CN111277831A - 一种基于分类编码的图像压缩方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本申请一种基于分类编码的图像压缩方法及系统，通过从原始图像的高位平面中用“弓”形重排顺序提取比特流，将所述比特流划分为非重叠组，根据所述非重叠组中的少数元素的个数与阈值的数量关系将所述非重叠组分为若干类；将所述非重叠组按所在类型的编码规则进行编码压缩，得到压缩后的比特流；计算所有所述高位平面压缩后生成的附加信息，将所述附加信息与所述压缩后的比特流构成含空位的高位平面。本方法提高了高位平面的压缩率，解决了现有技术的不足。

Description

一种基于分类编码的图像压缩方法及系统
技术领域
本发明属于图像处理领域，具体涉及一种基于分类编码的图像压缩方法及系统。
背景技术
随着互联网技术和云计算技术的快速发展，加密域可逆水印技术成为了近年来大数据云计算背景下信息隐藏领域的研究热点。随着互联网技术和云计算技术的快速发展，加密域可逆水印技术成为了近年来大数据云计算背景下信息隐藏领域的研究热点。
如何提高加密域可逆信息隐藏的嵌入容量是当前的研究热点之一。Ma等人(Reversible data hiding in encrypted images by reserving room beforeencryption)提出一种通过使用传统的RDH(Reversible data hiding)算法在加密之前预留空间的可逆信息隐藏方法，Yi等人(Binary-block embedding for reversible datahiding in encrypted images)提出一种使用BBE(Binary-block embedding)在加密图像中隐藏可逆数据的算法。
在Ma等人的算法中，Ma等人为了腾出原始图像的高位平面中的嵌入空间，传统的RDH方法(直方图平移)用于将所选像素的低位嵌入其他像素。Yi 等人将原始图像的高位平面划分为相同大小的块。每个块根据其位分布分别进行处理。如果块中的所有位都相同，则该块由两个位表示。如果块中只有几个比特不同，则可以用较少的比特表示该块的类型、少数位的数目及其位置。压缩块中的备用空间用于容纳原始低位平面。加密后，数据隐藏者可以利用加密图像的低位平面来嵌入数据。从上述两个算法中发现，将低位平面移位以腾出容纳水印的空间是提高嵌入率以及获得高质量水印图像的关键所在。而现有技术的不足为高位平面的压缩率不高，使低位平面容纳水印的空间较小，导致水印图像的嵌入率低，嵌入的水印图像质量较差。
发明内容
基于此，本发明旨在提供一种基于分类编码的图像压缩方法及系统，通过对原始图像按“弓”形重排顺序提取比特流后，对比特流进行分类编码压缩。本方法将原始图像中相关性较强的像素尽可能地聚在一起，再用分类编码压缩比特流，提高了压缩率，解决了现有技术的不足。
从原始图像的高位平面中用“弓”形重排顺序提取比特流，将所述比特流划分为位长相同的非重叠组，根据所述非重叠组中的少数元素的个数与阈值的关系对所述非重叠组进行分类；
将所述非重叠组按所在类型的编码规则进行编码压缩，得到压缩后的比特流；
计算所有高位平面压缩后生成的附加信息，将所述附加信息与所述压缩后的比特流构成含空位的高位平面。
优选地，根据所述非重叠组中的少数元素的个数与阈值的关系对所述非重叠组进行分类，包括：
比较所述非重叠组中的少数元素m＝min{n0,n1}与na、n0、n1的数量关系，其中na为定义的阈值，n0为所述非重叠组中“0”的数量，n1为所述非重叠组中“1”的数量；
当m＞na时，组类型为Bad，组标记位为“00”；
当m＝n0＝0时，组类型为Good-Ⅰ，无组标记位；
当m＝n1＝0时，组类型为Good-Ⅱ，无组标记位；
当1≤m≤na,n0＜n1时，组类型为Good-Ⅲ，组标记位为“011”；
当1≤m≤na,n1＜n0时，组类型为Good-Ⅳ，组标记位为“010”。
优选地，所述将所述非重叠组按所在类型的编码规则进行编码压缩，包括：
当组类型为Bad时，编码由组标记位和构成Bad组的原始比特流组成；
当组类型为Good-Ⅰ或Good-Ⅱ时，编码由前缀、标志位、中缀、后缀组成；其中，计算
Figure RE-GDA0002465210320000031
l为连续相同为Good-Ⅰ或Good-Ⅱ的组数，则前缀有c+1 个“1”组成；紧接一个“0”标志位；计算v＝l-2c，则中缀为v采用c位的二进制表示；后缀为比特流中重复的比特“1”或“0”；
当组类型为Good-Ⅲ或Good-Ⅳ时，编码由组标记位、少数元素的个数表示p、少数元素的位置信息ti组成，i表示本组比特流中少数元素的顺序；其中，当m＝1时，p＝0；当m＝2时，p＝1；少数元素的位置信息ti由少数元素的位置索引用qi位的二进制数表示；其中，
