CN117499664B

CN117499664B - 一种基于比特替换的图像数据嵌入和提取方法、装置

Info

Publication number: CN117499664B
Application number: CN202311850102.8A
Authority: CN
Inventors: 王强
Original assignee: Nanjing Borun Brain Intelligence Technology Co ltd
Current assignee: Nanjing Borun Brain Intelligence Technology Co ltd
Priority date: 2023-12-29
Filing date: 2023-12-29
Publication date: 2024-03-19
Anticipated expiration: 2043-12-29
Also published as: CN117499664A

Abstract

本发明公开一种基于比特替换的图像数据嵌入和提取方法、装置，属于图像处理技术领域。图像提取方法包括：获取原始视频和待嵌入的数据；对所述原始视频进行解码得到图像帧数据，并将各图像帧划分为多个宏块；对于每个宏块，按照设定的起始位置、设定的移动方向和设定的移动位数，对宏块内各颜色通道的数据进行平移操作，得到各宏块中的空比特位；将待嵌入的数据按照设定的插入规则写入各宏块中的所述空比特位；将写入待嵌入数据后的所有宏块编码为视频流。本发明利用比特替换方法，对原始画面中的比特值进行修改，使得嵌入数据在面对视频编码、解码、图像传输等过程时具有较好的鲁棒性，降低提取出的数据在经过处理后所受到的影响。

Description

一种基于比特替换的图像数据嵌入和提取方法、装置

技术领域

本发明涉及图像处理及信息保护技术领域，特别是一种基于比特替换的图像数据嵌入和提取方法、装置。

背景技术

随着大数据和互联网的快速发展，视频成为了一种重要的信息载体，得到了迅速发展，这对于数据与隐私保护、版权保护、内容检索等场景提出了更高的技术需求。图像隐藏技术可以将敏感的数据隐藏在图像、视频中，有效保护数据的安全性和隐私，这对于商业机密、个人隐私等敏感信息的保护至关重要。例如：可以将数字水印或签名等标识信息嵌入到视频中，用于标识和追踪原始内容的来源，从而有效防止盗版和非法传播，维护版权和知识产权的合法权益；可以将关键的元数据嵌入到视频中，以便更好地进行内容管理、分类和检索。但是在图像中嵌入的数据，对于视频编解码、图像传输等过程较为敏感，可能会导致隐藏的信息无法完整提取或出现错误，因此，嵌入的数据需要较高的鲁棒性。

如中国专利申请CN202310579654提供的技术方案：通过将载体图像的每个RGB值的最后三个比特值按规则排列成3×3的矩阵，将矩阵中每三个元素组成一个元素组，每个元素组内的元素之间进行异或运算，得到每个元素组对应的结果值；将所述结果值与需要被隐藏的目标信息的比特值进行比较，若所述结果值与需要被隐藏的目标信息的比特值不相同，则将所述结果值所对应的元素组的元素记为目标元素，利用矩阵的特有规律性对目标元素进行取反操作，直至所述结果值与所述目标信息的比特值全部相同，从而完成在视频中隐藏目标信息。

但是，基于RGB值进行数据隐藏，特别是只采用了最后三个比特值，因此可能会受到数据容量的限制。同时，对RGB值进行处理来比较和修改隐藏的信息，在面对较大尺寸的图像时，可能会导致提取效率较低。基于此，如何实现在图像中嵌入数据并使数据具备较高的鲁棒性具备重要的应用意义。

发明内容

本发明的目的是，提供一种基于比特替换的图像数据嵌入和提取方法、装置，利用比特替换方法，对原始画面中的比特值进行修改，使得嵌入数据在面对视频编码、解码、图像传输等过程时具有较好的鲁棒性，降低提取出的数据在经过处理后所受到的影响。本发明采用的技术方案如下。

一方面，本发明提供一种基于比特替换的图像数据嵌入方法，包括：

获取原始视频和待嵌入的数据；

对所述原始视频进行解码得到图像帧数据，并将各图像帧划分为多个宏块；

对于每个宏块，按照设定的起始位置、设定的移动方向和设定的移动位数，对宏块内各颜色通道的数据进行平移操作，得到各宏块中的空比特位；

将待嵌入的数据按照设定的插入规则写入各宏块中的所述空比特位；

将写入待嵌入数据后的所有宏块编码为视频流。

本发明上述技术方案利用比特替换实现数据的嵌入，由于仅针对解码后的图像数据进行处理，而不考虑编解码过程，因此能够赋予嵌入数据一定的抗干扰能力，从而提升嵌入后图像在编码、解码、传输过程中的鲁棒性。而且，由于方法不需要在原始画面中额外拼接图像，因此对于原始画面的修改不易被察觉，对原图像质量的影响较小。

