CN1148949C - 使用水印的数字图像编码/解码装置和方法 - Google Patents
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Abstract
提供了一种数字图像编码/解码装置和方法。该数字图像编码装置包括：第一离散小波变换部分，接收要发送的主图像，执行离散小波变换；第二离散小波变换部分，接收原始签名图像，执行离散小波变换；系数替换/混合部分，用选择的N×N小波系数替换和混合N×N位置数据。使用水印少量图像样本作为签名图像保密发送，不影响原始图像。然后在解码期间，ANOVA技术应用到恢复签名图像和原始签名图像，精确预测主图像质量。
Description
技术领域
本发明涉及使用水印的数字图像编码装置、解码装置、和编码及解码方法，并且特别涉及在编码期间将一原始签名图像插入主图像的有效区，在解码期间评估主图像和原始签名图像之间的方差，由此精确估计主图像的质量的数字图像编码装置，解码装置、和编码及解码方法。
背景技术
水印是这样一种技术，将要发送的图像与用于提供安全与证明权的加密图像一起发送。接收器侧接收要发送的图像(以下称为主图像)和保密发送的加密图像(以下称为签名图像)。签名图像由特殊解密装置解码。
图1是传统的用于产生加水印的图像、并且从加水印的图像中提取签名图像的数字图像编解码器装置的概念方框图。在将描述的传统数字图像编解码器装置中，在编码期间，对主图像和要保密发送的签名图像执行DCT(离散余弦变换)，由此提取用于各图像的DCT系数。由编码器对DCT系数编码。因此，签名图像的DCT系数分量由用于执行加密控制操作的分离的加密编码器编码。用这种方式，能够发送主图像DCT系数和编码后插入主图像DCT系数的签名图像DCT系数。对于主图像DCT系数和插入主图像DCT系数的签名图像DCT系数执行IDCT(逆离散余弦变换)，由此获得加水印的图像，其中仅主图像是可见的，而签名图像是不可见的。
在主图像上加水印的签名图像由特殊解密装置解码，然后恢复。在恢复期间，对加水印的图像执行DCT，以便从中提取DCT系数。接着，从加水印的图像的DCT系数中分离出通过对原始主图像执行DCT获得的所提取的DCT系数，由此提取编码的签名图像的DCT系数分量。然后，解码器对编码的签名图像的DCT系数分量解码。在此，加密解码器执行解密控制操作。
由解密解码的签名图像的DCT系数再次进行IDCT，由此恢复签名图像。
如上所述，在使用水印的传统数字图像编解码器装置中，通过用各种方法将发送的当前图像与先前图像比较，执行评估发送图像质量的传统方法。传统方法基于当前图像与先前图像没有很大不同的假设。然而，此种假设没应用到剧烈变化的图像屏幕。在这种情况下，不能精确执行图像评估。此外，即使该假设是可用的，与原始图像情况比较，该图像评估正确性下降。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种数字图像编码装置，通过在编码期间使用水印发送适于方差分析(ANOVA，analysis of variance)技术的少量图像样本作为签名图像，而不影响原始图像并且通过在解码期间对恢复的签名图像和原始签名图像执行ANOVA技术，能够精确估计主图像的质量。
为了实现本发明的上述目的，提供了一种数字图像编码装置，用于使用水印在主图像上记录签名图像，该装置包括：第一离散小波变换部分，用于接收要发送的主图像，并且对其执行离散小波变换，由此输出M×M离散小波系数，其中M是预定的正整数；原始签名图像存储部分，用于将适于方差分析(ANOVA)技术的图像存储为原始签名图像；第二离散小波变换部分，用于接收原始签名图像，并且对其执行离散小波变换，以获得N×N小波变换系数，N是小于M的另一个预定整数；系数替换/混合部分，用于按照预定规则从M×M小波变换系数中选择的N×N小波系数替换和混合N×N位置(location)数据，然后输出N×N位置数据和替换的M×M小波系数。
