CN103020887B - 一种星上数据无损隐藏传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种星上数据无损隐藏传输方法，通过对星上高速率遥感图像相邻像素差直方图进行修改，将低速率数据嵌入到原始高速率遥感载体图像中，并利用卫星高速数传系统进行下传。地面接收端可以从载体图像中正确提取低速率数据，并无损恢复原始高速率遥感图像数据。本发明方法在不增加卫星数传系统复杂度和信息传输速率的前提下，提高了卫星数传系统的利用率，增强了星上数据传输的隐蔽性。实验结果表明，本发明方法在保证良好的隐蔽性的情况下，获得了较高的纯载荷嵌入容量。

Description

一种星上数据无损隐藏传输方法

技术领域

本发明属于通信领域，涉及一种航天器数据传输方法。

背景技术

随着航天科技的进步和信息技术的发展，对卫星数据传输技术的需要越来越迫切，卫星数据传输速率越来越高，目前卫星高速数据传输速率可达数百兆甚至千兆bps。与此同时，卫星平台和星上传感器也已从过去的单一型向多样化发展。除了对高速率数据业务的需要外，星上还存在一些低速率的数据(例如低分辨率的遥感图像、遥感卫星自身产生的监测数据、其他空间飞行器通过星际链路传来的数据等)需要下传。如果将这些低速率数据通过单独的卫星数传系统进行下传，势必要增加卫星数传系统数量，从而会增加卫星体积、重量、功耗、成本等，导致整个卫星数传系统复杂度提高；如果利用卫星高速数据传输系统直接传输这些低速率的数据，由于数据量的增加将使得卫星数据传输的信息速率增大，可能会造成卫星数传系统设计参数的变化，甚至导致卫星传输体制的改变，给卫星的设计和研制带来困难。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有星上数据传输技术的不足，针对星上低速率数据的传输问题，提出一种星上数据无损隐藏传输方法，利用该方法将低速率数据嵌入高速图像数据中进行传输，地面接收端可以从载体图像中正确提取低速率数据，并完全无失真恢复原始高速率遥感图像数据。

本发明的技术解决方案是：一种星上数据无损隐藏传输方法，步骤如下：

(1)设定待嵌入数据在原始载体图像上的嵌入层数L，以及在进行像素差直方图统计时的峰值点个数m，m为偶数；

(2)建立一个与原始载体图像大小一致的定位图，定位图上的像素点与原始载体图像上的像素点一一对应，如果原始载体图像的某像素点的像素值介于L和255-L之间，则定位图上对应像素点的像素值赋值为0，其它情况下定位图上对应像素点的像素值赋值为1；然后对原始载体图像上的像素点的像素值进行修改，修改的原则为：如果原始载体图像上的像素点的像素值小于L，则将该像素点的像素值加L，如果原始载体图像上的像素点的像素值大于255-L，则将该像素点的像素值减L；

(3)将定位图信息、待嵌入数据、嵌入层数L、峰值点个数m进行数据打包形成由0和1组成的比特数据流S；

(4)将以下步骤(41)～(45)循环进行L次，完成待嵌入数据在修改后的原始载体图像上的嵌入，

(41)将原始载体图像分为大小为K×K的不重叠的图像块，并按S扫描顺序或倒S扫描顺序扫描每个图像块，得到每个图像块的像素序列，记每个像素序列中的第i个像素的像素值为x_i，1≤i≤K×K，x_i∈[0，255]；

(42)计算每个像素序列中像素值x_i+1与x_i之间的像素差x_i+1-x_i，每个像素序列对应生成一个像素差序列d_i，将所有像素差序列合并为一个像素差序列D_i；

(43)求取像素差序列D_i中像素差值的直方图，并选取像素差直方图中的m个最大峰值点P₁，P₂，…P_m-1，P_m；

(44)按照步骤(41)中的扫描顺序依次扫描每个图像块，对于每一个图像块中的像素点，令y₁＝x₁，通过以下公式修改图像块中的除第一个像素点以外的其余各像素点的像素值，对像素差直方图进行平移，

