CN112422916A - 一种基于显示画面为载体的数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于显示画面为载体的数据传输方法，具体步骤为：S01将监控视频中图像祯进行傅里叶数学变换，获得图像频域数据；S02将要传输的数据信息，转换为文本或数值数据，再进行二进制编码；S03将编码数据，采用嵌入信息位方式，嵌入频域数据中；S04将S03数据，还原到空域数据成为图像祯，传出视频；S05数据接收端接收S04视频数据，对图像祯进行傅里叶变换，获得频域数据；S06在频域数据，以嵌入信息位逆运算方式，提取二进制编码数据；S07将S06数据，还原成文本或数值。本发明的方法绕开监控网络，避开网络传输的思路，开创性地首次使用监控画面作为数据传输的载体，能够实现以图像为基础的数据传输。

Description

一种基于显示画面为载体的数据传输方法

技术领域

本发明属于图像的数据处理领域，特别涉及一种基于显示画面为载体的数据传输方法。

背景技术

目前电力生产环境中，对安全性要求非常高，网络中有大量的物理隔离装置，阻断TCP等基本协议的网络通讯，因此数据的传输的便捷性受到了极大的约束。而在监控分析和诊断等辅助功能中，经常需要接入实时的生产数据，传统做法是需要加装昂贵的物理网络隔离装置，还需要长周期的多级审批，在实际操作中存在的困难往往更多。

鉴于电力生产环境中网络安全性的重要性，而生产环境中又存在大量用于监控的显示器，为了能够便捷有效的传输实时数据，需要一种合适的数据传输方式来安全远程解决现存问题。

发明内容

为了解决上述对实时视频进行数据处理时，没有合理的系统及方法，造成不能形成监控闭环的技术难题，本发明绕开监控网络，避开网络传输监控数据的思路，开创性地首次使用监控画面作为数据传输的载体，能够实现以图像为基础的数据传输方式，具体提供了一种基于显示画面为载体的数据传输方法：

S01，在监控画面传输到显示端之前，从画面源头或在传输过程中，将监控视频中的各图像祯进行傅里叶数学变换，获得图像的频域数据；

S02，将生产中要传输的数据信息，先转换为文本或数值数据，再将其按文本或数值对应的二进制进行编码，获得编码后数据；

S03，将步骤S02的编码数据，采用嵌入信息位的方式，嵌入到步骤S01的频域数据中；

S04，将步骤S03的嵌入后的数据，进行傅里叶相关的逆变换算法，还原到空域数据，成为能够正常显示的图像祯，以视频方式传出；

S05，数据接收端接收S04的视频数据，对视频中的图像祯进行傅里叶数学变换，获得图像的频域数据；

S06，在步骤S05的频域数据中，以嵌入信息位逆运算的方式，提取二进制编码数据；S07，将步骤S06提取出的二进制编码数据，还原成对应的文本或数值。

作为改进，步骤S01中，将各图像祯信号进行傅里叶数学变换，完成由空域信号到频域信号的转换处理；此处的数学变换包括基于傅里叶的多种变形，变形包括但不限于以下任一种：离散傅里叶变换、仅含余弦的傅里叶-离散余弦变换、仅含正弦的傅里叶-离散正弦变换。

作为改进，数学变化采用的方法如下：将图像分割为互不重叠的8x8的小块，对每一块进行离散余弦变换DCT，具体变换公式为

其中M、N是图像以像素为单位的长和宽，x,y是图像像素在空域对应的对标，u，v是图像频率数据在频域的坐标。

C(u)C(v)是正交系数，使得DCT变化矩阵成为正交矩阵，其中C(u)定义如下：

作为改进，步骤S03中，嵌入信息位的方式采用如下任一种方式：通用的空域信息隐藏LSB算法，即将编码数据直接写入图像的每一个像素的最低位或次低位；或，采用在像素的不同信息位上做系数调整的方式。

作为改进，采用在像素的不同信息位上做系数调整的方式，具体如下：

设x_i为原图像的频域系数，即频域中第i个频率分量的系数；w_i为待嵌入信息的第i个二进制编码位，值域为{0，1}；s_i表示在频域嵌入第i个二进制信息位后的对应频率分量的系数；Δ表示最小量化间隔；则基于嵌入信息的频域系数的量化方式为：

根据上式在不同的信息位上做不同的系数调整。

作为改进，步骤S04中，嵌入后的数据，进行傅里叶相关的逆变换算法，还原到空域数据，成为能够正常显示的图像祯。

作为改进，其中进行离散余弦变换的处理时，逆变换公式如下：

其中M、N是图像以像素为单位的长和宽，x,y是图像像素在空域对应的对标，u，v是图像频率数据在频域的坐标。

C(u)C(v)是正交系数，使得DCT变化矩阵成为正交矩阵，其中C(u)定义如下：

作为改进，步骤S06中，以嵌入信息位逆运算的方式，提取二进制编码数据。

作为改进，其中逆运算的具体公式如下：

(s_i-Δ)/Δ＝int(x_i/Δ)

