shù)據(jù))的無(wú)損信息隱藏傳輸。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種在低質(zhì)量圖像壓縮數(shù)據(jù)中無(wú)損隱藏高質(zhì)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(shù)；r為要求的壓縮比，r為實(shí)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(gè)不重疊塊的平均值t,得到集合b，所述集合b由k個(gè)1比特值bj組成,j＝1,2,…k；每個(gè)不重疊塊得到lhb三數(shù)值的集合，共16+k1*k2比特；

3)對(duì)原始圖像a0中每個(gè)不重疊塊，進(jìn)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(gè)值，每塊秘密信息總比特?cái)?shù)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(dāng)信息w＝0,判斷l(xiāng)1-h1的絕對(duì)值，若該絕對(duì)值大于2^d-1,則傳輸數(shù)據(jù)格式為l1h1b，此時(shí)該格式藏有信息w＝0；若該絕對(duì)值小于等于2^d-1,則傳輸數(shù)據(jù)格式仍為l1h1b，此時(shí)該格式不藏有信息w；當(dāng)信息w＝1,判斷l(xiāng)1-h1的絕對(duì)值，若該絕對(duì)值大于2^d-1,則傳輸數(shù)據(jù)格式改為h1l1b，此時(shí)該格式藏有信息w＝1；若該絕對(duì)值小于等于2^d-1,則傳輸數(shù)據(jù)格式仍為l1h1b，此時(shí)該格式不藏有信息w；

6)接收端接收數(shù)據(jù)，取出秘密信息并判斷數(shù)據(jù)格式；

7)根據(jù)秘密信息的來(lái)源進(jìn)行恢復(fù)；把數(shù)據(jù)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(gè)不重疊塊的恢復(fù)圖像，從而得到原始圖像a0的恢復(fù)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(jì)算獲得bj＝0時(shí)對(duì)應(yīng)的所有xj的平均值l，計(jì)算獲得bj＝1時(shí)對(duì)應(yīng)的所有xj的平均值h，每個(gè)不重疊塊得到lhb三數(shù)值的集合，共16+k1*k2比特。

步驟4)中d的確定方法為：

若用戶(hù)希望優(yōu)先保證原始圖像btc壓縮的圖像質(zhì)量，則取d＝1,2,3,4；

若用戶(hù)希望優(yōu)先保證原始圖像較大的感興趣區(qū)域質(zhì)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(duì)原始圖像a0的感興趣區(qū)域f進(jìn)行劃分，得到一個(gè)大小為k3*k4的矩形區(qū)域，坐標(biāo)點(diǎn)為(a1,b1)(a1,b2)(a1,b2)(a2,b2)，把區(qū)域f中的像素值構(gòu)成秘密信息s和p，四個(gè)坐標(biāo)值8個(gè)數(shù)共64比特作為秘密信息w，其中s、p、w的總比特?cái)?shù)q1＝k3*k4*8+64，滿(mǎn)足：q1≤(2d+1)*(m*n)/(k1*k2)；

或者對(duì)原始圖像a0進(jìn)行正常的壓縮，壓縮后的數(shù)據(jù)字節(jié)構(gòu)成秘密信息spw，spw的總比特?cái)?shù)q2滿(mǎn)足：q2<＝(2d+1)*(m*n)/(k1*k2)；

或者其它圖像或數(shù)據(jù)，設(shè)總數(shù)據(jù)量為k5*k6*8比特，構(gòu)成秘密信息spw，spw的總比特?cái)?shù)滿(mǎn)足下列條件：k5*k6*8<＝(2d+1)*(m*n)/(k1*k2)。

步驟7)中根據(jù)秘密信息的來(lái)源進(jìn)行恢復(fù)的具體過(guò)程為：如果秘密信息來(lái)自圖像，則根據(jù)秘密信息再恢復(fù)出圖像；如果秘密信息來(lái)自圖像壓縮后數(shù)據(jù)，則根據(jù)秘密信息再解壓縮恢復(fù)出圖像；如果秘密信息來(lái)自其它數(shù)據(jù)源，則根據(jù)秘密信息再恢復(fù)出其它數(shù)據(jù)的原始格式。

