一种基于图像信息隐藏的卫星数据传输方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于图像信息隐藏的卫星数据传输方法。基于图像信息隐藏的卫星数据传输方法根据载体图像分块的特征将载体图像分类，将要传输的信息分成不同长度的组并嵌入到不同的分类中，不同分类的图像块采用不同的子图像分隔方法来嵌入不同的容量，可实现大容量、抗压缩和高恢复质量的卫星数据隐藏传输。基于图像信息隐藏的卫星数据传输系统包括卫星信息分组器、载体图像分类器、多信息隐藏器、卫星数据发送器、地面数据接收器以及地面隐藏信息提取器。通过多信息隐藏器来实现信息的隐藏，在不增加传输速率的情况下提高了卫星数据传输的效率以及安全性。
【专利说明】一种基于图像信息隐藏的卫星数据传输方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种图像通信的方法，特别涉及一种基于图像信息隐藏的卫星数据传 输方法，属于通信（如数据通信技术等）领域。
【背景技术】
[0002] 随着科技的发展，人们对卫星数据传输的需求越来越大，利用现有的数据传输系 统传输更多的数据是人们追求的目标。如果把卫星数据（秘密信息）隐藏在卫星数据传输 系统中（主要是图像数据）进行传输，就能在不增加传输速率（或不增加传输数据量）的 情况下提高卫星数据传输的安全以及秘密信息的传输质量。
[0003] 目前，国际上卫星图像数据隐藏方法与系统，问题如下：
[0004] 1)能抗压缩的典型隐藏方法隐藏容量相对较小，如对512*512图像，文献[1] (Mohsen Zareian, Hamid Reza Tohidypour, Robust quantization index modulation based approach for image watermarking, IET Image Process. , 2013, 7(5):432-441.) 隐藏容量仅为128bit (相对容量为1/16384)、256bit (相对容量为1/8192)，文 献[2](Chuan Qin, Chin-Chen Chang, Yi~Ping Chiu:A Novel Joint Data-Hiding and Compression Scheme Based on SMVQ and Image Inpainting.IEEE Transactions on Image Processing, 2014, 23 (3) : 969-978.)的隐藏容量最大不超过14000bit (相对容量为 1/150)；
[0005] 2)目前抗压缩的信息隐藏方法图像的恢复质量最高为30dB左右，抗压缩信息隐 藏方法载体图像恢复质量有待进一步提高。
[0006] 3)目前的隐藏的方法没有分块或者分块后也并没有区分图像各个分块的特征，也 没有提出合适的分类参数来针对不同的块隐藏相对的容量，导致抗压缩性能和图像恢复质 量不好，需要根据图像各区域的特点采取更适合的隐藏方法，提高抗压缩能力和图像恢复 质量。
【发明内容】
[0007] 本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于图像信息隐藏的 卫星数据传输方法，解决当前信息隐藏方法的容量相对较低、且含密图像质量相对较差的 问题，在保证秘密信息准确传输的同时不影响整个数据传输系统的使用质量。
[0008] 本发明的技术方案是：一种基于图像信息隐藏的卫星数据传输方法，步骤如下：
[0009] 1)将载体图像A划分为同样大小的η个图像块，依次标记为A1，A2，"^An ;分别 计算Α1，Α2, "·，Αη个图像块的分类参数值G1，G2, "·，6η;并按分类参数值从小到大排列， 排序号依次记为S1，S2,…，Sn，其中η为正整数；所述的第i个图像块的分类参数值Gi计 算方法如下：
[0010] Gi = Di/ (mi+1)
[0011] 其中，Di为第i个图像块的标准差，mi为第i个图像块的均值；
