CN117499665B - 一种基于灰度值量化的图像数据嵌入和提取方法、装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于灰度值量化的图像数据嵌入和提取方法、装置，将需要嵌入的数据按照宏块大小和灰度值量化级数的不同进行编码，生成一条RGB或YUV位图色带，将编码生成的位图色带拼接到原始图像中，实现数据嵌入；在提取数据时首先对图像进行处理，得到拼接在图像中的位图色带，按宏块大小和灰度值量化级数对位图进行数据提取。本方法针对解码之后的图像进行处理，使得嵌入的数据对于视频编码、解码、图像传输等过程具备一定的抗干扰能力，从而显著提高嵌入数据的鲁棒性。同时，嵌入位图不易被察觉，不影响原始画质。
Description
技术领域
本发明涉及图像信息隐藏技术领域，特别涉及一种基于灰度值量化的图像数据嵌入和提取方法、装置。
背景技术
近年来，随着互联网技术和视频编码与通信技术的发展，大量的视频在网络上得到了广泛传播，人们可以更加方便地观看、发布、下载视频文件。视频作为信息传播的媒介已广泛应用于娱乐、通信、监控等领域。同时，视频的飞速发展对于信息安全也提出了新的挑战。图像信息隐藏技术是指将目标信息嵌入到载体图像中，使得隐藏的信息在视觉上不易察觉，这种技术可以通过对视频帧进行修改或者通过视频压缩编码过程中的技术手段来实现。一种常见的应用是数字水印技术，数字水印是一种在视频中嵌入特定信息的技术，该信息可以用于身份认证、版权保护和内容追溯等方面，通过将数字水印嵌入到视频帧的像素值中，可以隐藏信息并在视频播放时提取出来。
如中国专利视频水印处理方法、装置、电子设备及存储介质（申请号CN2023113207199）所述：对待添加水印信息的原始视频的每一视频帧迭代进行多次四叉树划分，得到多个区域块；并对每一区域块进行区域能量计算，得到每一区域块的能量值；按照每一区域块的能量值，从多个区域块中筛选出特定数量的目标区域块；针对每一视频帧，依次将水印信息对应的比特流中的每一比特信息嵌入至视频帧中的目标区域块中，从而完成在视频中添加水印。
然而，基于四叉树划分的方式进行区域分割在面对大尺寸和高分辨率的视频帧时需要更多的计算资源和时间，不适合对实时性要求较高的场景。在需要嵌入较大容量信息的场景下，四叉树划分可能会限制水印的容量，从而影响水印嵌入的效果。基于此，如何更加便利地在图像中嵌入数据并提高面对视频编码、解码、图像传输时的抗干扰能力，对于扩大图像嵌入信息的应用范围具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于灰度值量化的图像数据嵌入和提取方法、装置，可以更加便利地在图像中嵌入数据，并且有效提高嵌入容量。
为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
第一方面，本发明提供了一种基于灰度值量化的图像数据嵌入和提取方法，包括以下步骤：
获取待处理的位图图像；
将需嵌入的数据按照宏块大小和灰度值量化级数进行编码，生成位图色带；
将所述待处理的位图图像与所述位图色带拼接，得到嵌入数据的图像。
进一步的，将需嵌入的数据按照宏块大小和灰度值量化级数进行编码，生成位图色带，包括：
确定位图色带的宏块大小和灰度值量化级数；
根据灰度值量化级数确定单位宏块嵌入量，所述单位宏块嵌入量为每个宏块嵌入的二进制数据的数据位量：
单位宏块嵌入量=灰度值量化级数对应的二进制位数*图像通道数；
将需嵌入的数据转化为二进制数据，并将所述二进制数据以单位宏块嵌入量为长度单位进行分割，得到分割后的单位数据；
将各分割后的单位数据依序分割为对应图像通道数量的多组数据，根据灰度值量化级数将对应图像通道数量的多组数据转换为对应图像通道的灰度值，生成各分割后的单位数据对应的色带宏块；
将所述色带宏块依次连接，得到位图色带。
进一步的，确定位图色带的宏块大小和灰度值量化级数，包括：
所述位图色带的宏块大小为8×8， 所述灰度值量化级数为16级。
进一步的，所述待处理的位图图像和位图色带均为RGB或YUV格式。
进一步的，将所述待处理的位图图像与所述位图色带拼接，得到嵌入数据的图像，包括：
将所述位图色带拼接在待处理的位图图像的边缘；