Figure RE-GDA0002465210320000032
bit为所述非重叠组的位长，zi为第i个少数元素在本组所有元素中的顺序。
优选地，所述高位平面压缩后生成附加信息为：非重叠组的位长bit、阈值na、压缩的高位平面的数量num、提取比特流所用的“弓”形重排顺序类型form、压缩后的比特流长度len、高位平面压缩后可嵌入的水印容量cap；其中，将所述非重叠组的位长bit、所述阈值na、所述压缩的高位平面的数量 num、第八位平面所用的“弓”形重排顺序与第八位平面压缩后的比特流信息嵌入第八位平面的最开始位置；对于除了所述第八位平面外的其余高位平面，将该高位平面所用的“弓”形重排顺序与该高位平面压缩后的比特流信息嵌入该高位平面的最开始位置；将所述高位平面压缩后可嵌入水印容量cap 信息嵌入第一位平面的最开始位置。
优选地，所述高位平面压缩后生成的附加信息的位长为 Ext＝(bit)2+(na)2+(num)2+(form)2×num+(len)2×num+(cap)2，其中(bit)2为所述非重叠组的位长的二进制值所占的位长，(na)2为所述阈值的二进制值所占的位长，num为压缩的高位平面的数量，(num)2为压缩的高位平面的数量的二进制值所占的位长，(form)2为重排所用“弓”形重排顺序类型的二进制值所占的位长，(len)2为压缩后的比特流长度的二进制值所占的位长，(cap)2为高位平面压缩后可嵌入水印容量的二进制值所占的位长。
优选地，获得所述含空位的高位平面后，提取所述高位平面中的附加信息将压缩后的比特流进行分类解码解压并重新排列以恢复得到原始的各高位平面，并将所有位平面组合恢复成原始图像；其中，提取所述高位平面中的附加信息将压缩后的比特流进行分类解码解压，包括：
扫描压缩后的比特流的前两位来确定其组类型；
若扫描前两位为“10”或“11”，则为Good-I组或者Good-II组，按Good-Ⅰ组或Good-Ⅱ组的编码规则的逆过程得到恢复后的非重叠组比特流；
若扫描得到前两位为“00”，则为Bad组，直接恢复其后面一组比特流；
若扫描得到前两位为“01”，则为Good-Ⅲ或Good-Ⅳ组，接着再检测第三位，若第三位为“1”则为Good-Ⅲ组，若为“0”则为Good-Ⅳ组；按Good-Ⅲ或 Good-Ⅳ组的编码规则的逆过程得到恢复后的非重叠组比特流；
根据附加信息中非重叠组的位长和从高位平面中提取比特流所用的“弓”形重排顺序，将所述恢复后的非重叠组比特流重新排列得到恢复后的高位平面；由于本申请的编码压缩方法为无损压缩方法，因此分类解码解压恢复的位平面不会出现任何错误，分类解码解压得到恢复后的高位平面与原始图像分解得到的高位平面完全相同。
优选地，所述按Good-Ⅲ或Good-Ⅳ组的编码规则的逆过程恢复原始元素，包括：
继续扫描比特流第四位p，得到少数元素m的个数；
计算m个少数元素的位置信息t'i，其中t'i为第i个元素与第i-1个元素之间的位置索引距离，并从后续的比特位中顺序提取q'i位；其中，
Figure RE-GDA0002465210320000041
获得少数元素的位置信息t'i后，将Good-Ⅲ组类型的大多数元素恢复为“1”，将少数元素恢复为“0”；将Good-Ⅳ组类型的大多数元素恢复为“0”，将少数元素恢复为“1”。
优选地，所述从原始图像的高位平面中用“弓”形重排顺序提取比特流并划分为非重叠组，包括：对原始图像进行二进制位平面分解；将高位平面进行分块处理，并用“弓”形重排顺序从分块中提取比特流；其中，所述“弓”形重排顺序的提取方式有2N种，其中对所述各分块的整体进行N种整体“弓”形重排顺序扫描提取，每一种“弓”形重排顺序对分块内部的比特位分别进行按行优先顺序与按列优先顺序的2种方式扫描提取；使用“弓”形重排顺序扫描比特流，能够将相关性较强的像素尽可能地聚在一起，提高压缩率。
优选地，分别计算采用2N种“弓”形重排顺序提取的2N串比特流压缩后的比特流长度，若有任意一串压缩后的比特流长度比原始的比特流长度短，则取压缩后的比特流长度最短的一串编码进行记录，否则该比特流不压缩。
优选地，对原始图像的高位平面进行分类编码压缩得到含空位的高位平面后还包括：将低位平面嵌入到压缩后含空位的高位平面中，腾出低位平面中的空间，将秘密数据嵌入到低位平面中，将所有位平面组合成载密图像；