$y_i=\left\{\begin{array}{cc}{x}_i,& \mathrm{if}{P}_{m/2}<d_{i-1}<P_{m/2+1},\\ x_i-\mathrm{\&delta;},& \mathrm{if}{P}_{m/2-\mathrm{\&delta;}}<d_{i-1}<P_{m/2-\mathrm{\&delta;}+1},\\ x_i-m/2,& \mathrm{if}{d}_{i-1}<P_1,\\ x_i+\mathrm{\&delta;},& \mathrm{if}{P}_{m/2+\mathrm{\&delta;}}<d_{i-1}<P_{m/2+\mathrm{\&delta;}+1},\\ x_i+m/2,& \mathrm{if}{d}_{i-1}>P_m.\end{array}\right.$

其中，y_i为嵌入待嵌入数据后图像块中第i个像素的像素值，δ的值依次取1，2，...，m/2-1；

(45)按照步骤(41)中的扫描顺序依次扫描每个图像块，得到每个图像块的像素差序列d_i，根据步骤(3)形成的比特数据流S，通过以下公式再次修改图像块中的各像素点的像素值，

$z_i=\left\{\begin{array}{cc}{y}_i-S,& \mathrm{if}{d}_i=P_1,...,P_{m/2}\\ y_i+S,& \mathrm{if}{d}_i=P_{m/2+1},...,p_m\end{array}\right.$

(5)将完成数据嵌入后的含密图像数据通过数据传输系统下传至地面；

(6)在地面重复执行步骤(61)～(62)L次，完成待嵌入数据在含密图像数据上的提取，并恢复载体图像，

(61)将包含有待嵌入数据的含密图像数据分为大小为K×K的不重叠的图像块，按照嵌入时的扫描顺序依次扫描每个图像块，将图像块中的第一个像素的像素值z₁重建为x₁，并通过以下公式重建图像块中的除第一个像素点以外的其余各像素点的像素值，

其中，α的值依次取1，...m/2-1，β的值依次取0，1，...m/2-1；

(62)根据步骤(61)的结果，利用如下公式提取嵌入的比特数据流S，

$S=\left\{\begin{array}{cc}0& \mathrm{if}{z}_i-x_{i-1}=P_{m/2-\mathrm{\&beta;}}-\mathrm{\&beta;}\\ 1& \mathrm{if}{z}_i-x_{i-1}=P_{m/2-\mathrm{\&beta;}}-\mathrm{\&beta;}-1\\ 0& \mathrm{if}{z}_i-x_{i-1}=P_{m/2+1+\mathrm{\&beta;}}+\mathrm{\&beta;}\\ 1& \mathrm{if}{z}_i-x_{i-1}=P_{m/2+1+\mathrm{\&beta;}}+\mathrm{\&beta;}+1\end{array}\right.$

(7)利用步骤(6)执行完毕后获取的定位图信息对得到的载体图像进行后处理，读取定位图中像素值为1的像素点对应的载体图像上的像素点的像素值，如果读取的值小于127则将该像素值减L，如果读取的值大于128则将该像素值加L，由此恢复出最初的原始载体图像。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)该方法充分利用了原始载体图像的局部相关性，在每层嵌入时将原始载体图像分为互不重叠的图像块分别进行扫描，并计算各个图像块的相邻像素差，利用该方法求得的像素差直方图较以往不采用分块扫描的方法计算出的像素差直方图更集中、峰值点更高，提高了峰值点可嵌入的比特数；

(2)该方法在单层嵌入中利用原始载体图像相邻像素差直方图的多个峰值点平移后产生的冗余空间进行星上数据的嵌入，较以往利用图像像素直方图中单个峰值点嵌入的方法大大提高了载体图像的单层嵌入容量；

(3)在多层嵌入中，该方法采用了交替扫描路径的方法，解决了采用单一扫描路径像素差直方图特性恶化的问题，使得嵌入秘密信息后的含密载体图像的相邻像素差直方图分布特征明显改善，提高了多层嵌入时载体图像的嵌入容量；