所述待处理的位图图像的边缘包括待处理的位图图像的左侧或右侧或上侧或下侧。
进一步的，将所述待处理的位图图像与所述位图色带拼接，得到嵌入数据的图像，还包括：
根据所述待处理的位图图像的尺寸和宏块大小计算单条设置在所述位图色带的边缘的位图色带的最大数据承载量；
当需嵌入的数据的数据容量大于单条设置在所述位图色带的边缘的位图色带的最大数据承载量时，在所述待处理的位图图像的边缘设置多条位图色带以达到需嵌入的数据的数据容量，或者根据需嵌入的数据的容量调整位图色带尺寸。
进一步的，根据需嵌入的数据的容量调整位图色带尺寸，包括：
调整宏块大小或者灰度值量化级数，重新生成位图色带。
进一步的，获取待处理的位图图像，包括：
对原始视频进行解码，将视频分割成多张位图图像帧；
将所述位图图像帧作为待处理的位图图像。
进一步的，所述方法还包括：
针对每一视频帧，依次将编码生成的位图色带拼接到原始视频的位图图像中相应的位置，得到数据嵌入后的视频帧；
对嵌入数据后的视频帧进行重新视频编码，将连续的视频帧转换成视频流，以便进一步处理和传输；
对嵌入数据后的视频流进行最终的编码处理，生成标准的视频文件格式或者直播流格式，完成数据嵌入过程。
进一步的，所述方法还包括：
提取嵌入数据的图像中的位图色带，得到拼接在图像中的位图色带；
根据宏块大小和灰度值量化级数对所述位图色带进行数据提取，得到嵌入的数据。
进一步的，根据宏块大小和灰度值量化级数对所述位图色带进行数据提取，得到嵌入的数据，包括：
确定位图色带的宏块大小和灰度值量化级数；
将所述位图色带按照宏块大小为单位按顺序分割为多个色带宏块；
提取所述色带宏块不同通道的灰度图，获取所述色带宏块不同通道的灰度图的灰度值，并根据灰度值量化级数将灰度值转化为二进制数据，得到所述色带宏块的对应通道数量的多组数据；
将各色带宏块的对应通道数量的多组数据按序进行拼接，得到嵌入的原始数据。
进一步的，提取嵌入数据的图像中的位图色带，得到拼接在图像中的位图色带，包括：
对视频文件或直播流进行解码，得到拼接在视频位图画面中的位图色带；
在提取嵌入的数据后，在视频帧中将嵌入的位图色带移除后再展示视频画面。
第二方面，本发明提供一种基于灰度值量化的图像数据嵌入和提取装置，包括：
输入模块：用于获取待处理的位图图像；
色带生成模块：用于将需嵌入的数据按照宏块大小和灰度值量化级数进行编码，生成位图色带；
拼接模块：用于将所述待处理的位图图像与所述位图色带拼接，得到嵌入数据的图像。
第三方面，本发明提供一种基于灰度值量化的图像数据嵌入和提取装置，包括处理器及存储介质；
所述存储介质用于存储指令；
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据第一方面所述方法的步骤。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
1、本发明将需嵌入的数据按照宏块大小和灰度值量化级数的不同进行编码，转化为位图色带，通过位图色带进行嵌入，可以更加便利地在图像中嵌入数据，并且有效提高嵌入容量。
2、本发明的数据的嵌入与提取均是在位图层面基于宏块完成，从而使嵌入的数据具备很强的抗干扰能力，对图像编解码、编码后的视频流传输过程有较高的鲁棒性。同时，嵌入的数据自带校验功能。传输数据准确，校验速度快。
3、本发明通过位图色带嵌入的方式，播放端在提取嵌入的数据后，将嵌入的位图色带移除后再展示视频画面，可以避免对原始图像画质的影响。
4、本发明可以根据需要嵌入的数据长度调整位图色带尺寸，提升数据嵌入的效率和容量。
附图说明
图1为位图图像与位图色带的拼接方法流程示意图；
图2为由数据生成RGB位图色带流程示意图；
图3为从视频位图画面中提取位图色带流程示意图；
图4为从宏块中读取数据流程示意图；
图5为在视频中嵌入数据的流程示意图；
图6为从视频中提取数据的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例一：
本实施例提供一种基于灰度值量化的在图像中嵌入数据和提取数据的方法，具体包括以下步骤：
步骤1：从原始视频文件获得待处理的位图图像。
