一种基于图像变换和图像水印的数据压缩传输方法

摘要

本发明公开了一种基于图像变换和图像水印的数据压缩传输方法，通过对图像先进行分解，设定指标门限，符合指标的子图像不变换；达不到指标的子图像进行函数变换，灰度变得更为平坦，将两种子图像合并形成完整图像，在其中嵌入水印及函数类型，将含水印图像进行数据压缩传输。接收端通过解压缩从含水印图像提取水印，恢复原来变换子图像，再经过反变换得到原始图像。本发明保证图像在给定压缩比情况下恢复图像的质量符合规定要求，明显优于直接进行数据压缩的结果。同时本发明在不影响图像压缩恢复质量、不增加传输数据量的情况下，将图像的水印信息嵌入到图像中传输，提高了图像传输的效率，为图像的应用提供了便利。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于图像变换和图像水印的数据压缩方法，属于图像处理技术领域。 

背景技术

数据传输和图像处理是目前通信领域的重要研究课题。随着科技的发展，人们对高分辨率图像的需求越来越大，数据压缩势在必行。 

数据压缩分为有损压缩与无损压缩方法，有损压缩方法压缩比比较大，但压缩后恢复图像与原图像存在一定的信息损失，只要主客观评价指标符合要求，在实际中对应用没有多大影响。无损压缩方法压缩后恢复图像与原图像不存在信息损失，但压缩比特别小，一般2倍左右，使用场合受限，不便于进行数据传输。一般高速数据传输系统采用的压缩方法大都是有损压缩方法，压缩比一般为4倍左右，对图像来说，一般峰值信噪比（PSNR）35dB以上，40dB以上效果就比较理想。 

目前图像数据压缩方法有许多，代表性的有JPEG以及JPEG2000。由于压缩标准算法功能比较多，算法与图像本身特性有关，现有的图像压缩方法对一些例如航空、航天遥感等图像来说压缩效果并不理想。在实用中只能通过降低压缩比来得到满意的图像质量。现有方法并没区别图像内容，对所有图像采用相同的压缩方法，对纹理复杂、像素连续性差的图像压缩效果非常不理想。因此，现在急需研究一种图像数据压缩方法进一步提高图像数据传输的图像压缩恢复质量。 

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于图像变换和图像水印的数据压缩方法，提高了图像数据传输的图像压缩恢复的质 量，同时在不影响图像压缩恢复质量、不增加传输数据量的情况下，通过图像水印方法提高了图像传输的效率，为图像的应用提供了便利。 

本发明的技术解决方案是： 

一种基于图像变换的数据压缩传输方法，包括步骤如下： 

（1）将原始载体图像分解为多幅原始载体子图像，所述多幅原始载体子图像为原始图像不重叠的分块，保持图像总数据量不变； 

（2）确定客观指标门限，对步骤（1）中的原始载体子图像按给定压缩比压缩，计算解压恢复后的子图像与压缩前的子图像的客观指标，小于客观指标门限的子图像进行函数变换，得到新的子图像进入步骤（3）；高于客观指标门限的原始载体子图像直接进入步骤（4）； 

（3）对步骤（2）中得到的新的子图像进行与步骤（2）中同样压缩比的压缩，将解压恢复的子图像进行步骤（2）中函数变换的逆变换，计算逆变换后的子图像与原始载体子图像的客观指标，若客观指标高于步骤（2）中函数变换前的客观指标，则利用步骤（2）中得到新的子图像代替原始载体子图像进行压缩传输，并进入步骤（4）；若客观指标低于或等于步骤（2）中函数变换前的客观指标，则仍利用步骤（2）中小于客观指标门限的原始载体子图像压缩传输进入步骤（4） 

（4）对步骤（2）得到的高于客观指标门限和部分小于客观指标门限的原始载体子图像与步骤（3）中得到的函数变换后的新的子图像进行合成，采用图像水印方法在其中嵌入水印以及步骤（2）中所述的函数变换的变换参数形成含水印图像； 