[0012] 2)将待传输卫星数据划分为η个组，依次标记为bl，b2，···，bn;其中，每个组的 长度依次为kl，k2，…，kn ;当且仅当G1 = G2 =…=Gn时，有kl = k2 =…=kn ;
[0013] 3)将η个待传输卫星数据组的长度kl，k2，…，kn分别嵌入到对应的子图像块 S1，S2, "^Sn中预设的保留位中，得到图像块B1，B2,…，Bn;所述预设的保留位位于子图 像块像素的四周边缘位置；
[0014] 4)将bl，b2, "^bn按照基于子图像的隐藏方法嵌入到对应的图像块B1，B2,…， Bn，得到含密图像块C1，C2，···，&!;
[0015] 5)含密图像块Cl，C2，…，Cn进行格式编排后合成一路数据并发送至接收端；
[0016] 6)接收端从收到的含密图像块C1，C2, ···，〇!中的预设的保留位中提取出排序号， 并按照信息隐藏的逆过程提取出卫星数据分组bl，b2,…，bn ;
[0017] 7)利用含密图像块Ci周围的其它子图像块像素预测并恢复出每一个含密子图 像,从而恢复出载体图像A。
[0018] 步骤3)将η个待传输卫星数据组的长度kl，k2, ···，!〇!分别嵌入到对应的子图像 块Sl，S2,…，Sn中预设的保留位中的具体方法为：将分组长度ki转化为二进制码流，当 ki的某位为0时，将该位对应的预设保留位的像素值设置为64,当ki的某位为1时，将该 位对应的预设保留位的像素值设置为192。
[0019] 步骤4)中将bl，b2，…，^按照基于子图像的隐藏方法嵌入到对应的图像块B1， B2,…，Bn的具体方法如下：将图像块Bi分为N个子图像，选其中一个子图像作为载体子 图像，将待传输卫星数据bi转化为二进制码流后，以R比特为一组，替换载体子图像中像素 的高R位，即Q至R-1位，形成含密图像块；其中Q为最高位；
[0020] 所述子图像个数N的选取方法为：首先设置初始N为2,计算各个子图像之间的绝 对差之和E，如果最小的绝对差之和E小于等于门限T，则N取2 ;否则N = 2*N，并重新计算 各个子图像之间的绝对差之和E，直到满足绝对差之和E小于等于门限T或者N达到图像块 Bi的大小；
[0021] 所述载体子图像的选取方法为：在确定N以后，选择绝对差之和E最小的一对子图 像的后者作为载体子图像。
[0022] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0023] (1)本发明给出了利用分类参数值判断嵌入区域平坦程度的思想，本发明采用分 块方差和分块均值加一的比值最为分类参数值，分块均值代表了图像分块的基准，分块方 差代表了偏离程度，为判断图像块是否适合嵌入给出了衡量的标准；
[0024] (2)本发明将信息隐藏在图像分块的子图像中，通过子图像之间的绝对差之和来 选择分割子图像的个数和选择载体子图像，保证了抗压缩性能的基础上大大提高了信息隐 藏的容量，同时保证了载体的恢复质量；
[0025] (3)本发明给出了图像块划分进行嵌入的思想，在隐藏根据每个块分类参数的不 同而隐藏不同长度的秘密信息，在嵌入时考虑到不同嵌入图像子块之间的特征不同而给出 了分类参数的不同排序，对信息进行了不等长度的分组排列，避免了一般信息隐藏方法中 未考虑各图像块特征之间的差异而进行等量嵌入的缺点，提高了抗压缩能力，进而提高了 隐秘传输的鲁棒性；
[0026] (4)本发明综合采用了子图像高位替换的嵌入方法以及预测的方法恢复载体图 像，保证了抗压缩性能，进一步提高了恢复的载体图像质量；
[0027] (5)本发明给出了一种多次嵌入的思路，将重要信息嵌入到保留位，秘密信息嵌入 到非保留位，从而将两种信息区分起到重点保障重要信息的作用；
[0028] (6)本发明的较其他的鲁棒算法，具有复杂度低、易于硬件实现等优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0029] 图1为本发明方法流程图；
[0030] 图2为标准测试图像Lena原始图像；
[0031] 图3为压缩2倍攻击下Lena恢复图像；