(4)该方法将星上待嵌入的数据按所提出的载荷数据格式进行打包，解决了星上不同类型、不同大小待嵌入数据及不同遥感载体图像与隐藏算法之间的匹配问题，使得地面接收端可以根据提取的载荷数据包完全重组星上数据并无失真恢复原始载体图像；

(5)该方法将星上低速率数据直接嵌入高速率数据中利用现有卫星数传系统进行下传，并不会增加卫星数据传输的信息速率，且避免了单独采用数传通道传输这些低速率数据带来的代价。此外，利用该方法传输数据还具有一定隐蔽性，从而保证了一些重要数据的可靠传输；

(6)该方法在不增加卫星数传系统复杂度和信息传输速率的前提下，提高了卫星数传系统的利用率，增强了数据传输的隐蔽性，优化了卫星数传系统。该方法的嵌入过程主要执行扫描和平移操作，方法复杂度低，执行速度快，适合星上应用。此外，该方法还相当于增加了一个卫星备份数据传输信道，从而保证了一些重要数据的可靠传输。

附图说明

图1为本发明方法的原理框图；

图2为本发明的星上载荷数据结构示意图；

图3为本发明方法的流程图；

图4为本发明方法中的像素扫描路径示意图；

图5为采用本发明方法进行不同测试图像的嵌入时，嵌入容量与嵌入数据后图像的PSNR之间的关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步介绍。

如图1所示，为本发明方法的原理图。本发明方法通过对星上高速率遥感图像相邻像素差直方图进行修改，将低速率数据嵌入到原始高速率遥感载体图像中，并利用卫星高速数传系统进行下传。地面接收端可以从载体图像中正确提取低速率数据，并无损恢复原始高速率遥感图像数据。

1、待嵌入数据包的生成

由于星上数据的类型和大小可能不同。因此，为了使待嵌入数据和原始载体图像之间实现较好的匹配，必须对待嵌入数据进行打包。本发明提出了一种星上载荷数据结构，如图2所示。

在进行信息嵌入前先必须确定嵌入的层数，如果原始载体图像在给定的嵌入层数下存在像素溢出问题，则载荷信息由A、B、C和D组成。否则，载荷信息由A、C和D组成。

由于灰度图像像素值的范围为[0，255]，修改像素灰度值可能导致像素值溢出(小于0或者大于255)。为了解决溢出问题，本发明将图像像素直方图两边小于L(或大于L)的像素平移L(L为嵌入层数)个单位来防止像素溢出。这是由于在每次嵌入过程中像素值最多被修改1个单位，因此经过L层嵌入，像素值的最大改变量为L。

为了记录直方图的平移信息，需要建立一个与原始图像大小一致的定位图。如果原始载体图像像素值介于(L，255-L)，定位图对应位赋值为0，否则，赋值为1。对于大多数图像而言，像素值小于L(或者大于255-L)的像素相对较少，且它们都是邻近的。所以，可采用行程编码对定位图进行无损压缩，并将压缩后的定位图同待嵌入数据一同嵌入到原始载体图像中进行传输。接收端在提取待嵌入数据后可通过定位图数据无损恢复原始载体图像。

如图2所示，标志位A为8比特整数，定义了定位图大小所占的字节数，当确定嵌入层数L后，如果原始载体图像不存在溢出问题，则将A置为0，载荷信息由A，C和D组成；如果原始载体图像存在溢出问题，载荷信息由A，B，C和D组成。其中，A可由如下公式求得：

载荷数据结构中B₁定义了实际定位图数据B₂所占的字节数，B₂为实际定位图数据。

为了解决待嵌入数据与原始载体图像之间的匹配问题，本发明对不同的待嵌入数据进行编号，对于同一编号的待嵌入数据，将其分为大小相等的数据包(例如可定义数据包大小为4096字节)，并对每个数据包进行编号。由此，在接收端从不同的载体图像中提取出纯载荷信息后可重组待嵌入数据。