对原始视频进行解码，将视频分割成一系列的位图图像帧，位图图像帧支持RGB格式和YUV格式；将位图图像帧作为待处理图像。
步骤2：将需要嵌入的数据按照宏块大小和灰度值量化级数的不同进行编码，生成位图色带。
本实施例中，待处理的位图图像和位图色带均支持RGB或YUV格式。
具体的位图色带生成方法如图2所示：
将需要嵌入的数据根据宏块大小和灰度值量化级数的不同进行编码，生成灰度图色带，嵌入到RGB或YUV的三个通道中，数据存储在色带中：
确定位图色带的宏块大小和灰度值量化级数；灰度值量化级数是指图像中灰度值可取的不同级别数量。
根据灰度值量化级数确定单位宏块嵌入量，所述单位宏块嵌入量为每个宏块嵌入的二进制数据的数据位量：
单位宏块嵌入量=灰度值量化级数对应的二进制位数*图像通道数；
将需嵌入的数据转化为二进制数据，并将所述二进制数据以单位宏块嵌入量为长度单位进行分割，得到分割后的单位数据；
将各分割后的单位数据依序分割为对应通道数量的多组数据，根据灰度值量化级数将对应通道数量的多组数据转换为不同通道的灰度值生成对应的色带宏块；
将所述色带宏块依次连接，得到位图色带。
例：宏块的大小设定为8×8， 灰度值量化级数为16级时，每个宏块的灰度图可以编码4bit数据，3个通道可以编码12bit数据。在对分辨率为1920×1080的视频画面进行数据嵌入时，在画面的上方或下方嵌入1920×8的位图色带，可以嵌入的数据量为（1920÷8）×4×3÷8=360字节；在画面的左侧或右侧嵌入1080×8的位图色带，可以嵌入的数据量为（1080÷8）×4×3÷8=202.5字节。
步骤3：将步骤1得到的位图图像与步骤2得到的位图色带拼接，实现数据嵌入，拼接方法如图1所示。
如图1所示，将所述位图色带拼接在待处理的位图图像的边缘；边缘包括待处理的位图图像的左侧或右侧或上侧或下侧。
具体嵌入的方法还包括：
根据所述待处理的位图图像的尺寸和宏块大小计算单条设置在所述位图色带的边缘的位图色带的最大数据承载量；
当需嵌入的数据的数据容量大于单条设置在所述位图色带的边缘的位图色带的最大数据承载量时，在所述待处理的位图图像的边缘设置多条位图色带以达到需嵌入的数据的数据容量，或者根据需嵌入的数据的容量调整位图色带尺寸。
如果需要嵌入的数据的容量距离不符要求，也可以通过调整宏块大小或者灰度值量化级数，重新生成位图色带。
另外，本实施例中的宏块大小以及灰度值量化级数的选择与编码器抗干扰能力有关，如果编码器抗干扰能力差，可以适度增大宏块大小或者降低灰度值量化级数。
步骤4：针对每一视频帧，依次将编码生成的位图色带拼接到原始视频位图图像中相应的位置，得到数据嵌入后的视频帧。
步骤5：对嵌入数据后的视频帧进行重新视频编码，将连续的视频帧转换成视频流，以便进一步处理和传输。
步骤6：对嵌入数据后的视频流进行最终的编码处理，生成标准的视频文件格式或者直播流格式，完成数据嵌入过程。
步骤7：在提取数据时首先对图像进行处理，得到拼接在图像中的位图色带。
如图3所示，提取视频中嵌入的数据：在接收端，对视频文件或直播流进行解码，得到拼接在视频位图画面中的位图色带；
在提取嵌入的数据后，在视频帧中将嵌入的位图色带移除后再展示视频画面。
步骤8：按宏块大小和灰度值量化级数对所述位图色带进行数据提取，得到嵌入的数据。
具体读取方法如图4所示：
确定位图色带的宏块大小和灰度值量化级数；
将所述位图色带按照宏块大小为单位按顺序分割为多个色带宏块；
提取所述色带宏块不同通道的灰度图，获取所述色带宏块不同通道的灰度图的灰度值，并根据灰度值量化级数将灰度值转化为二进制数据，得到所述色带宏块的对应通道数量的多组数据；
将各色带宏块的对应通道数量的多组数据按序进行拼接，得到嵌入的原始数据。
本实施例中，通过对图像的处理，实现在图像、视频文件或直播流中嵌入数据和提取数据，使得嵌入的数据对视频编码、解码、图像传输等过程具备一定的抗干扰能力，提升嵌入数据的鲁棒性，减少对提取出的数据造成的影响。
输入数据根据宏块大小和灰度值量化级数的不同进行编码，生成一系列RGB或YUV位图色带，RGB和YUV有三个通道的灰度值，数据存储在色带中。不同的宏块大小和灰度值量化级数的多少将直接影响可以嵌入的数据量；灰度值量化是指将图像或视频中的灰度级别进行离散化处理的过程。通过灰度值量化，可以减少图像中的灰度级别，从而降低图像的细节和颜色深度。常见的灰度值量化方法包括均匀量化和非均匀量化。量化的结果是将原始图像的灰度级别映射到离散的数值上，例如将256级灰度映射为4级灰度，即每个像素的灰度值只能是0、1、2或3。