步驟6)的具體過(guò)程為：設(shè)接收端收到的數(shù)據(jù)為u,v,b,判斷u-v的絕對(duì)值：若該絕對(duì)值大于2^d-1，且u<v,則推斷數(shù)據(jù)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，同時(shí)得到信息w＝0；若該絕對(duì)值大于2^d-1，且u>v,則推斷數(shù)據(jù)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(shí)得到信息w＝1；若該絕對(duì)值小于等于2^d-1，則推斷數(shù)據(jù)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(shí)不能得到信息w。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果在于：

本發(fā)明利用信息隱藏技術(shù)在圖像壓縮數(shù)據(jù)中關(guān)鍵圖像信息進(jìn)行傳輸，接收端可以從載體數(shù)據(jù)中正常解壓縮，并無(wú)失真恢復(fù)感興趣區(qū)域高質(zhì)量圖像。在不增加信息傳輸速率的情況下，整個(gè)圖像壓縮4倍滿(mǎn)足質(zhì)量要求，感興趣區(qū)域無(wú)失真。

本發(fā)明與目前背景技術(shù)相比有下面幾點(diǎn)實(shí)質(zhì)性不同及進(jìn)步：

(1)目前分塊截?cái)嗑幋a(btc)壓縮方法沒(méi)有與感興趣區(qū)域結(jié)合；分塊截?cái)嗑幋a(btc)壓縮方法由于載體壓縮質(zhì)量不高，而經(jīng)過(guò)lsb等方法信息隱藏后載體質(zhì)量還要下降，特別是隱藏容量大時(shí)，載體質(zhì)量更差，因此常規(guī)方法無(wú)法與lsb等隱藏方法相結(jié)合，而本發(fā)明則可以大容量隱藏信息，載體質(zhì)量有一點(diǎn)降低不影響質(zhì)量，當(dāng)d＝2時(shí)，實(shí)驗(yàn)室表明本發(fā)明恢復(fù)圖像psnr幾乎不變，但感興趣域圖像無(wú)損恢復(fù)。

(2)本發(fā)明把btc域信息隱藏方法的容量提高，通過(guò)對(duì)原始載體圖像進(jìn)行btc壓縮(ambtc)，首次把均值中隱藏以及均值對(duì)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(zhì)量基本不變，為無(wú)損隱藏傳輸創(chuàng)造了條件。

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

按壓縮后的數(shù)據(jù)計(jì)算隱藏容量，則隱藏容量值c1如下：

c1＝(2d+1)/(16+k1*k2)。說(shuō)明：圖像壓縮后每塊得到lhb三數(shù)值集合，每塊所用比特?cái)?shù)8+8+k1*k2，而每塊實(shí)際隱藏比特?cái)?shù)(2d+1)，故相對(duì)于分塊壓縮后數(shù)據(jù)，本發(fā)明隱藏容量為(2d+1)/(16+k1*k2)。

當(dāng)d＝2時(shí)，k1*k2＝4*4＝16時(shí)，隱藏容量為5/32大于1/8。當(dāng)d＝4時(shí)，隱藏容量＝9/32大于1/4,當(dāng)d＝8時(shí)，隱藏容量＝17/32大于1/2。

(3)該方法充分利用了btc壓縮圖像的先驗(yàn)知識(shí)，并以不增加傳輸數(shù)據(jù)量的方式傳輸?shù)浇邮斩耍邮斩丝筛鶕?jù)隱藏的信息得到高質(zhì)量載體圖像；

(4)該方法把高質(zhì)量圖像或感興趣區(qū)域圖像進(jìn)行無(wú)損處理，隱藏于圖像的ambtc壓縮碼流中，可進(jìn)行隱蔽傳輸，具有隱真示假的功能，避免了直接傳輸或存儲(chǔ)高質(zhì)量圖像的安全問(wèn)題；

(5)該方法可以根據(jù)需要選擇d值和壓縮比，調(diào)整圖像質(zhì)量和roi大小，可得到多種不同質(zhì)量的btc壓縮圖像：也可以把整個(gè)圖像用jpeg2000壓縮后隱藏于btc域，得到不同等級(jí)jpeg2000壓縮恢復(fù)圖像，為不同等級(jí)用戶(hù)的使用提供了方便；