可选的，所述将各图像帧划分为多个宏块包括：按照设定的宏块大小或宏块数量将各图像帧划分为多个宏块。也即，本发明用于插入嵌入数据的宏块的数量划分直接取决于嵌入数据总位数以及单位宏块嵌入位数，而与每帧图像的大小无直接关系，这一方面因嵌入数据在整个图像上较为分散而使得数据的嵌入不易被察觉，另一方面在面对较大尺寸的图像时，数据嵌入及提取的效率几乎不受影响。

可选的，所述设定的宏块数量的确定方法包括：

获取待嵌入数据的总比特位数；

根据所述总比特位数以及预设的各宏块嵌入位数，计算需要划分出的宏块数量，作为所述设定的宏块数量；

所述各宏块嵌入位数为1位或2位。其中各宏块嵌入位数优选为尽量小，使得嵌入数据后的图像变化相对不易被察觉。

可选的，所述设定的宏块大小的确定方法包括：根据各图像帧的大小和所述需要划分出的宏块数量，计算需要划分出的各宏块的大小，作为所述设定的宏块大小。

可选的，所述设定的起始位置为宏块内的任意比特位，所述设定的移动位数等于预设的各宏块嵌入位数；且：

若所述设定的起始位置为宏块内各通道数据的最高位，则所述设定的移动方向为从最高有效位MSB向最低有效位LSB方向移动；

若所述设定的起始位置为宏块内各通道数据的最低位，则所述设定的移动方向为从最低有效位LSB向最高有效位MSB方向移动。

可选的，所述将待嵌入的数据按照设定的插入规则写入各宏块中的所述空比特位，包括：

按照划分出的宏块序列顺序或与其相反的顺序，将待嵌入数据的各比特位数据依次嵌入各宏块的所述空比特位。这种插入方式操作简便，且提取重组时的效率也更高。不同于图像传输时的加密要求，本发明用于图像真实性、合法性校验或者图像溯源的数据嵌入方法仅要求能够嵌入相应的数据，并能够提取相应的数据，因此无需复杂的插入规则设计。

对于嵌入数据后的各宏块，为便于存储、传输或播放，利用现有的编码技术执行后续的视频流、视频文件或直播流的编码即可。

第二方面，本发明提供一种基于第一方面所述图像数据嵌入方法的图像数据提取方法，包括：

获取含嵌入数据的视频数据，对其解码得到图像帧数据；

按照设定的宏块大小对各图像帧进行划分，得到多个宏块；

对于各宏块，从所述设定的起始位置开始，朝所述设定的移动方向，选择n个比特位的数据作为待提取数据，其中，n等于所述设定的移动位数；

将各宏块中的所述待提取数据提取出来，并根据所述设定的插入规则进行组合，得到嵌入的数据，并输出。

上述图像数据提取方法基于前述的数据嵌入规则实现已嵌入数据的提取，所述设定的宏块大小为数据嵌入时对图像帧进行宏块划分时的宏块大小，数据提取操作过程同样不涉及编码、解码、传输过程，能够高效的提取数据，进而方便进行图像真实性或合法性的校验，或者图像来源的追溯。

可选的，所述图像数据提取方法还包括：将图像数据嵌入过程中执行平移操作的数据对象，反向平移所述设定的移动位数，得到恢复的宏块；对恢复的宏块进行组合得到恢复的图像帧。由于在数据嵌入时比特位的移动导致丢弃了个别位的数据，因此这一步还原出的图像是有极少损失的，因此，进一步的：

所述图像提取方法还包括：在反向平移所述设定的移动位数后，根据移动后空出的比特位的邻接比特位上的数据位值，在所述空出的比特位上补上相同的数据位值。由此可尽量减少还原后图像相对于原始图像的损失。