以1920×1080分辨率的画面，RGB编码格式为例，宏块大小选择8px×8px，灰度值量化级数选择16级，每个宏块每个通道可以写入4bit数据。一条1920px宽，8px高的画面包含240个宏块，则可写入240×4=960bit=120Byte，R、G、B三个通道则可以写入120×3=360Byte数据。
针对每一视频帧，依次将编码生成的位图色带拼接到原始视频画面中相应的位置，得到数据嵌入后的视频帧；对嵌入数据的视频帧进行重新编码，将连续的视频帧转换成视频流，以便进一步处理和传输；对嵌入数据后的视频流进行最终的编码处理，生成标准的视频文件格式或者直播流格式，完成数据嵌入过程；提取视频中嵌入的数据：在接收端，对视频文件或直播流进行解码，得到拼接在视频画面中的位图色带；根据数据嵌入时使用的宏块大小和灰度值量化级数，对位图进行数据提取，以获取隐藏在其中的信息；最终得到嵌入的数据，并进行相应的解码或处理，使其恢复成最初的格式。
本实施例的方法将输入数据按照宏块大小和灰度值量化级数的不同进行编码，将编码后的位图嵌入到图像中，从而实现数据嵌入。只针对解码之后的图像进行处理，不考虑编解码过程，如此能够降低对提取出的数据的影响，从而使嵌入的数据具备一定的抗干扰能力，使得对编解码、图像传输过程有较高的鲁棒性。同时，嵌入的数据自带校验功能。另外，通过位图色带嵌入的方式，可以避免对原始图像画质的影响，不仅可以根据数据长度调整位图尺寸，还能提升数据嵌入的效率和容量。
本方法的应用场景包括以下方面：
图像防伪：通过在图像或视频中嵌入安全信息，以确保产品的真实性和合法性，不仅有利于企业保护自身利益，也有利于消费者权益的保护；
版权保护：通过在作品中嵌入信息，确保创作者在知识产权上的权益得到尊重和保护，防止盗版和侵权行为，维护正常市场秩序；
信息隐藏：在数字媒体中嵌入不可见的校验码或数字签名，可以追踪和证明其来源，使得内容的完整性和真实性得到验证，防止篡改和伪造。
本方法针对解码之后的图像进行处理，使得嵌入的数据对于视频编码、解码、图像传输等过程具备一定的抗干扰能力，从而显著提高嵌入数据的鲁棒性。同时，嵌入位图不易被察觉，不影响原始画质。
实施例二：
本实施例提供一种基于灰度值量化的图像数据嵌入和提取装置，包括：
输入模块：用于获取待处理的位图图像；
色带生成模块：用于将需嵌入的数据按照宏块大小和灰度值量化级数进行编码，生成位图色带；
拼接模块：用于将所述待处理的位图图像与所述位图色带拼接，得到嵌入数据的图像。
本实施例的装置可用于实现实施例一所述的方法。
实施例三：
本实施例提供一种基于灰度值量化的图像数据嵌入和提取装置，包括处理器及存储介质；
所述存储介质用于存储指令；
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据实施例一所述方法的步骤。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请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，本申请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。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、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。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于灰度值量化的图像数据嵌入和提取方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取待处理的位图图像；
将需嵌入的数据按照宏块大小和灰度值量化级数进行编码，生成位图色带；
将所述待处理的位图图像与所述位图色带拼接，得到嵌入数据的图像；