其中，将秘密数据嵌入到低位平面之前还包括：将所述附加信息与所述压缩后的比特流构成含有空位的位平面后，将所有位平面组合成空位图像VI；原始图像所有者通过加密钥匙KI生成一串随机比特流用于加密VI的每一位平面，其中嵌入容量信息不加密，并将所有位平面组合成加密图像EI；通过加扰密钥KS，对加密图像EI中所有位平面的像素扰乱，再组合成经加扰的加密图像EIs；最后，EIs发送给数据隐藏者以将秘密数据嵌入到低位平面中；对压缩后含空位的高位平面与未压缩的低位平面进行加扰加密的目的是保护容量信息并提高安全性；
所述将秘密数据嵌入到低位平面中的步骤包括：
数据隐藏者首先通过加扰密钥KS将接收到的EIs恢复为加密图像EI；
从EI的第一位平面中提取附加信息中的可嵌入水印容量cap，以获得低位平面中的所有可替换位；
通过数据隐藏密钥Ke，数据隐藏者在空出来的低位平面位置中随机挑选位置嵌入秘密数据，而不是按顺序嵌入，目的是让接收方在没有Ke的情况下，不能还原秘密信息；嵌入秘密数据之后，通过加扰密钥KS再次对嵌入了秘密数据的载密加密图像EIe进行加扰，以生成加扰的载密加密图像EIse。
优选地，将所述原始图像进行二进制位平面分解，所述高位平面为第四位平面、第五位平面、第六位平面、第七位平面、第八位平面。
优选地，所述将高位平面进行分块处理，包括将原始图像的高位平面按照从上到下，从左到右的顺序划分为相同大小的块。
本发明还提供一种基于分类编码的图像压缩方法的系统，包括：图像分类编码压缩系统与图像分类解码解压系统；
所述图像分类编码压缩系统包括：
位平面分解分块单元，用于将原始图像进行位平面分解，并将得到的高位平面进行分块处理；
比特流提取单元，用于将所述高位平面的分块用“弓”形重排顺序提取比特流；
比特流分类单元，用于将所述提取的比特流划分为位长相同的非重叠组，并根据组中少数元素的个数与阈值的数量关系将所述非重叠组分类；
分类编码压缩单元，用于将所述分类后的非重叠组按所在类型的编码规则进行编码压缩；
计算单元，用于计算各高位平面使用2N种所述重排顺序提取并压缩后的比特流的长度，选择并记录压缩效果最优的“弓”形重排顺序；
空位图像生成单元，用于将每位高位平面生成的附加信息及压缩后的比特流构成含有空位的位平面，将所有位平面组合成空位图像；
所述图像分类解码解压系统包括：
分解提取单元，用于将接收到的经过压缩后的图像进行位平面分解并提取附加信息；
分类解码解压单元，用于根据所述提取的附加信息中非重叠组的位长和从高位平面中提取比特流所用的“弓”形重排顺序类型，将解压后的比特流重新排列以得到恢复后的高位平面；
恢复图像生成单元，用于将所述恢复后的高位平面和低位平面组合得到原始图像。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明一种基于分类编码的图像压缩方法及系统，通过从原始图像的高位平面中用“弓”形重排顺序提取比特流，将所述比特流划分为非重叠组，根据非重叠组中的少数元素的个数与阈值的数量关系对非重叠组进行分类；将所述非重叠组按所在类型的编码规则进行编码压缩，得到压缩后的比特流；计算所有高位平面压缩后生成的附加信息，将所述附加信息与所述压缩后的比特流构成含空位的高位平面。本方法将原始图像中相关性较强的像素尽可能地聚在一起，再用分类编码压缩比特流，提高了压缩率，解决了现有技术的不足。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1本发明提供的一种基于分类编码的图像压缩方法的一个实施例的流程示意图；
图2本发明实施例提供的一种基于分类编码的图像压缩方法的原始图像位平面分解示意图；
图3本发明实施例提供的一种基于分类编码的图像压缩方法中对各分块整体进行“弓”形重排顺序提取的示意图；
图4本发明实施例提供的一种基于分类编码的图像压缩方法的系统结构框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1，本实施例提供一种基于分类编码的图像压缩方法，其中，原始图像由512×512个像素组成。
对原始图像进行二进制位平面分解。非负十进制数N可以根据以下等式由二进制序列(bn-1,...,b1,b0)表示:
Figure RE-GDA0002465210320000081
因为灰度图像中的像素值是介于0到255之间的十进制数，所以每个像素都可以由8位二进制序列表示，每一位二进制代表一个位平面，即可以将灰度图像分解为8个二进制位平面，如图2所示。第i个位平面包括灰度图像内每个像素的二进制表示形式的所有第i个位。在这些位平面中，较高的位平面包含更多的原始图像视觉信息，而较低的位平面显示更多细节。
将高位平面进行分块处理。在本实施例中按照从上到下、从左到右的顺序将原始图像的第四位平面、第五位平面、第六位平面、第七位平面、第八位平面分别划分成大小相同的4×4块，即每一分块由16个像素组成。