第三方面，本发明提供一种基于比特替换的图像数据嵌入装置，包括：

数据获取模块，被配置用于，获取原始视频和待嵌入的数据；

图像分割模块，被配置用于，对所述原始视频进行解码得到图像帧数据，并按照设定的宏块大小将各图像帧划分为多个宏块；

数据移动模块，被配置用于，对于每个宏块，按照设定的起始位置、设定的移动方向和设定的移动位数，对宏块内各颜色通道的数据进行平移操作，得到各宏块中的空比特位；

比特替换模块，被配置用于，将待嵌入的数据按照设定的插入规则写入各宏块中的所述空比特位；

视频编码模块，被配置用于，将写入待嵌入数据后的所有宏块编码为视频流。

有益效果

与现有技术相比，本发明具有以下优点和进步：

（１）利用比特替换方法，对原始画面中的比特值进行修改，数据嵌入过程不涉及编解码逻辑以及传输过程，嵌入数据一定的抗干扰能力，使得嵌入数据在面对视频编码、解码、图像传输等过程时具有较好的鲁棒性，降低提取出的数据在经过处理后所受到的影响;

（２）对原始画面进行宏块划分，并针对每个宏块中的极少比特位进行比特替换，将嵌入数据后的宏块编码为视频流，使得嵌入数据后再编码的视频画面较原始画面的变化较小，不易被察觉；

（３）数据提取方法与数据嵌入相对应进行设计，方法简单高效且准确，方便对图像进行真实性、合法性校验或者图像溯源；

（４）在提取嵌入数据后，对反向移动后的宏块数据进行空比特位的近似值填位，使得恢复后的图像更加接近原始图像，图像损失较小。

附图说明

图1所示为本发明的图像数据嵌入和提取方法流程示意图；

图2所示为一种应用例中数据嵌入过程的图像变化示意图；

图3所示为图2的应用例中数据提取过程的图像变化示意图；

图2和图3中，a1-原始视频图像，a1’-恢复后的视频图像，a2-比特移位后的视频图像；b1-待嵌入的数据，b2-编码后的待嵌入数据；c-嵌入数据后的视频图像。

实施方式

本发明的技术构思为：利用比特替换方法，对原始画面中的比特值进行修改，使得嵌入数据在面对视频编码、解码、图像传输等过程时具有较好的鲁棒性，降低提取出的数据在经过处理后所受到的影响，同时嵌入及提取过程更加高效准确，且难度明显降低。以下结合附图和具体实施例进一步描述本发明。

实施例1

参考图1和图2，本实施例介绍一种基于比特替换的图像数据嵌入方法，具体涉及以下过程。

一、获取原始视频和待嵌入的数据b1。

二、对所述原始视频进行解码得到图像帧数据a1，并将各图像帧划分为多个宏块。

这一步中，所述将各图像帧划分为多个宏块包括：按照设定的宏块大小或宏块数量将各图像帧划分为多个宏块。宏块的数量可等于嵌入数据总位数除以单位宏块嵌入位数，也可以同时综合每帧图像的大小合理设置宏块划分的数量和单位宏块嵌入位数，达到单位图像区域内数据嵌入密度较小，全局数据嵌入较均匀从而达到降低嵌入数据后的图像损失的效果。

所述设定的宏块数量的确定方法包括：获取待嵌入数据b1的总比特位数；根据所述总比特位数以及预设的各宏块嵌入位数n，计算需要划分出的宏块数量，作为所述设定的宏块数量。根据各图像帧的大小和所述需要划分出的宏块数量，可计算出需要划分出的各宏块的大小，将其作为设定的宏块大小进行宏块划分同样可行。

三、对于每个宏块，按照设定的起始位置、设定的移动方向和设定的移动位数，对宏块内各颜色通道的数据进行平移操作，得到各宏块中的空比特位。

具体的，原始视频画面可为RGB或YUK编码格式，划分出的每个宏块将包含RGB或YUV的三个通道数据。所述设定的起始位置可为宏块内的任意比特位，所述移动位数等于预设的各宏块嵌入位数；且：若所述起始位置为宏块内各通道数据的最高位，则所述移动方向为从MSB向LSB方向移动；若所述起始位置为宏块内各通道数据的最低位，则所述移动方向为从LSB向MSB方向移动。

四、将待嵌入的数据按照设定的插入规则写入各宏块中的所述空比特位。

具体的，这一步骤可实施为：按照划分出的宏块序列顺序或与其相反的顺序，将待嵌入数据的各比特位数据依次嵌入各宏块的所述空比特位。这种插入方式操作简便，且提取重组时的效率也更高。