(6)本發(fā)明首次實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量圖像在低質(zhì)量圖像壓縮數(shù)據(jù)中的隱藏，滿(mǎn)足了特殊用戶(hù)的保密需求，可實(shí)現(xiàn)圖像壓縮恢復(fù)圖像的分級(jí)傳輸與接收；

(7)本發(fā)明技術(shù)方案獨(dú)特，同時(shí)具有壓縮和隱藏功能，但與btc壓縮方法相比，復(fù)雜度并沒(méi)有增加，非常易于實(shí)現(xiàn)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明所用圖像；

圖2為本發(fā)明對(duì)lena圖像的處理結(jié)果，其中2(a)為lena原始圖像，2(b)為本發(fā)明恢復(fù)圖像，2(c)為感興趣區(qū)。

具體實(shí)施方式

高速數(shù)據(jù)壓縮傳輸技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于遙感衛(wèi)星、空間探測(cè)器等航天器及各類(lèi)衛(wèi)星數(shù)傳系統(tǒng)，在今后必將得到更廣泛應(yīng)用。但是星上數(shù)據(jù)壓縮方法基于jpeg2000算法，壓縮比主要為4倍，可以說(shuō)用戶(hù)可以接受的壓縮比為4，實(shí)現(xiàn)起來(lái)成本高，受制于人。

本發(fā)明提供了一種利用信息隱藏技術(shù)進(jìn)行隱藏傳輸和壓縮一體化方法，同時(shí)該方法具有高性能和低性能共存，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于jpeg2000壓縮標(biāo)準(zhǔn)，利用小規(guī)模fpga資源就可以高速實(shí)現(xiàn)，從而在航天器工程中、低成本圖像傳輸系統(tǒng)中更具有實(shí)用價(jià)值。

為了驗(yàn)證本文提出的算法的性能，仿真實(shí)驗(yàn)中采用了4幅大小為512×512的8比特灰度圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮和傳輸。

1、一種在低質(zhì)量圖像壓縮數(shù)據(jù)中無(wú)損隱藏高質(zhì)量圖像的方法，其特征在于步驟如下：

1)設(shè)要求的壓縮比為4，實(shí)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(shè)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(gè)像素值，總比特?cái)?shù)為k*8＝128；

2)求每個(gè)塊的平均值t,得到一個(gè)集合b，b由16個(gè)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(jì)算bj＝0對(duì)應(yīng)的所有xj的平均值l，計(jì)算bj＝1對(duì)應(yīng)的所有xj的平均值h，l和h均為0-255之間的值，l小于或等于h；每個(gè)塊得到lhb三數(shù)值的集合，共16+16＝32比特；

3)對(duì)原始圖像a0每個(gè)塊，進(jìn)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(dāng)信息w＝1,判斷l(xiāng)1-h1的絕對(duì)值，若該絕對(duì)值大于2^d-1＝3,則傳輸數(shù)據(jù)格式改為h1l1b，此時(shí)該格式藏有信息w＝1；若該絕對(duì)值小于等于2^d-1＝3,則傳輸數(shù)據(jù)格式仍為l1h1b，此時(shí)該格式不藏有信息w；

6)設(shè)接收端收到的數(shù)據(jù)為u,v,b,判斷u-v的絕對(duì)值：

若該絕對(duì)值大于2^d-1＝3，且u>v,則推斷數(shù)據(jù)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(shí)得到信息w＝1；

若該絕對(duì)值小于等于2^d-1＝3，則推斷數(shù)據(jù)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(shí)不能得到信息w；

7)如果秘密信息來(lái)自其它數(shù)據(jù)源，則根據(jù)秘密信息再恢復(fù)出其它數(shù)據(jù)的原始格式；

把數(shù)據(jù)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(gè)不重疊塊的恢復(fù)圖像，從而得到原始圖像a0的恢復(fù)圖像a1；

2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在低質(zhì)量圖像壓縮數(shù)據(jù)中無(wú)損隱藏高質(zhì)量圖像的方法，其特征在于：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(hù)希望優(yōu)先保證原始圖像btc壓縮的圖像質(zhì)量，則取d＝1,2,3,4；