其中x_i为原图像的频域系数，即频域中第i个频率分量的系数；w_i为所嵌入信息的第i个二进制编码位，值域为{0，1}；s_i表示在频域嵌入第i个二进制信息位后的对应频率分量的系数；Δ为最小量化间隔；int表示取整运算。

将各二进制编码位拼接，即可还原出发送端嵌入的数据信息。

有益效果：本发明提供的一种基于显示画面为载体的数据传输方法，绕开监控网络，避开网络传输的思路，开创性地首次使用监控画面作为数据传输的载体，能够实现以图像为基础的数据传输方式。

首次在工业监控领域，采用图像的空域和频域转换技术，通过编码嵌入和解码提取的过程，完成基于监控图像的数据传输，提升了数据传输的便捷性与安全性。

与此同时，既可有效提升数据传输的能力，又避免了常规操作中安装物理网络隔离装置及长周期的多级审批工作，为辅助系统接入及系统升级改造提供了一条低成本的路径。

另外，无需远程现场，即可在云端查看现场监控画面来指挥现场解决问题，且通过视频通道最大程度地保证系统安全。

附图说明

图1为本发明基于显示画面为载体的数据传输方法发送端原理图。

图2为本发明基于显示画面为载体的数据传输方法接收端原理图。

具体实施方式

下面对本发明附图结合实施例作出进一步说明。

鉴于电力生产环境中网络安全性的重要性，而生产环境中又存在大量用于监控的显示器，为了能够便捷有效的传输实时数据，本发明避开网络传输的思路，另辟蹊径使用监控画面作为数据传输的载体，找到一种基于图像显示画面为载体的数据传输方法。

生产监控画面通常以静态背景图与动态数值的显示方式为主，对画质要求不高，在肉眼可分辨的画质降低程度内，将要传输数据以二进制编码方式嵌入到输出图像的频域信号当中，既能保持原有监控显示画面的正常使用，又能将要传输的数据以视频信号的方式进行传输，并为接收端提供解码提取方法，实现数据的还原。

监控画面是由像素组成，通常都具备一定的容噪性，将数据嵌入到图像中可采用空域和频域两种方式进行。

空域是指空间域，监控画面就是空域，画面中像素数据的最低有效位对人眼的视觉影响很小，使用通用的空域信息隐藏LSB算法，将要传输的数据信息编码后直接写入图像的每一个像素的最低位或次低位，达到在肉眼察觉不到的情况下，对数据进行传输的目的。接收端接到画面，将图像中各个像素的低位信息提取，再进行还原即可得到数据信息。

频域是指频率域，图像灰度变化强烈的情况，可以视为图像的频率。频域嵌入数据信息的方法，是将图像信息通过基于傅里叶的离散数据处理方法，将图像变换到频域，在频域对图像添加要传输的数据，再通过逆变换，将图像转换为空间域，进行画面显示。

本发明具体的提供了一种基于显示画面为载体的数据传输方法：

S01，在监控画面传输到显示端之前，从画面源头或在传输过程中，将监控视频中的各图像祯进行傅里叶等数学变换，获得图像的频域数据；

S02，将生产中要传输的数据信息，先转换为文本或数值数据，再将其按文本或数值对应的二进制进行编码，获得编码后数据；

S03，将步骤S02的编码数据，采用嵌入信息位的方式，嵌入到步骤S01的频域数据中；

S04，将步骤S03的嵌入后的数据，进行傅里叶相关的逆变换算法，还原到空域数据，成为能够正常显示的图像祯，以视频方式传出；

S05，数据接收端接收S04的视频数据，对视频中的图像祯进行傅里叶等数学变换，获得图像的频域数据；

S06，在步骤S05的频域数据中，以嵌入信息位逆运算的方式，提取二进制编码数据；

S07，将步骤S06提取出的二进制编码数据，还原成对应的文本或数值。

其中，步骤S01中，将各图像祯信号进行傅里叶等数学变换，完成由空域信号到频域信号的转换处理。此处的数学变换包括基于傅里叶的各种变形，如离散傅里叶变换、离散余弦变换(仅含余弦的傅里叶)、离散正弦变换等(仅含正弦的傅里叶)。推荐的方法如下：

将图像分割为互不重叠的8x8的小块，对每一块进行离散余弦变换(DCT)：

其中M、N是图像以像素为单位的长和宽，x,y是图像像素在空域对应的对标，u，v是图像频率数据在频域的坐标。

C(u)C(v)是正交系数，使得DCT变化矩阵成为正交矩阵，其中C(u)定义如下，C(v)类似：

其中，步骤S03中，嵌入信息位的方式可采用多种类似方式：如通用的空域信息隐藏LSB算法，即将编码数据直接写入图像的每一个像素的最低位或次低位；也可以采用在像素的不同信息位上做系数调整的方式，此方式更为推荐，具体如下：

设x_i为原图像的频域系数，即频域中第i个频率分量的系数。w_i为待嵌入信息的第i个二进制编码位，值域为{0，1}。s_i表示在频域嵌入第i个二进制信息位后的对应频率分量的系数。Δ表示最小量化间隔。则基于嵌入信息的频域系数的量化方式为：