用“弓”形重排顺序提取比特流。请参考图3，对各高位平面分块的整体进行8种“弓”形重排顺序扫描，每一种“弓”形重排顺序对分块内部的比特位分别进行按行优先顺序与按列优先顺序的2种方式扫描，共16种重排顺序方法，得到16串长度为262144位的比特流，并用四位二进制分别标记每一种“弓”形重排顺序，其中图3中给出的标记位为“0000”至“0111”的提取顺序为对各高位平面分块的整体进行8种“弓”形重排顺序扫描，每一种“弓”形重排顺序对分块内部的比特位进行按行优先顺序扫描；标记位为“1000”至“1111”的提取顺序为对各高位平面分块的整体进行8种“弓”形重排顺序扫描，每一种“弓”形重排顺序对分块内部的比特位进行按列优先顺序扫描。
将每一串比特流划分为每组位长为16位的非重叠组。
根据非重叠组中的少数元素的个数与阈值的数量关系将所述非重叠组分类。本实施例中阈值na＝2，非重叠组中的少数元素的个数m＝min{n0,n1}是n0与n1的最小值，n0为所述非重叠组中“0”的数量，n1为所述非重叠组中“1”的数量。组类型的判断条件如表1所示，将非重叠组划分位五类，Good-Ⅰ组、Good-Ⅱ组、Good-Ⅲ组、Good-Ⅳ组和Bad组。
表1组类型判断条件
判断条件 组类型 组的元素描述 组标记位
m&gt;n<sub>a</sub> Bad 不能压缩空间 00
m＝n<sub>0</sub>＝0 Good-I 所有元素都是1 无
m＝n<sub>1</sub>＝0 Good-II 所有元素都是0 无
1≤m≤n<sub>a</sub>,n<sub>0</sub>＜n<sub>1</sub> Good-III 大多数元素都是1 011
1≤m≤n<sub>a</sub>,n<sub>1</sub>＜n<sub>0</sub> Good-IV 大多数元素都是0 010
其中Good-Ⅰ组、Good-Ⅱ组、Good-Ⅲ组、Good-Ⅳ组表示可以压缩出空间，而Bad组则不能压缩出空间。在Bad组中，少数元素的个数大于阈值na；在 Good-Ⅰ组、Good-Ⅱ组中，所有元素值为“1”或所有元素值为“0”；在Good-Ⅲ组、 Good-Ⅳ组中，少数元素小于或等于阈值na。
将所述非重叠组按所在类型的编码规则进行编码压缩，得到压缩后的比特流。
压缩过程中，当组类型为Bad时，编码由组标记位和构成Bad组的原始比特流组成。
确定组类型为Good-Ⅰ组或Good-Ⅱ组时，记录此时的组数为1，接着扫描下一组，若当前扫描的组与上一组类型相同为Good-Ⅰ组或Good-Ⅱ组，组数加 1，直到扫描到下一组类型不是Good-Ⅰ组或Good-Ⅱ组为止，然后将记录为类型Good-Ⅰ组或Good-Ⅱ组进行编码以达到压缩目的。其中编码由前缀、标志位、中缀、后缀组成，编码规则具体步骤为：
前缀：计算
Figure RE-GDA0002465210320000091
其中l为有l组连续的Good-Ⅰ组或连续的Good-Ⅱ组，则前缀由c+1个“1”组成；
标志位：在前缀后紧接一个“0”作为标记位；
中缀：计算v＝l-2c，再将v采用c位的二进制表示；
后缀：组中重复的比特“1”或“0”。
计算示例如下：假设有3组连续的Good-Ⅰ组比特流，即比特流为
Figure RE-GDA0002465210320000101
前缀：计算得
Figure RE-GDA0002465210320000102
则前缀由则前缀由两个“1”组成；
标志位：在前缀后紧接一个“0”作为标记位；
中缀：计算得v＝3-2c＝1＝(1)2；
后缀：组中重复的比特“1”；
则比特流
Figure RE-GDA0002465210320000103
压缩后的编码为“11011”。
根据编码规则可得其它Good-Ⅰ组或Good-Ⅱ组的计算示例为：当有一组 Good-Ⅰ组时，编码为“101”，当有一组Good-Ⅱ组时，编码为“100”；当有连续的两组Good-Ⅰ组时，编码为“11001”，当有连续的两组Good-Ⅱ组时，编码为“11000”；当有连续的三组Good-Ⅰ组时，编码为“11011”，当连续的三组Good-Ⅱ组时，编码为“11010”；当有连续的四组Good-Ⅰ组时，编码为“1110001”，当有连续的四组Good-Ⅱ组时，编码为“1110000”；当有连续的五组Good-Ⅰ组时，编码为“1110011”，当有连续的五组Good-Ⅱ组时，编码为“1110010”。