（5）将含水印图像进行压缩传输； 

（6）接收端接收步骤（5）中压缩的数据并解压缩获得含水印图像数据，在含水印图像数据中提取出水印以及函数变换参数，得到原始载体子图像和函数变换后的新子图像，并对该函数变换后的新子图像进行函数反变换，得到函数变换前的子图像； 

（7）对步骤（6）中函数变换前的子图像和原始载体子图像进行合成，得到原始载体图像。 

所述步骤（2）中对小于指标门限的子图像进行函数变换的具体形式为下面三种函数任意一种： 

a)Y=Y1*LOG10（1+X）,0≤Y≤Ymax； 

b)Y=Y2*Sqrt(X^p）,0≤Y≤Ymax； 

c)Y=Y3/[1+exp(-X)],0≤Y≤Ymax。 

其中X表示原始图像的像素值，Y表示经过函数变换后的图像的像素值，Ymax为经过变换后的像素值Y允许的最大值，通过参数Y1、Y2、Y3、p来调整变换后的Y值的取值范围,其中Y1、Y2、Y3、p均为大于0的实数。 

所述步骤（2）中客观指标门限根据兼容性指标进行设置，当客观指标门限设置为0时，则本方法采用原始子图像直接进行压缩，当指标门限设置为无穷大时，则本方法完全采用函数变换进行压缩。 

所述步骤（6）中进行函数反变换为步骤（3）中所用函数的反函数。 

所述步骤（2）中的客观指标指的是PSNR。 

所述步骤（4）中的图像水印指的是图像的版权信息、图像压缩参数、拍摄时间和拍摄地点等数据；所述步骤（4）中的图像水印方法是指水印嵌入图像后经过图像压缩、解压缩还能正确提取水印、并能正确恢复图像的数字水印方法或者信息隐藏方法。 

本发明与现有技术相比的有益效果是： 

（1）本发明通过指标门限的设置，对指标不满足的子图像进行选择性变换后进行压缩传输，保证了图像压缩后恢复的图像的质量。 

（2）本发明首先对原始载体图像进行分解，选部分子图像进行函数变换，避免了对大图像进行数据处理的复杂度；同时通过图像分解选择部分子图象进行水印嵌入，节省了隐藏容量，只有部分子图像嵌入了信息，所以保证了图像的质量。 

（3）本发明利用了原始子图像的函数变换改变了子图像特性，在一幅图像中，纹理复杂、图像像素变化范围大的区域往往导致图像难以压缩，本发明将这些区域进行函数变换，将像素值变换到更易压缩的空间，在相同压缩比下可以获得更好的恢复质量，避免了原来方法图像恢复质量不好的局限。 

（4）本发明可以采用不同的函数进行灰度变换，且把函数计算公式参数通过鲁棒信息隐藏方法嵌入子图像中，经过数据压缩后信息不丢失，从而保证了数据压缩质量，同时本发明进行函数变换时适用多个函数，通用性较强，具有非常好的兼容性。 

（5）本发明在传递过程中无法直接得到完整的图像，增强了子图像的数据传输的隐蔽性，提高了数据传输的安全性。 

（6）本发明在同样的压缩比下具有更高的恢复图像质量，或者在恢复图像质量一定条件下，具有更大的压缩比。同时该方法具有化整为零、单个子图像处理量小、复杂度低、实现资源占用少，压缩效果好等实用的特点，从而在航天器工程中更具有实用价值。 

（7）本发明可以通过设置指标门限工作于不同的状态，可以根据输入原始图像的特点选择指标门限，对于整个图像平滑的情况设置指标门限为0，对于整幅图像纹理复杂、像素变化剧烈的情况将指标门限设为一个较大的值，使整幅图像各个子图像均处于“未达标”状态，对于图像既存在平滑内容又存在像素变化剧烈内容的，可以设一个适当的指标门限数值，以取得更好的图像恢复质量。 

（8）本发明在不影响图像压缩恢复质量、不增加传输数据量的情况下，可以将图像的相关信息例如版权信息、图像压缩参数、拍摄时间和拍摄地点等数据嵌入到图像中传输，提高了图像传输的效率，为图像的应用提供了便利。 