五、将写入待嵌入数据后的所有宏块编码为视频流。

本实施例通过宏块划分、数据平移、插入数据，实现了比特替换使得待嵌入数据在原始图像中的全局均匀嵌入，数据嵌入过程仅针对解码后的图像数据进行处理，不考虑编解码过程，使得嵌入数据在编码、解码、传输过程中具备一定的抗干扰能力，且对于原始画面的修改不易被察觉，对原图像质量的影响较小。

实施例2

参考图1和图3，本实施例介绍一种基于实施例1所介绍的图像数据嵌入方法的图像数据提取方法，具体涉及以下步骤。

获取含嵌入数据的视频数据，对其解码得到图像帧数据；

按照设定的宏块大小对各图像帧进行划分，得到多个宏块；

将各宏块中的所述待提取数据提取出来，并根据所述设定的插入规则进行组合，得到嵌入的数据，并输出；

将图像数据嵌入过程中执行平移操作的数据对象，反向平移所述设定的移动位数，根据移动后空出的比特位的邻接比特位上的数据位值，在所述空出的比特位上补上相同的数据位值，得到恢复的宏块；对恢复的宏块进行组合得到恢复的图像帧。

上述图像数据提取方法基于前述的数据嵌入规则实现已嵌入数据的提取，操作过程同样不涉及编码、解码、传输过程，能够高效的提取数据，进而方便进行图像真实性或合法性的校验，或者图像来源的追溯。

实施例3

结合实施例1和实施例2，并同时参考图1至图3，本实施例介绍一种应用例中进行数据嵌入和提取的具体图像处理过程。

该应用例中，如图2，原视频数据解析出的图像帧a1为1920×1080分辨率的画面，编码格式为RGB。根据待嵌入的数据b1的总比特位，并考虑全局分布式嵌入以尽量减少对原图像的影响，设置每个宏块的R/G/B每个颜色通道嵌入的数据位数n为1位，即1bit数据，计算得到需要划分的宏块大小为8px×8px。则1个宏块的3个颜色通道可嵌入3bit数据，一帧画面可嵌入的总数据量为：（1920÷8）×（1080÷8）×1bit×3÷8=12150 Byte。

需要进行数据嵌入时，首先获取待嵌入的数据b1和需要嵌入数据的原始视频，然后对原始视频进行解码，获取其中的图像帧数据a1，再按照前述的宏块大小8px×8px，将每个图像帧划分为一系列的宏块；

对于每个宏块内的RGB或YUV的三个通道数据，将其移动1个比特位，以便为后面的数据嵌入做准备；数据移动时，为了最大化方便后续数据的提取，本实施例将宏块内各颜色通道的全部数据从MSB向LSB方向移动，把高比特位空出来，用于数据的嵌入，图2示出了各宏块进行比特移位后的图像a2；

将编码后的待嵌入数据b2的每个数据位依次写入各宏块各颜色通道空出的比特位中，每个宏块的3个颜色通道共嵌入3bit数据，图2示出了各宏块嵌入数据后的图像c；

将嵌入数据后的宏块编码成视频流形式，或者对视频流进行进一步处理，编码生成视频文件或直播流，以便于存储、传输或播放。

需要说明的是，图2中的每幅图像为对彩色图片进行灰度化处理后的显示结果，实际处理过程中各环节的图像差别极小，人眼较难察觉，也即本发明图像数据嵌入过程导致的图像变化和损失均较小。

需要对以上嵌入的数据进行提取时，首先提取相应的视频流、直播流数据或者视频文件，然后对提取的数据或文件进行解码，将解码后的视频流分割成一系列连续的图像帧，对图像帧进行分割，得到一系列大小为8px×8px的宏块，从每个宏块的RGB三个通道分别提取最高比特位的数据，然后按嵌入时的顺序拼接获得嵌入的原始数据，再进行相应的解码或其它处理，可输出数据。

对于提取数据后的剩余比特位数据，整体将图像数据从LSB向MSB方向移动1个比特，再向移动产生的空白比特位即最低比特位中填入0或1，此处填入的数据位值根据与最低比特位相邻的次低比特位的数据位值进行填写，两者相同，由此可降低恢复后图像的损失。至此可得到恢复后的宏块数据和恢复的图像，进而重新编码可得到视频流或视频文件。

同样需要说明的是，图3中的每幅图像亦为对彩色图片进行灰度化处理后的显示结果，实际图像数据提取后的恢复的图像a1’与图2中的原始视频图像a1相差极小，人眼很难区分两者，也即本发明的图像数据嵌入过程与提取过程相结合，实现数据生成时或数据传播前的数据嵌入，以及数据传播后的嵌入数据提取，能够高效准确地获得图像中的隐藏信息，从而实现对视频数据真实性、合法性校验或者图像溯源，且数据嵌入和提取过程所导致的图像变化和损失均较小。