此外，该数字图像编码装置还可包括逆离散小波变换部分，用于对替换的M×M小波系数执行逆离散小波变换，产生混合的主图像。
此外，该数字图像编码装置还可包括压缩部分，用于压缩混合的主图像和N×N位置数据。
预定正整数N最好小于或等于预定正整数M的1/8。
此外，预定规则将从M×M小波变换系数中选择上有效(uppersignificant)小波变换系数的50％。
按照本发明的另一个方面，提供了一种数字图像解码装置，用于接收使用水印的具有记录在主图像上的签名图像的位流和用于恢复主图像和签名图像。该装置包括系数分离部分，用于使用N×N位置数据从M×M小波系数中分离N×N小波系数，M是预定正整数，N是小于M的另一个预定正整数，逆离散小波变换部分，用于对N×N小波系数执行逆离散小波变换，以产生恢复的签名图像；原始签名图像存储部分，用于存储适于ANOVA技术的签名图像，该签名图像与作为原始签名图像在主图像水印中使用的相同；ANOVA部分，用于将原始签名图像和恢复的签名图像应用到ANOVA技术，以输出恢复的签名图像的输出方差特性数据作为图像质量指示数据。
此外，该数字图像解码装置还可包括解压缩部分，用于接收具有所述混合主图像和被压缩在其中N×N位置数据的位流，并且对所述位流解压缩，以输出混合的主图像，和表示签名图像小波系数位置的N×N位置数据；和离散小波变换部分，用于对混合主图像执行离散小波变换，由此输出M×M小波系数，M是预定正整数。
按照本发明的另一个方面，提供了一种数字图像编解码器装置，用于使用水印在主图像上记录签名图像，并且恢复所述主图像和签名图像，该装置包括：第一离散小波变换部分，该部分用于接收要发送的主图像，并且对其执行离散小波变换，由此输出M×M离散小波系数，其中M是预定的正整数；第一原始签名图像存储部分，用于将适于方差分析(ANOVA)技术的图像存储为原始签名图像；第二离散小波变换部分，用于接收原始签名图像，并且对其执行离散小波变换，以获得N×N小波变换系数，N是小于M的另一个预定整数；系数替换/混合部分，用于按照预定规则从M×M小波系数中选择的N×N小波系数替换和混合N×N位置数据，然后输出N×N位置数据和替换的M×M小波系数；第一逆离散小波变换部分，用于对替换的M×M小波系数执行逆离散小波变换，以产生混合主图像；压缩部分，用于压缩混合的主图像和N×N位置数据；解压缩部分，用于接收具有所述混合主图像和被压缩在其中N×N位置数据的位流，并且对所述位流解压缩，以输出混合的主图像，和表示签名图像离散小波系数位置的N×N位置数据；第三离散小波变换部分，用于对混合的主图像执行离散小波变换，以获得M×M小波系数；系数分离部分，用于使用N×N小波系数，从M×M小波系数中分离N×N位置数据；第二逆离散小波变换部分，用于对N×N小波系数执行逆离散小波变换，以产生恢复的签名图像；第二原始签名图像存储部分，用于存储适于ANOVA技术的签名图像，该签名图像与作为原始签名图像在主图像的水印中使用的相同；ANOVA部分，用于将原始签名图像和恢复的签名图像应用到ANOVA技术，以输出恢复的签名图像的方差特性数据作为图像质量指示数据。