确定组类型为Good-Ⅲ组或Good-Ⅳ组时，编码由组标记位、少数元素的个数表示p、少数元素的位置信息ti组成，i表示本组比特流中少数元素的顺序；其中，当m＝1时，p＝0，当m＝2时，p＝1；少数元素的位置信息ti由少数元素的位置索引用qi位的二进制数表示，zi为第i个少数元素在本组所有元素中的顺序。计算少数元素的位置信息ti时，使用可变长度的位来存储m个少数元素的位置。首先从左到右扫描该组中的元素，获得这m个少数元素的位置索引值zi，其中(1≤zi≤16)。对于位于z1的元素，即m个少数元素中的第一个少数元素，z1可以是[1,16]范围内的任何整数。因此，使用等式
Figure RE-GDA0002465210320000104
的
Figure RE-GDA0002465210320000105
个位来存储其位置索引，其中qi表示存储少数元素索引值的位数，i表示本组比特流中少数元素的顺序。对于位于z2的第二个少数元素只能在[z1+1,16]范围内。使用
Figure RE-GDA0002465210320000106
位代替
Figure RE-GDA0002465210320000111
位来存储第二个少数元素位置索引的二进制表示，即为将m个少数元素的位置信息ti存储为当前少数元素与其前一个少数元素之间的距离，其中ti由等式
Figure RE-GDA0002465210320000112
计算。例如，对于第二个少数元素，通过将十进制值t2转换为
Figure RE-GDA0002465210320000113
位二进制序列来存储其位置信息。通过记录相邻少数元素之间的相对距离的这种方式，能够使用更少的位来存储m个少数元素的位置信息。
假设有一组比特流为：“1111110111111110”，n0＝2，n1＝14，na＝2，满足1≤m≤na,n0＜n1，确定该比特流为Good-Ⅲ组，计算示例为：
由m＝2，得p＝1；
Figure RE-GDA0002465210320000114
t1＝z1＝7＝(0111)2，t2＝z2-z1＝16-7＝9＝(1001)2，则最后将这一组16位的比特流压缩为为长度为12位的比特流“011101111001”，压缩出4位的空间。
计算各高位平面分别使用16种重排方法按照上述编码规则压缩得到的压缩后的比特流长度。若由任意一串压缩后的比特流长度比压缩前的比特流长度短，则从中取压缩效果最优的，即压缩后比特流最短的一串比特流并记录其生成的附加信息，否则该比特流不压缩。
计算所有高位平面压缩后生成的附加信息。所述高位平面压缩后生成的附加信息为：非重叠组的位长bit、阈值na、压缩的高位平面的数量num、提取比特流所用的“弓”形重排顺序类型form、压缩后的比特流长度len、位平面压缩后可嵌入水印容量cap。其中，将所述非重叠组的位长bit、所述阈值na、所述压缩的高位平面的数量num、第八位平面所用的“弓”形重排顺序与第八位平面压缩后的比特流信息嵌入第八位平面的最开始位置；对于除了第八位平面外的其余高位平面，将该高位平面所用的“弓”形重排顺序与该高位平面压缩后的比特流信息嵌入该高位平面的最开始位置；将所述高位平面压缩后可嵌入水印容量cap信息嵌入第一位平面的最开始位置。其中，高位平面压缩后可嵌入水印容量cap为将每一位高位平面压缩出来的空间相加，再减去附加信息后，得到总空出空间。如第八位平面压缩后空出10000个比特的空间，第七位平面压缩后空出5000个比特的空间，其余位平面都不能再压出空间，附加信息为20个比特的空间，则这幅图像的可嵌入水印容量 cap＝15000-20＝14980。
高位平面生成的附加信息的位长为 Ext＝(bit)2+(na)2+(num)2+(form)2×num+(len)2×num+(cap)2，其中(bit)2为所述非重叠组的位长的二进制值所占的位长，(na)2为所述阈值的二进制值所占的位长，(num)2为压缩的高位平面的数量的二进制值所占的位长，(form)2为重排所用“弓”形重排顺序类型的二进制值所占的位长，(len)2为压缩后的比特流长度的二进制值所占的位长，(cap)2为位平面压缩后可嵌入水印容量的二进制值所占的位长；将所述附加信息嵌入编码压缩后含空位的第八位平面的头部。本实施例中，非重叠组的位长为bit＝16，转换为二进制储存即表示为“1111”，即(bit)2＝4；阈值na＝2，转换为二进制储存即表示为“1”，即(na)2＝1。附加信息的位长为：Ext＝4+1+(num)2+4×num+(len)2×num+(cap)2。
将所述附加信息与所述压缩后的比特流构成含空位的位平面后，将所有位平面组合成空位图像VI。
本实施例对原始图像的高位平面进行分类编码压缩后还包括：将低位平面嵌入到压缩后含空位的高位平面中，腾出低位平面中的空间，将秘密数据嵌入到低位平面中。