根据上式在不同的信息位上做不同的系数调整。

其中，步骤S04中，嵌入后的数据，进行傅里叶相关的逆变换算法，还原到空域数据，成为能够正常显示的图像祯。以上述离散余弦变换的处理为例，逆变换公式如下：

其余数学变换的逆运算类似。

其中，步骤S06中，以嵌入信息位逆运算的方式，提取二进制编码数据。以上述推荐的在信息位上做系数调整的方法为例，其逆运算如下：

(s_i-Δ)/Δ＝int(x_i/Δ)

其中x_i为原图像的频域系数，即频域中第i个频率分量的系数。w_i为所嵌入信息的第i个二进制编码位，值域为{0，1}。s_i表示在频域嵌入第i个二进制信息位后的对应频率分量的系数。Δ为最小量化间隔。int表示取整运算。

将各二进制编码位拼接，即可还原出发送端嵌入的数据信息。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种基于显示画面为载体的数据传输方法，其特征在于：

S01，在监控画面传输到显示端之前，从画面源头或在传输过程中，将监控视频中的各图像祯进行傅里叶数学变换，获得图像的频域数据；

S02，将生产中要传输的数据信息，先转换为文本或数值数据，再将其按文本或数值对应的二进制进行编码，获得编码后数据；

S03，将步骤S02的编码数据，采用嵌入信息位的方式，嵌入到步骤S01的频域数据中；

S04，将步骤S03的嵌入后的数据，进行傅里叶相关的逆变换算法，还原到空域数据，成为能够正常显示的图像祯，以视频方式传出；

S05，数据接收端接收S04的视频数据，对视频中的图像祯进行傅里叶数学变换，获得图像的频域数据；

S06，在步骤S05的频域数据中，以嵌入信息位逆运算的方式，提取二进制编码数据；

S07，将步骤S06提取出的二进制编码数据，还原成对应的文本或数值。

2.根据权利要求1所述的基于显示画面为载体的数据传输方法，其特征在于：步骤S01中，将各图像祯信号进行傅里叶数学变换，完成由空域信号到频域信号的转换处理；此处的数学变换包括基于傅里叶的多种变形，变形包括但不限于以下任一种：离散傅里叶变换、仅含余弦的傅里叶-离散余弦变换、仅含正弦的傅里叶-离散正弦变换。

3.根据权利要求2所述的基于显示画面为载体的数据传输方法，其特征在于：数学变化采用的方法如下：将图像分割为互不重叠的8x8的小块，对每一块进行离散余弦变换DCT，具体变换公式为

其中M、N是图像以像素为单位的长和宽，x，y是图像像素在空域对应的对标，u，v是图像频率数据在频域的坐标；

C(u)C(v)是正交系数，使得DCT变化矩阵成为正交矩阵，其中C(u)定义如下：

4.根据权利要求1所述的基于显示画面为载体的数据传输方法，其特征在于：步骤S03中，嵌入信息位的方式采用如下任一种方式：通用的空域信息隐藏LSB算法，即将编码数据直接写入图像的每一个像素的最低位或次低位；或，采用在像素的不同信息位上做系数调整的方式。

5.根据权利要求4所述的基于显示画面为载体的数据传输方法，其特征在于：采用在像素的不同信息位上做系数调整的方式，具体如下：

设x_i为原图像的频域系数，即频域中第i个频率分量的系数；w_i为待嵌入信息的第i个二进制编码位，值域为{0，1}；s_i表示在频域嵌入第i个二进制信息位后的对应频率分量的系数；Δ表示最小量化间隔；则基于嵌入信息的频域系数的量化方式为：

根据上式在不同的信息位上做不同的系数调整。

6.根据权利要求1所述的基于显示画面为载体的数据传输方法，其特征在于：步骤S04中，嵌入后的数据，进行傅里叶相关的逆变换算法，还原到空域数据，成为能够正常显示的图像祯。

7.根据权利要求6所述的基于显示画面为载体的数据传输方法，其特征在于：其中，进行离散余弦变换的处理时，逆变换公式如下：

其中M、N是图像以像素为单位的长和宽，x，y是图像像素在空域对应的对标，u，v是图像频率数据在频域的坐标；

C(u)C(v)是正交系数，使得DCT变化矩阵成为正交矩阵，其中C(u)定义如下：

8.根据权利要求1所述的基于显示画面为载体的数据传输方法，其特征在于：步骤S06中，以嵌入信息位逆运算的方式，提取二进制编码数据。

9.根据权利要求8所述的基于显示画面为载体的数据传输方法，其特征在于：其中逆运算的具体公式如下：

(s_i-Δ)/Δ＝int(x_i/Δ)

其中x_i为原图像的频域系数，即频域中第i个频率分量的系数；w_i为所嵌入信息的第i个二进制编码位，值域为{0，1}；s_i表示在频域嵌入第i个二进制信息位后的对应频率分量的系数；Δ为最小量化间隔；int表示取整运算；

将各二进制编码位拼接，即可还原出发送端嵌入的数据信息。

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