[0032] 图4为压缩4倍攻击下Lena恢复图像；
[0033] 图5为压缩8倍攻击下Lena恢复图像；
[0034] 图6为标准测试图像Airplane原始图像；
[0035] 图7为压缩2倍攻击下Airplane恢复图像；
[0036] 图8为压缩4倍攻击下Airplane恢复图像；
[0037] 图9为压缩8倍攻击下Airplane恢复图像。
【具体实施方式】
[0038] 下面就结合附图对本发明做进一步介绍。
[0039] 如图1所示为本发明方法流程图，具体实现步骤如下：
[0040] 1)将载体图像A划分为同样大小的η个图像块，依次标记为A1，A2，"^An ;分别 计算Α1，Α2, "·，Αη个图像块的分类参数值G1，G2, "·，6η;并按分类参数值从小到大排列， 排序号依次记为S1，S2,…，Sn，其中η为正整数；所述的第i个图像块的分类参数值Gi计 算方法如下：
[0041] Gi = Di/ (mi+1)
[0042] 其中，Di为第i个图像块的标准差，mi为第i个图像块的均值；
[0043] 2)将待传输卫星数据划分为η个组，依次标记为bl，b2，…，bn;其中，每个组的 长度依次为kl，k2，…，kn ;当且仅当GI = G2 =…=Gn时，有kl = k2 =…=kn ;
[0044] 3)将η个待传输卫星数据组的长度kl，k2，…，kn分别嵌入到对应的子图像块 S1，S2, "^Sn中预设的保留位中，得到图像块B1，B2,…，Bn;所述预设的保留位位于子图 像块像素的四周边缘位置；具体步骤为：将分组长度ki转化为二进制码流，当ki的某位为 〇时，将该位对应的预设保留位的像素值设置为64,当ki的某位为1时，将该位对应的预设 保留位的像素值设置为192 ;
[0045] 4)将bl，b2, "·，?3η按照基于子图像的隐藏方法嵌入到对应的图像块B1，B2,…， Bn，得到含密图像块C1，C2, ···，〇!;具体步骤为：将图像块Bi分为N个子图像，选其中一个 子图像作为载体子图像，将待传输卫星数据bi转化为二进制码流后，以R比特为一组，替换 载体子图像中像素的高R位，即Q至R-1位，形成含密图像块；其中Q为最高位；
[0046] 所述子图像个数N的选取方法为：首先设置初始N为2,计算各个子图像之间的绝 对差之和E，如果最小的绝对差之和E小于等于门限T，则N取2 ;否则N = 2*N，并重新计算 各个子图像之间的绝对差之和E，直到满足绝对差之和E小于等于门限T或者N达到图像块 Bi的大小；
[0047] 所述载体子图像的选取方法为：在确定N以后，选择绝对差之和E最小的一对子图 像的后者作为载体子图像；
[0048] 5)含密图像块Cl，C2,…，Cn进行格式编排后合成一路数据并发送至接收端；
[0049] 6)接收端从收到的含密图像块C1，C2, ···，〇!中的预设的保留位中提取出排序号， 并按照信息隐藏的逆过程提取出卫星数据分组bl，b2,…，bn ;
[0050] 7)利用含密图像块Ci周围的其它子图像块像素预测并恢复出每一个含密子图 像,从而恢复出载体图像A。
[0051] 实施例
[0052] 为了验证本文提出的算法的性能，实验采用了多幅大小为512X512的8比特灰度 图像进行了仿真，分块大小为32,这里仅给出本发明仿真用测试图像，隐藏秘密信息后载体 图像的改变程度用峰值信嗓比（PSNR)来表示，峰值信嗓比（PSNR)均可达30dB以上。
[0053] 如图2-图5所示，标准测试图像Lena的测试结果如下：
[0054] JPEG2000压缩2倍攻击的情况下，载体恢复质量PSNR为42. 16dB，隐藏容量为 98304bits，嵌入率为21. 33分之一。
[0055] JPEG2000压缩4倍攻击的情况下，载体恢复质量PSNR为37. 17dB，隐藏容量为 73728bits，嵌入率为28. 44分之一。
[0056] JPEG2000压缩8倍攻击的情况下，载体恢复质量PSNR为31. 20dB，隐藏容量为 49152bits，嵌入率为42. 67分之一。