其中，将秘密数据嵌入到低位平面之前还包括：原始图像所有者通过加密钥匙KI生成一串随机比特流用于加密VI的每一位平面，其中嵌入容量信息不加密，并将所有位平面组合成加密图像EI。考虑到嵌入容量的信息未加密，为了保护容量信息并提高安全性，采用一种基于位水平的加扰加密图像方案，原始图像所有者通过加扰密钥KS，对加密图像EI中所有位平面的像素扰乱，再组合成经加扰的加密图像EIs。最后，EIs发送给数据隐藏者以将秘密数据嵌入到低位平面中。
所述将秘密数据嵌入到低位平面中的步骤包括：
数据隐藏者首先通过加扰密钥KS将接收到的EIs恢复为加密图像EI；
从EI的第一位平面提取可嵌入水印容量cap，以获得低位平面中的所有可替换位；
通过数据隐藏密钥Ke，数据隐藏者在空出来的低位平面位置中随机挑选位置嵌入秘密数据，而不是按顺序嵌入，目的是让接收方在没有Ke的情况下，不能还原秘密信息；嵌入秘密数据之后，通过加扰密钥KS再次对嵌入了秘密数据的载密加密图像EIe进行加扰，以生成加扰的载密加密图像EIse。
对本实施例中使用本发明的一种基于分类编码的图像压缩方法对原始图像进行分类压缩编码后的水印嵌入率与使用其他方法压缩后的水印嵌入率进行比较，上文所述嵌入的秘密数据即位所述嵌入的水印，比较结果如表2所示：
表2使用本方法与使用其他方法进行图像压缩后的水印嵌入率
Figure RE-GDA0002465210320000131
其中，嵌入率＝可嵌入水印容量cap/(h*w)，h表示图像的长度大小，w 表示图像的宽度大小。同一图像下，使用该方法压缩后的图像嵌入率越高表示使用该方法的压缩效果越好。由表2中可看出，对于同一图像，使用本方法进行图像压缩的压缩率相比于使用其他方法对原始图像进行压缩的图像压缩率高，原始图像分类编码压缩后嵌入水印的嵌入率更高。
本实施例对编码压缩后的图像进行水印嵌入后，还包括：水印的无损提取。
当接收者从数据隐藏者处接受到加扰后的载密加密图像EIse时，接收者可以通过使用Ke和KS从加密图像EIse中提取数据而无需解密。如果接收者具有 KI和KS，则接收者可以恢复原始图像或具有嵌入数据的与原始图像高度相似的图像。
具有Ke和KS的接收者无需对载密加密图像解密，可以直接从EIse中提取嵌入的数据。数据提取的具体步骤包括：
通过使用KS，接收者对加扰的图像EIse进行恢复以获得载密加密图像EIe；
通过使用Ke，接收者直接从EIe的低位平面中提取每一位嵌入的秘密数据，以获得原始秘密数据；
具有KI和KS的接收者可以恢复原始图像或具有嵌入数据的与原始图像高度相似的图像。图像恢复的具体步骤包括：
接收者用KS将EIse重新恢复为载密加密图像EIe；
通过使用KI，EIe被解密为含有空位的载密图像Ei；
解密后，从第八位平面中提取非重叠组的位长16与压缩的高位平面数量 num。
对于每个压缩后的高位平面，提取压缩的比特流并分离嵌入的低位平面，得到经过压缩后含空位的高位平面。
对原始图像进行编码压缩后对编码进行解码解压及图像恢复，具体步骤包括：
扫描压缩后的比特流的前两位来确定其组类型；
若扫描前两位为“10”或“11”，则为Good-I组或者Good-II组，按Good-Ⅰ组或Good-Ⅱ组的编码规则的逆过程得到解码解压后的非重叠组比特流；
若扫描得到前两位为“00”，则为Bad组，直接恢复其后面一组比特流；
若扫描得到前两位为“01”，则为Good-Ⅲ或Good-Ⅳ组，接着再扫描第三位，若第三位为“1”则为Good-Ⅲ组，若为“0”则为Good-Ⅳ组；按Good-Ⅲ或 Good-Ⅳ组的编码规则的逆过程得到解码解压后的非重叠组比特流；
根据附加信息中非重叠组的位长和从高位平面中提取比特流所用的“弓”形重排顺序，将恢复后的非重叠组比特流重新排列得到恢复后的高位平面。
按Good-Ⅲ或Good-Ⅳ组的编码规则的逆过程恢复原始比特流，包括：
继续扫描比特流第四位p，得到少数元素m的数量；
计算m个少数元素的位置信息t'i，其中t'i为第i个少数元素与第i-1个少数元素之间的位置索引距离，并从后续的比特位中顺序提取q'i位；其中，
Figure RE-GDA0002465210320000141
获得少数元素的位置信息t'i后，将Good-Ⅲ组类型的大多数比特恢复为“1”，将少数元素恢复为“0”；将Good-Ⅳ组类型的大多数元素恢复为“0”，将少数元素恢复为“1”。
根据附加信息中非重叠组的位长和从原始高位平面中提取比特流所用的“弓”形重排顺序类型，将解压后的比特流重新排列以恢复被压缩的高位平面，将高位平面和低位平面组合恢复得到原始图像。
本发明提供的一种基于分类编码的图像压缩方法是一种无损压缩方法，因此分类解码解压恢复的位平面不会出现任何错误，分类解码解压得到恢复后的高位平面与原始图像分解得到的高位平面完全相同。如果嵌入的低位平面没有填回到嵌入空间，则会生成含水印的解密图像，由于图像的高位平面可以完美恢复，因此含水印的解密图像与原始图像高度相似。如果将嵌入的低位平面填充回嵌入空间，即将解密图像的低位平面恢复到原始状态，恢复的图像与原始图像完全相同，因此，该方法是无错误的可逆方法。