实施例4

本实施例介绍一种基于比特替换的图像数据嵌入装置，其包括：

数据移动模块，被配置用于，对于每个宏块，按照设定的起始位置、移动方向和移动位数，对宏块内各颜色通道的数据进行平移操作，得到各宏块中的空比特位；

视频编码模块，被配置用于，将写入待嵌入数据后的所有宏块编码为视频流，或者可编码生成视频文件或直播流。

同理的，对应实施例1中所述基于比特替换的图像数据提取方法的图像数据提取装置包括：

视频数据获取模块，被配置用于，获取含嵌入数据的视频数据，对其解码得到图像帧数据；

宏块划分模块，被配置用于，按照所述设定的宏块大小对各图像帧进行划分，得到多个宏块；

嵌入数据定位模块，被配置用于，对于各宏块，从所述设定的起始位置开始，朝所述设定的移动方向，选择n个比特位的数据作为待提取数据，其中，n等于所述设定的移动位数；

数据提取组合模块，被配置用于，将各宏块中的所述待提取数据提取出来，并根据所述设定的插入规则进行组合，得到嵌入的数据，并输出；

图像恢复模块，被配置用于，将图像数据嵌入过程中执行平移操作的数据对象，反向平移所述设定的移动位数，根据移动后空出的比特位的邻接比特位上的数据位值，在所述空出的比特位上补上相同的数据位值，得到恢复的宏块；对恢复的宏块进行组合得到恢复的图像帧。

上述各功能模块的具体功能实现参考实施例1和2的方法相关内容，不予赘述。

实施例5

本实施例介绍一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，实现如实施例1-3中任一所介绍的基于比特替换的图像数据嵌入方法、提取方法或它们的组合。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims

1.一种基于比特替换的图像数据嵌入及提取方法，其特征是，

所述图像数据嵌入方法包括：

获取原始视频和待嵌入的数据；

对所述原始视频进行解码得到图像帧数据，并按照设定的宏块大小或宏块数量将各图像帧划分为多个宏块；所述设定的宏块数量的确定方法包括：获取待嵌入数据的总比特位数，根据所述总比特位数以及预设的各宏块嵌入位数，计算需要划分出的宏块数量，作为所述设定的宏块数量；

对于每个宏块，按照设定的起始位置、设定的移动方向和设定的移动位数，对宏块内各颜色通道的数据进行平移操作，得到各宏块中的空比特位；其中，所述设定的起始位置为宏块内的任意比特位，所述设定的移动位数等于预设的各宏块嵌入位数；

将待嵌入的数据按照设定的插入规则写入各宏块中的所述空比特位，包括：按照划分出的宏块序列顺序或与其相反的顺序，将待嵌入数据的各比特位数据依次嵌入各宏块的所述空比特位；

将写入待嵌入数据后的所有宏块编码为视频流；

图像数据提取方法包括：

获取含嵌入数据的视频数据，对其解码得到图像帧数据；

按照设定的宏块大小对各图像帧进行划分，得到多个宏块；

将图像数据嵌入过程中执行平移操作的数据对象，反向平移所述设定的移动位数，并根据移动后空出的比特位的邻接比特位上的数据位值，在所述空出的比特位上补上相同的数据位值，得到恢复的宏块；对恢复的宏块进行组合得到恢复的图像帧。

2.根据权利要求1所述的基于比特替换的图像数据嵌入及提取方法，其特征是，所述设定的宏块大小的确定方法包括：根据各图像帧的大小和所述需要划分出的宏块数量，计算需要划分出的各宏块的大小，作为所述设定的宏块大小。

3.根据权利要求1所述的基于比特替换的图像数据嵌入及提取方法，其特征是，

4.一种采用权利要求1-3任一项所述基于比特替换的图像数据嵌入及提取方法的装置，其特征是，包括基于比特替换的图像数据嵌入装置和基于比特替换的图像数据提取装置，其中：

所述基于比特替换的图像数据嵌入装置包括：

视频编码模块，被配置用于，将写入待嵌入数据后的所有宏块编码为视频流；

所述基于比特替换的图像数据提取装置包括：

5.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1-3任一项所述的基于比特替换的图像数据嵌入和提取方法。