若用戶(hù)希望優(yōu)先保證原始圖像較大的感興趣區(qū)域質(zhì)量，則取d＝5,6,7,8。

本實(shí)施例，取d＝2

2)秘密信息s、p、w確定方法：

對(duì)原始圖像a0的感興趣區(qū)域(roi區(qū)域)f進(jìn)行劃分，得到一個(gè)大小為k3*k4＝64*128的矩形區(qū)域，坐標(biāo)點(diǎn)為(a1,b1)(a1,b2)(a2,b1)(a2,b2)，具體值為(223,192)，(223,319)，(286,192)，(286,319)，把區(qū)域f中的像素值構(gòu)成秘密信息s和p，四個(gè)坐標(biāo)值8個(gè)數(shù)共64比特作為秘密信息w，其中s、p、w的總比特?cái)?shù)q1＝64*128*8+64＝65600比特，滿(mǎn)足：q1<＝5*(512*512)/(4*4)＝81920比特。

說(shuō)明：當(dāng)取d＝8，相當(dāng)于隱藏容量(相對(duì)于壓縮后數(shù)據(jù))達(dá)到17/32＝53％大于50％,相對(duì)于原始圖像隱藏容量可達(dá)到17/128＝13％大于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(fā)明所用4幅圖像，表1是本發(fā)明對(duì)4幅圖像的處理結(jié)果，圖2是本發(fā)明對(duì)lena圖像的處理結(jié)果?？梢钥闯霰景l(fā)明的性能改善情況。

表1

以lena標(biāo)準(zhǔn)圖像為例，btc4倍壓縮時(shí)，恢復(fù)圖像psnr可達(dá)32.8db,

btc感興趣區(qū)恢復(fù)質(zhì)量psnr＝29.2db；本發(fā)明4倍壓縮時(shí)，恢復(fù)圖像psnr可達(dá)32.4db，但是感興趣區(qū)恢復(fù)質(zhì)量psnr為無(wú)限大，說(shuō)明沒(méi)有任何信息損失。

隱藏容量(相對(duì)于壓縮后圖像)c1計(jì)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(duì)與原始圖像)c2可達(dá)：c2＝c1/r，r:壓縮比。

c2＝c1/r＝(2d+1)/(k1*k2*8)

把lena感興趣區(qū)域(64*128)圖像無(wú)失真地隱藏在壓縮數(shù)據(jù)中進(jìn)行傳輸，接收端能完全恢復(fù)隱藏的感興趣區(qū)域圖像，也能通過(guò)解壓縮得到與原圖像同質(zhì)量等級(jí)、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(qū)域比實(shí)際區(qū)域大。

總之，本發(fā)明提出了一種在低質(zhì)量圖像壓縮數(shù)據(jù)中無(wú)損隱藏高質(zhì)量圖像的方法，其特點(diǎn)在于：該方法通過(guò)高效率信息隱藏，把高質(zhì)量的圖像(感興趣區(qū)域圖像或關(guān)鍵目標(biāo)圖像)無(wú)失真地隱藏在壓縮數(shù)據(jù)中進(jìn)行傳輸，接收端能完全恢復(fù)隱藏的高質(zhì)量圖像，也能通過(guò)解壓縮得到與原圖像同質(zhì)量等級(jí)的圖像。

本發(fā)明在不改變?cè)瓉?lái)數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)(如分塊截?cái)嗑幋a)的情況下，提供了一種高效率信息隱藏和基于此方法的高質(zhì)量數(shù)據(jù)壓縮方法，如相對(duì)隱藏容量可達(dá)16％-53％。經(jīng)過(guò)4倍分塊壓縮，既得到4倍壓縮的恢復(fù)圖像，也得到感興趣區(qū)域高質(zhì)量圖像；既滿(mǎn)足了原來(lái)用戶(hù)的壓縮需求，也滿(mǎn)足了特殊用戶(hù)對(duì)高質(zhì)量目標(biāo)圖像的無(wú)損傳輸需求。

本發(fā)明未詳細(xì)說(shuō)明部分屬本領(lǐng)域技術(shù)人員公知常識(shí)。