附图说明

图1为本发明流程图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。 

本发明利用图像分解、设置指标门限、图像水印等技术，对PSNR不达标的子图像进行函数变换，并把水印和变换函数嵌入到变换后图像中进行传输。接收端可以从图像中正确提取水印及变换函数，进行反变换恢复原始图像数据。在不影响图像压缩恢复质量、不增加图像数据量的情况下，提供了一种压缩性能更为优越的图像压缩方法，明显提高了现有数据压缩方法的压缩效果。利用本发明的方法还对原始图像形成了保护，使得别人只能直接得到部分子图像，无法直接得到完整的图像，增强了一些子图像的数据传输的隐蔽性，提高了数据传输的安全性。 

如图1所示，本发明步骤如下： 

（1）将原始载体图像分解为多幅原始载体子图像，所述多幅原始载体子图像为原始图像不重叠的分块，保持图像总数据量不变； 

（2）确定客观指标门限，对步骤（1）中的原始载体子图像按给定压缩比压缩，计算解压恢复后的子图像与压缩前的子图像的客观指标（客观指标指的是PSNR），小于客观指标门限的子图像进行函数变换，得到新的子图像进入步骤（3）；高于客观指标门限的原始载体子图像直接进入步骤（4）；客观指标门限根据兼容性指标进行设置，当客观指标门限设置为0时，则本方法采用原始子图像直接进行压缩，当指标门限设置为无穷大时，则本方法完全采用函数变换进行压缩，其余指标门限的情况为本发明的一般工作状态。 

（3）对步骤（2）中得到的新的子图像进行与步骤（2）中同样压缩比的压缩，将解压恢复的子图像进行步骤（2）中函数变换的逆变换，计算逆变换后的子图像与原始载体子图像的客观指标，若客观指标高于步骤（2）中函数变换前的客观指标，则利用步骤（2）中得到新的子图像代替原始载体子图像进行压缩传输，并进入步骤（4）；若客观指标低于或等于步骤（2）中函数变换前的客观指标，则仍利用步骤（2）中的原始载体子图像压缩传 输进入步骤（4）；例如对经过判断步骤（2）中的部分新子图像的客观指标是高于图像变换前的客观指标的，那么就这一部分新子图像代替原始载体图像进行压缩传输，其余的剩余子图像仍选用原始载体子图像进行传输； 

（4）对步骤（2）得到的高于客观指标门限和部分小于客观指标门限的原始载体子图像（部分小于客观指标门限的原始载体子图像是指步骤（3）中函数变换后客观指标仍然不达标的原始载体子图像，这种情况仍然利用这些函数变换前的原始载体子图像进行压缩传输）与步骤（3）中得到的函数变换后的新的子图像进行合成，采用图像水印方法在其中嵌入水印以及步骤（2）中所述的函数变换的变换参数形成含水印图像； 

（5）将含水印图像进行压缩传输； 

（6）接收端接收步骤（5）中压缩的数据并解压缩获得含水印图像数据，在含水印图像数据中提取出水印以及函数变换参数，得到原始载体子图像和函数变换后的新子图像，并对该函数变换后的新子图像进行函数反变换，得到函数变换前的子图像； 

（7）对步骤（6）中函数变换前的子图像和原始载体子图像进行合成，得到原始载体图像。 

所述步骤（2）中对小于指标门限的子图像进行函数变换的具体形式为下面三种函数任意一种： 

a)Y=Y1*LOG10（1+X）,0≤Y≤Ymax； 

b)Y=Y2*Sqrt(X^p）,0≤Y≤Ymax； 

c)Y=Y3/[1+exp(-X)],0≤Y≤Ymax。 

其中X表示原始图像的像素值，Y表示经过函数变换后的图像的像素值，Ymax为经过变换后的像素值Y允许的最大值，通过参数Y1、Y2、Y3、p来调整变换后的Y值的取值范围,其中Y1、Y2、Y3、p均为大于0的实数。 

所述步骤（4）中的图像水印指的是图像的版权信息、图像压缩参数、拍摄时间和拍摄地点等数据；所述步骤（4）中的图像水印方法是指水印嵌 入图像后经过图像压缩、解压缩还能正确提取水印、并能正确恢复图像的数字水印方法或者信息隐藏方法。 

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。