下面介绍本发明的另一个实施例，请参考图4，本实施例提供一种基于分类编码的图像压缩方法的系统。其中，图像分类编码压缩系统用于将原始图像的高位平面进行分类压缩编码，包括：位平面分解分块单元1、比特流提取分类单元2、分类编码压缩单元3、计算单元4、空位图像生成单元5；图像分类解码解压系统用于对接收到的压缩后图像进行提取附加信息与分离低位平面，并将分类解码解压恢复至原始图像，包括：分解提取单元6、分类解码解压单元7、恢复图像生成单元8。
其中图像分类编码压缩系统包括：
位平面分解分块单元1，用于将原始图像进行位平面分解，并将得到的高位平面进行分块处理；
比特流提取分类单元2，用于将所述高位平面的分块用“弓”形重排顺序提取比特流，将所述提取的比特流划分为位长相同的非重叠组，并根据所述非重叠组中的少数元素的个数与阈值的数量关系将所述非重叠组分类；
分类编码压缩单元3，用于将所述分类后的非重叠组按所在类型的编码规则进行编码压缩；
计算单元4，用于计算各高位平面使用2N种所述重排顺序提取并压缩后的比特流的长度，选择并记录压缩效果最优重排顺序；
空位图像生成单元5，用于将每位高位平面生成的附加信息及压缩后的比特流构成含有空位的位平面，将所有位平面组合成空位图像。
其中，图像分类解码解压系统包括：
分解提取单元6，用于将接收到经过压缩后的图像提取附加信息并分离嵌入的低位平面与高位平面；
分类解码解压单元7，用于根据提取的附加信息的值中每组的位长和编码压缩所用的“弓”形重排顺序类型，将解压后的比特流重新排列以得到恢复后的高位平面。
恢复图像生成单元8，用于将解压恢复后的高位平面和低位平面组合得到原始图像。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于分类编码的图像压缩方法，其特征在于，包括：
从原始图像的高位平面中用“弓”形重排顺序提取比特流，将所述比特流划分为位长相同的非重叠组，根据所述非重叠组中的少数元素的个数与阈值的关系对所述非重叠组进行分类；
将所述非重叠组按所在类型的编码规则进行编码压缩，得到压缩后的比特流；
计算所有高位平面压缩后生成的附加信息，将所述附加信息与所述压缩后的比特流构成含空位的高位平面。
2.根据权利要求1所述的一种基于分类编码的图像压缩方法，其特征在于，根据所述非重叠组中的少数元素的个数与阈值的数量关系对所述非重叠组进行分类，包括：
比较所述非重叠组中的少数元素m＝min{n0，n1}与na、n0、n1的数量关系，其中na为定义的阈值，n0为所述非重叠组中“0”的数量，n1为所述非重叠组中“1”的数量；
当m＞na时，组类型为Bad，组标记位为“00”；
当m＝n0＝0时，组类型为Good-Ⅰ，无组标记位；
当m＝n1＝0时，组类型为Good-II，无组标记位；
当1≤m≤na,n0＜n1时，组类型为Good-Ⅲ，组标记位为“011”；
当1≤m≤na,n1＜n0时，组类型为Good-Ⅳ，组标记位为“010”。
3.根据权利要求1所述的一种基于分类编码的图像压缩方法，其特征在于，将所述非重叠组按所在类型的编码规则进行编码压缩，包括：
当组类型为Bad时，编码由组标记位和构成Bad组的原始比特流组成；
当组类型为Good-Ⅰ或Good-II时，编码由前缀、标志位、中缀、后缀组成；其中，计算
Figure FDA0002368449960000011
l为连续相同为Good-Ⅰ或Good-II的组数，则前缀有c+1个“1”组成；紧接一个“0”标志位；计算v＝l-2c，则中缀为v采用c位的二进制表示；后缀为比特流中重复的比特“1”或“0”；
当组类型为Good-Ⅲ或Good-Ⅳ时，编码由组标记位、少数元素的个数表示p、少数元素的位置信息ti组成，i表示本组比特流中少数元素的顺序；其中，当m＝1时，p＝0；当m＝2时，p＝1；少数元素的位置信息ti由少数元素的位置索引用qi位的二进制数表示；其中，
Figure FDA0002368449960000021
bit为所述非重叠组的位长，zi为第i个少数元素在本组所有元素中的顺序。
4.根据权利要求1所述的一种基于分类编码的图像压缩方法，其特征在于，所述高位平面压缩后生成附加信息为：非重叠组的位长bit、阈值na、压缩的高位平面的数量num、提取比特流所用的“弓”形重排顺序类型form、压缩后的比特流长度len、高位平面压缩后可嵌入的水印容量cap；其中，将所述非重叠组的位长bit、所述阈值na、所述压缩的高位平面的数量num、第八位平面所用的“弓”形重排顺序与第八位平面压缩后的比特流信息嵌入第八位平面的最开始位置；对于除了所述第八位平面外的其余高位平面，将该高位平面所用的“弓”形重排顺序与该高位平面压缩后的比特流信息嵌入该高位平面的最开始位置；将所述高位平面压缩后可嵌入水印容量cap信息嵌入第一位平面的最开始位置。