如图2所示，纯载荷信息C由C₁纯载荷标志位和C₂纯载荷数据组成。其中，C₁₁为16比特整数代表待嵌入数据的编号。C₁₂和C₁₃为16比特整数分别代表嵌入该原始载体图像的待嵌入数据C₁₁的第一个和最后一个数据包编号。在进行完数据嵌入后，可将总共嵌入的层数L和每层选取的峰值点信息作为密钥再次嵌入到含密载体图像中进行下传。密钥信息D由D₁和D₂组成，D₁为8比特整数代表嵌入的层数L，D₂代表峰值点信息。

2、信息嵌入

如图3所示，为本发明方法的流程图。本发明的主要步骤如下：

设原始载体图像I为大小为M×N的8比特灰度图像，I(i，j)为像素位置为(i，j)的像素值。1≤i≤M，1≤j≤N。

1)将原始载体图像I分为大小为K×K的不重叠的图像块。并按S扫描顺序(或倒S扫描顺序，如图4所示)扫描每个图像块，得到多个(个数与图像块相对应)像素差序列。设像素值x_i为每个像素序列中的第i个像素的像素值。1≤i≤K×K，x_i∈[0，255]。

2)计算每个像素序列像素值x_i与x_i-1之间的像素差d_i

d_i＝x_i+1-x_i，1≤i≤K×K-1

并将所有的像素差序列合并为一个像素差序列D_i。

3)求得像素差序列D_i中像素差值的直方图，并选取像素差直方图中m个峰值点P₁，P₂，…P_m-1，P_m(m为偶数)。其中，m个峰值点为最大的m个峰值。

4)按步骤1)中的扫描顺序扫描每个图像块，令y₁＝x₁，通过修改x_i对像素差直方图进行平移，

$y_i=\left\{\begin{array}{cc}{x}_i,& \mathrm{if}{P}_{m/2}<d_{i-1}<P_{m/2+1},\\ x_i-\mathrm{\&delta;},& \mathrm{if}{P}_{m/2-\mathrm{\&delta;}}<d_{i-1}<P_{m/2-\mathrm{\&delta;}+1},\\ x_i-m/2,& \mathrm{if}{d}_{i-1}<P_1,\\ x_i+\mathrm{\&delta;},& \mathrm{if}{P}_{m/2+\mathrm{\&delta;}}<d_{i-1}<P_{m/2+\mathrm{\&delta;}+1},\\ x_i+m/2,& \mathrm{if}{d}_{i-1}>P_m.\end{array}\right.$

其中，y_i为嵌入数据后第i个像素的值，δ＝1，2，...，m/2-1，也即δ依次取上述各个值。

5)再次扫描每个图像块，并计算每个像素序列像素差d_i，如果d_i＝P₁，P₂，...，P_m-1，P_m，那么根据秘密信息比特流S修改通过像素差直方图平移后的像素值y_i

$z_i=\left\{\begin{array}{cc}{y}_i-S,& \mathrm{if}{d}_i=P_1,...,P_{m/2}\\ y_i+S,& \mathrm{if}{d}_i=P_{m/2+1},...,p_m\end{array}\right.$