将需嵌入的数据按照宏块大小和灰度值量化级数进行编码，生成位图色带，包括：
确定位图色带的宏块大小和灰度值量化级数；
根据灰度值量化级数确定单位宏块嵌入量，所述单位宏块嵌入量为每个宏块嵌入的二进制数据的数据位量：
单位宏块嵌入量=灰度值量化级数对应的二进制位数*图像通道数；
将需嵌入的数据转化为二进制数据，并将所述二进制数据以单位宏块嵌入量为长度单位进行分割，得到分割后的单位数据；
将各分割后的单位数据依序分割为对应图像通道数量的多组数据，将对应图像通道数量的多组数据转换为对应图像通道的灰度值，生成各分割后的单位数据对应的色带宏块；
将所述色带宏块依次连接，得到位图色带。
2.根据权利要求1所述的基于灰度值量化的图像数据嵌入和提取方法，其特征在于，确定位图色带的宏块大小和灰度值量化级数，包括：
所述位图色带的宏块大小为8×8， 所述灰度值量化级数为16级；
所述待处理的位图图像和位图色带均为RGB或YUV格式。
3.根据权利要求1所述的基于灰度值量化的图像数据嵌入和提取方法，其特征在于，将所述待处理的位图图像与所述位图色带拼接，得到嵌入数据的图像，包括：
将所述位图色带拼接在待处理的位图图像的边缘；
所述待处理的位图图像的边缘包括待处理的位图图像的左侧或右侧或上侧或下侧。
4.根据权利要求1所述的基于灰度值量化的图像数据嵌入和提取方法，其特征在于，获取待处理的位图图像，包括：
对原始视频进行解码，将视频分割成多张位图图像帧；
将所述位图图像帧作为待处理的位图图像。
5.根据权利要求4所述的基于灰度值量化的图像数据嵌入和提取方法，其特征在于，所述方法还包括：
针对每一视频帧，依次将编码生成的位图色带拼接到原始视频的位图图像中相应的位置，得到数据嵌入后的视频帧；
对嵌入数据后的视频帧进行重新视频编码，将连续的视频帧转换成视频流，以便进一步处理和传输；
对嵌入数据后的视频流进行最终的编码处理，生成标准的视频文件格式或者直播流格式，完成数据嵌入过程。
6.根据权利要求1所述的基于灰度值量化的图像数据嵌入和提取方法，其特征在于，所述方法还包括：
提取嵌入数据的图像中的位图色带，得到拼接在图像中的位图色带；
根据宏块大小和灰度值量化级数对所述位图色带进行数据提取，得到嵌入的数据。
7.根据权利要求6所述的基于灰度值量化的图像数据嵌入和提取方法，其特征在于，根据宏块大小和灰度值量化级数对所述位图色带进行数据提取，得到嵌入的数据，包括：
确定位图色带的宏块大小和灰度值量化级数；
将所述位图色带按照宏块大小为单位按顺序分割为多个色带宏块；
提取所述色带宏块不同通道的灰度图，获取所述色带宏块不同通道的灰度图的灰度值，并将灰度值转化为二进制数据，得到所述色带宏块的对应通道数量的多组数据；
将各色带宏块的对应通道数量的多组数据按序进行拼接，得到嵌入的原始数据。
8.根据权利要求6所述的基于灰度值量化的图像数据嵌入和提取方法，其特征在于，提取嵌入数据的图像中的位图色带，得到拼接在图像中的位图色带，包括：
对视频文件或直播流进行解码，得到拼接在视频位图画面中的位图色带；
在提取嵌入的数据后，在视频帧中将嵌入的位图色带移除后再展示视频画面。
9.一种基于灰度值量化的图像数据嵌入和提取装置，其特征在于，包括：
输入模块：用于获取待处理的位图图像；
色带生成模块：用于将需嵌入的数据按照宏块大小和灰度值量化级数进行编码，生成位图色带；
拼接模块：用于将所述待处理的位图图像与所述位图色带拼接，得到嵌入数据的图像；
将需嵌入的数据按照宏块大小和灰度值量化级数进行编码，生成位图色带，包括：
确定位图色带的宏块大小和灰度值量化级数；
根据灰度值量化级数确定单位宏块嵌入量，所述单位宏块嵌入量为每个宏块嵌入的二进制数据的数据位量：
单位宏块嵌入量=灰度值量化级数对应的二进制位数*图像通道数；
将需嵌入的数据转化为二进制数据，并将所述二进制数据以单位宏块嵌入量为长度单位进行分割，得到分割后的单位数据；
将各分割后的单位数据依序分割为对应图像通道数量的多组数据，将对应图像通道数量的多组数据转换为对应图像通道的灰度值，生成各分割后的单位数据对应的色带宏块；
将所述色带宏块依次连接，得到位图色带。
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