5.根据权利要求1所述的一种基于分类编码的图像压缩方法，其特征在于，获得所述含空位的高位平面后，提取所述高位平面中的附加信息将压缩后的比特流进行分类解码解压并重新排列以恢复得到原始的各高位平面，并将所有位平面组合恢复成原始图像；其中，提取所述高位平面中的附加信息将压缩后的比特流进行分类解码解压，包括：
扫描压缩后的比特流的前两位来确定其组类型；
若扫描前两位为“10”或“11”，则为Good-I组或者Good-II组，按Good-Ⅰ组或Good-II组的编码规则的逆过程得到恢复后的非重叠组比特流；
若扫描得到前两位为“00”，则为Bad组，直接恢复其后面一组比特流；
若扫描得到前两位为“01”，则为Good-Ⅲ或Good-Ⅳ组，接着再检测第三位，若第三位为“1”则为Good-Ⅲ组，若为“0”则为Good-Ⅳ组；按Good-Ⅲ或Good-Ⅳ组的编码规则的逆过程得到恢复后的非重叠组比特流；
根据附加信息中非重叠组的位长和从高位平面中提取比特流所用的“弓”形重排顺序，将所述恢复后的非重叠组比特流重新排列得到恢复后的原始高位平面。
6.根据权利要求1、5所述的一种基于分类编码的图像压缩方法，其特征在于，所述按Good-Ⅲ或Good-Ⅳ组的编码规则的逆过程恢复原始比特流，包括：
继续扫描比特流第四位p，得到少数元素m的个数；
计算m个少数元素的位置信息t′i，其中t′i为第i个元素与第i-1个元素之间的位置索引距离，并从后续的比特位中顺序提取q′i位；其中，
Figure FDA0002368449960000031
获得少数元素的位置信息t′i后，将Good-Ⅲ组类型的大多数元素恢复为“1”，将少数元素恢复为“0”；将Good-Ⅳ组类型的大多数元素恢复为“0”，将少数元素恢复为“1”。
7.根据权利要求1所述的一种基于分类编码的图像压缩方法，其特征在于，从原始图像的高位平面中用“弓”形重排顺序提取比特流并划分为非重叠组，包括：
对原始图像进行二进制位平面分解；将高位平面进行分块处理，并用“弓”形重排顺序从分块中提取比特流；其中，所述“弓”形重排顺序的提取方式有2N种，其中对所述各分块的整体进行N种整体“弓”形重排顺序扫描提取，每一种“弓”形重排顺序对分块内部的比特位分别进行按行优先顺序与按列优先顺序的2种方式扫描提取。
8.根据权利要求1所述的一种基于分类编码的图像压缩方法，其特征在于，
分别计算采用2N种“弓”形重排顺序提取的2N串比特流压缩后的比特流长度，若有任意一串压缩后的比特流长度比原始的比特流长度短，则取压缩后的比特流长度最短的一串编码进行记录，否则该比特流不压缩。
9.根据权利要求1所述的一种基于分类编码的图像压缩方法，其特征在于，对原始图像的高位平面进行分类编码压缩得到含空位的高位平面后还包括：
将低位平面嵌入到所述压缩后含空位的高位平面中，腾出所述低位平面中的空间，将秘密数据嵌入到所述低位平面中；将所有位平面组合成载密图像。
10.一种实现如权利要求1-8所述的一种基于分类编码的图像压缩方法的系统，其特征在于，包括：图像分类编码压缩系统与图像分类解码解压系统；
所述图像分类编码压缩系统包括：
位平面分解分块单元，用于将原始图像进行位平面分解，并将得到的高位平面进行分块处理；
比特流提取单元，用于将所述高位平面的分块用“弓”形重排顺序提取比特流；
比特流分类单元，用于将所述提取的比特流划分为位长相同的非重叠组，并根据组中少数元素的个数与阈值的数量关系将所述非重叠组分类；
分类编码压缩单元，用于将所述分类后的非重叠组按所在类型的编码规则进行编码压缩；
计算单元，用于计算各高位平面使用2N种所述重排顺序提取并压缩后的比特流的长度，选择并记录压缩效果最优的“弓”形重排顺序；
空位图像生成单元，用于将每位高位平面生成的附加信息及压缩后的比特流构成含有空位的位平面，将所有位平面组合成空位图像；
所述图像分类解码解压系统包括：
分解提取单元，用于将接收到的经过压缩后的图像进行位平面分解并提取附加信息；
分类解码解压单元，用于根据所述提取的附加信息中非重叠组的位长和从高位平面中提取比特流所用的“弓”形重排顺序类型，将解压后的比特流重新排列以得到恢复后的高位平面；
恢复图像生成单元，用于将所述解恢复后的高位平面和低位平面组合得到原始图像。
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