其中，S为二进制比特流，S∈{0，1}。

以上步骤使用m个峰值完成了秘密信息的嵌入。多层信息嵌入通过交替变换像素扫描路径并重复以上嵌入过程获得。最终可得到嵌入数据的含密图像I′。

3、秘密信息的提取和原始载体图像的恢复

秘密信息的提取和原始载体图像的恢复过程与嵌入过程类似，描述如下：

1)将大小为M×N的含密图像I′分为大小为K×K的不重叠的图像块。

2)按嵌入时的扫描顺序扫描每个含密图像块。

3)设x₁＝y₁，x₁指重建图像块的第一个像素的像素值(灰度值)。

4)载体图像像素值x_i恢复及秘密信息S提取过程如下：

5)原始载体图像像素值x_i恢复过程如下：

其中，α＝1，...m/2-1，β＝0，1，...m/2-1。此处含义同上，α，β分别取上述各值。

$S=\left\{\begin{array}{cc}0& \mathrm{if}{z}_i-x_{i-1}=P_{m/2-\mathrm{\&beta;}}-\mathrm{\&beta;}\\ 1& \mathrm{if}{z}_i-x_{i-1}=P_{m/2-\mathrm{\&beta;}}-\mathrm{\&beta;}-1\\ 0& \mathrm{if}{z}_i-x_{i-1}=P_{m/2+1+\mathrm{\&beta;}}+\mathrm{\&beta;}\\ 1& \mathrm{if}{z}_i-x_{i-1}=P_{m/2+1+\mathrm{\&beta;}}+\mathrm{\&beta;}+1\end{array}\right.$

其中，x_i-1为通过y_i-1重建得到的像素值。

6)重复以上过程可提取嵌入数据和无损恢复载体图像。最后利用提取的嵌入数据中的定位图信息对恢复的载体图像进行后处理，将定位图中像素值1对应位置的载体图像上的像素点的像素值减L(像素值小于127时)或者加L(像素值大于128时)，最后可恢复原始载体图像。

实施例

为了验证本发明方法的效果，实验采用了多幅大小为512×512的8比特灰度图像“City”，“Coast”，“Farm”，“Nephogram”，“Desert”and“Snow”进行了仿真。隐藏秘密信息后载体图像的改变程度用峰值信噪比(PSNR)来表示。

具体方法为：将原始载体图像分别分为32×32的小块，选取两个峰值(m＝2)，嵌入一层(L＝1)时，隐藏容量和峰值信噪比(PSNR)的对比结果如表1所示。纯载荷Pur为Pur＝Cap-HS。其中，Cap为嵌入容量，HS为直方图平移信息。通过大量实验，发现图像分块大小为32×32时性能最佳。分析可知，这是由于图像分块越小，像素之间的相关性就越强，像素差越小，且出现相同像素差的概率越大，最终使嵌入容量得到增加。然而，由嵌入过程可知，图像块的第一个像素在每次嵌入中始终保持不变。随着图像块减小的同时，图像块中用来嵌入秘密信息的像素数量也在减小。因此，应该选择合适的图像分块，以免影响嵌入容量。

表1嵌入一层的实验结果

进行多层多峰值嵌入后，几种典型测试图像嵌入容量与嵌入数据后图像的PSNR之间的关系如图5所示。由表1和图5可知，纹理复杂，图像块相邻像素相关性差的图像(如City)相对于平滑图像(如Snow)在含密图像峰值信噪比相当的情况下嵌入量较小。这是由于图像块相邻像素相关性小，所得像素差值的直方图最大峰值较低的缘故。由图5可见，对于大多数载体图像，当含密载体图像峰值信噪比下降到30dB左右时，载体图像的纯载荷嵌入量可大于1bpp。由此可见，本发明方法在嵌入容量和视觉质量上都具有很好的优势。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种星上数据无损隐藏传输方法，其特征在于步骤如下：

(1)设定待嵌入数据在原始载体图像上的嵌入层数L，以及在进行像素差直方图统计时的峰值点个数m，m为偶数；

(2)建立一个与原始载体图像大小一致的定位图，定位图上的像素点与原始载体图像上的像素点一一对应，如果原始载体图像的某像素点的像素值介于L和255-L之间，则定位图上对应像素点的像素值赋值为0，其它情况下定位图上对应像素点的像素值赋值为1；然后对原始载体图像上的像素点的像素值进行修改，修改的原则为：如果原始载体图像上的像素点的像素值小于L，则将该像素点的像素值加L，如果原始载体图像上的像素点的像素值大于255-L，则将该像素点的像素值减L；

(3)将定位图信息、待嵌入数据、嵌入层数L、峰值点个数m进行数据打包形成由0和1组成的比特数据流S；

(4)将以下步骤(41)～(45)循环进行L次，完成待嵌入数据在修改后的原始载体图像上的嵌入，

(41)将修改后的原始载体图像分为大小为K×K的不重叠的图像块，并按S扫描顺序或倒S扫描顺序扫描每个图像块，得到每个图像块的像素序列，记每个像素序列中的第i个像素的像素值为x_i，1≤i≤K×K，x_i∈[0，255]；