[0057] 如图6-图9所示，标准测试图像Airplane的测试结果如下：
[0058] JPEG2000压缩2倍攻击的情况下，载体恢复质量PSNR为39. 58dB，隐藏容量为 99840bits，嵌入率为21. 01分之一。
[0059] JPEG2000压缩4倍攻击的情况下，载体恢复质量PSNR为36. 23dB，隐藏容量为 74880bits，嵌入率为28. 01分之一。
[0060] JPEG2000压缩8倍攻击的情况下，载体恢复质量PSNR为30. 54dB，隐藏容量为 49920bits，嵌入率为42. 01分之一。
[0061] 本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。
【权利要求】
1. 一种基于图像信息隐藏的卫星数据传输方法，其特征在于步骤如下： 1) 将载体图像A划分为同样大小的η个图像块，依次标记为A1，A2,…，An;分别计算 Α1，Α2，"·，Αη个图像块的分类参数值G1，G2，"·，6η ;并按分类参数值从小到大排列，排序 号依次记为S1，S2,…，Sn，其中η为正整数；所述的第i个图像块的分类参数值Gi计算方 法如下： Gi = Di/ (mi+1) 其中，Di为第i个图像块的标准差，mi为第i个图像块的均值； 2) 将待传输卫星数据划分为η个组，依次标记为bl，b2,…，bn ;其中，每个组的长度 依次为kl，k2,…，kn ;当且仅当GI = G2 =…=Gn时，有kl = k2 =…=kn ; 3) 将η个待传输卫星数据组的长度kl，k2,…，kn分别嵌入到对应的子图像块Sl， S2, "^Sn中预设的保留位中，得到图像块Β1，Β2, "·，Βη;所述预设的保留位位于子图像 块像素的四周边缘位置； 4) 将bl，b2，"·，?3η按照基于子图像的隐藏方法嵌入到对应的图像块Β1，Β2，…，Βη， 得到含密图像块Cl，C2，…，Cn ; 5) 含密图像块Cl，C2，…，Cn进行格式编排后合成一路数据并发送至接收端； 6) 接收端从收到的含密图像块Cl，C2，…，Cn中的预设的保留位中提取出排序号，并 按照信息隐藏的逆过程提取出卫星数据分组bl，b2,…，bn ; 7) 利用含密图像块Ci周围的其它子图像块像素预测并恢复出每一个含密子图像，从 而恢复出载体图像A。
2. 根据权利要求1所述的一种基于图像信息隐藏的卫星数据传输方法，其特征在于： 步骤3)将η个待传输卫星数据组的长度kl，k2,…，kn分别嵌入到对应的子图像块S1， S2, 一Αη中预设的保留位中的具体方法为：将分组长度ki转化为二进制码流，当ki的某 位为0时，将该位对应的预设保留位的像素值设置为64,当ki的某位为1时，将该位对应的 预设保留位的像素值设置为192。
3. 根据权利要求1所述的一种基于图像信息隐藏的卫星数据传输方法，其特征在于： 步骤4)中将bl，b2，"^bn按照基于子图像的隐藏方法嵌入到对应的图像块B1，B2，…， Bn的具体方法如下：将图像块Bi分为N个子图像，选其中一个子图像作为载体子图像，将 待传输卫星数据bi转化为二进制码流后，以R比特为一组，替换载体子图像中像素的高R 位，即Q至R-1位，形成含密图像块；其中Q为最高位； 所述子图像个数N的选取方法为：首先设置初始N为2,计算各个子图像之间的绝对差 之和E，如果最小的绝对差之和E小于等于门限T，则N取2 ;否则N = 2*N，并重新计算各个 子图像之间的绝对差之和E，直到满足绝对差之和E小于等于门限T或者N达到图像块Bi 的大小； 所述载体子图像的选取方法为：在确定N以后，选择绝对差之和E最小的一对子图像的 后者作为载体子图像。
【文档编号】H04N19/46GK104065967SQ201410240164
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年5月30日 优先权日:2014年5月30日
【发明者】周诠, 黎军, 张怡, 呼延烺, 李静玲, 崔涛, 魏佳圆, 梁薇 申请人:西安空间无线电技术研究所