(42)计算每个像素序列中像素值x_i+1与x_i之间的像素差x_i+1-x_i，每个像素序列对应生成一个像素差序列d_i，将所有像素差序列合并为一个像素差序列D_i；

(43)求取像素差序列D_i中像素差值的直方图，并选取像素差直方图中的m个最大峰值点P₁，P₂，…P_m-1，P_m；

(44)按照步骤(41)中的扫描顺序依次扫描每个图像块，对于每一个图像块中的像素点，令y₁＝x₁，通过以下公式修改图像块中的除第一个像素点以外的其余各像素点的像素值，对像素差直方图进行平移，

$y_i=\left\{\begin{array}{cc}{x}_i,& \mathrm{if}{P}_{m/2}<d_{i-1}<P_{m/2+1},\\ x_i-\mathrm{\&delta;},& \mathrm{if}{P}_{m/2-\mathrm{\&delta;}}<d_{i-1}<P_{m/2-\mathrm{\&delta;}+1,}\\ x_i-m/2,& \mathrm{if}{d}_{i-1}<P_1,\\ x_i+\mathrm{\&delta;},& \mathrm{if}{P}_{m/2+\mathrm{\&delta;}}<d_{i-1}<P_{m/2+\mathrm{\&delta;}+1},\\ x_i+m/2,& \mathrm{if}{d}_{i-1}>P_m.\end{array}\right.$

其中，y_i为嵌入待嵌入数据后图像块中第i个像素的像素值，δ的值依次取1，2，...，m/2-1；

(45)按照步骤(41)中的扫描顺序依次扫描每个图像块，得到每个图像块的像素差序列d_i，根据步骤(3)形成的比特数据流S，通过以下公式再次修改图像块中的各像素点的像素值，

$z_i=\left\{\begin{array}{cc}{y}_i-S,& \mathrm{if}{d}_i=P_1,...,P_{m/2}\\ y_i+S,& \mathrm{if}{d}_i=P_{m/2+1},...,p_m\end{array}\right.$

(5)将完成数据嵌入后的含密图像数据通过数据传输系统下传至地面；

(6)在地面重复执行步骤(61)～(62)L次，完成待嵌入数据在含密图像数据上的提取，并恢复载体图像，

(61)将包含有待嵌入数据的含密图像数据分为大小为K×K的不重叠的图像块，按照嵌入时的扫描顺序依次扫描每个图像块，将图像块中的第一个像素的像素值z₁重建为x₁，并通过以下公式重建图像块中的除第一个像素点以外的其余各像素点的像素值，

其中，α的值依次取1，...m/2-1，β的值依次取0，1，...m/2-1；

(62)根据步骤(61)的结果，利用如下公式提取嵌入的比特数据流

$S=\left\{\begin{array}{cc}0& \mathrm{if}{z}_i-x_{i-1}=P_{m/2-\mathrm{\&beta;}}-\mathrm{\&beta;}\\ 1& \mathrm{if}{z}_i-x_{i-1}=P_{m/2-\mathrm{\&beta;}}-\mathrm{\&beta;}-1\\ 0& \mathrm{if}{z}_i-x_{i-1}=P_{m/2+1+\mathrm{\&beta;}}+\mathrm{\&beta;}\\ 1& \mathrm{if}{z}_i-x_{i-1}=P_{m/2+1+\mathrm{\&beta;}}+\mathrm{\&beta;}+1\end{array}\right.$

(7)利用步骤(6)执行完毕后获取的定位图信息对得到的载体图像进行后处理，读取定位图中像素值为1的像素点对应的载体图像上的像素点的像素值，如果读取的值小于127则将该像素值减L，如果读取的值大于128则将该像素值加L，由此恢复出最初的原始载体图像。