按照本发明的另一方面，提供了一种数字图像编码方法，用于使用水印在主图像上记录签名图像，该方法包括以下步骤：(a)对要发送的主图像执行离散小波变换，由此获得M×M离散小波系数，其中M是预定正整数，(b)存储和提供适于ANOVA技术的图像作为原始签名图像，(c)接收原始签名图像并且对其执行离散小波变换，由此获得N×N离散小波系数，其中N是小于M的预定正整数，(d)按照预定规则区别M×M离散小波系数，并且选择具有高有效性(significance)的N×N替换位置；(e)用N×N小波系数替换和混合M×M离散小波系数中选择的N×N位置的系数；(f)对替换的M×M小波系数执行逆离散小波变换，以产生混合的主图像，和(g)压缩混合的主图像和N×N位置数据。
按照本发明的另一个方面，提供了一种数字图像解码方法，用于接收使用水印的具有记录在主图像上的签名图像的位流和用于恢复签名图像和主图像，该方法包括以下步骤：(a)解压缩接收的位流，由此获得主图像和N×N位置数据，(b)对主图像执行离散小波变换，由此获得M×M小波系数，(c)从M×M小波系数中分离相应于N×N位置数据的N×N小波系数，(d)对N×N小波系数执行逆离散小波变换，由此恢复签名图像，(e)存储适于ANOVA技术的签名图像作为原始签名图像，并且该签名图像与在编码期间用在主图像的水印中的相同，和(f)将原始签名图像和恢复的签名图像应用到ANOVA技术，以输出恢复的签名图像的方差特性数据作为图像质量指示数据。
附图说明
通过参照附图详细描述本发明的优选实施例，本发明的上述目的和优点将变得更清楚，其中：
图1是用于产生加水印的图像和从加水印的图像中提取签名图像的传统数字图像编解码器装置的概念框图；
图2是按照本发明的数字图像编解码器装置的方框图；
图3是按照本发明的数字图像编码方法步骤的流程图；和
图4是按照本发明的数字图像解码方法步骤的流程图。
具体实施方式
参照图2，按照本发明的数字图像编解码器装置包括：编码单元20和解码单元22。编码单元20包括：第一离散小波变换部分202；原始签名图像存储部分204；第二离散小波变换部分206；系数替换/混合部分208；逆离散小波变换部分210和压缩部分212。此外，解码单元22包括：解压缩部分222；离散小波变换部分224；系数分离部分226；逆离散小波变换部分228；原始签名图像存储部分230和ANOVA部分232。
首先，将参照图2和3描述编码单元20的操作。
第一离散小波变换部分202接收要发送的主图像，执行离散小波变换(步骤302)以获得离散小波系数。如现有技术中所知的，离散小波系数由一方阵组成。在此实施例中，假定该离散小波系数是M×M方阵，M是预定正整数。
原始签名图像存储部分204存储适于方差分析(ANOVA)技术的图像作为原始信号图像，并且将其提供到第二离散小波变换部分206(步骤304)。适于ANOVA技术的图像包括例如一规律间隔的网格，点型图像等。
第二离散小波变换部分206接收原始签名图像并且对其执行离散小波变换(步骤306)以获得N×N小波系数，N是小于M的另一个预定整数。在此，N是对于每个图像固定的恒定值，并且最好小于或等于M的1/8，以便抑制对原始图像的影响。
系数替换/混合部分208用按照预定规则从M×M小波系数中选择的N×N小波系数替换和混合N×N位置数据(步骤310)，然后输出N×N位置数据和替换的M×M小波系数。为了评估主图像的质量，必须选择适于表示主图像质量的有效系数。这样，在本实施例中，按照预定规则例如以规律间隔从M×M小波系数中选择上有效小波系数的50％，从上有效小波系数的50％中选择N×N小波系数。
逆离散小波变换部分210对替换的M×M小波系数执行逆离散小波变换，以产生混合的主图像(步骤312)。
压缩部分212压缩混合的主图像和N×N位置数据，然后通过发送通道被发送(步骤314)。在此实施例中，在通过执行离散小波变换在主图像上嵌入签名图像中，N设定为小于M，即M的1/8。这样，鉴于逆离散小波变换特性，混合的主图像与原始主图像没有太大区别。
因此，编码单元20在原始主图像上能够保密写入可以评估原始主图像质量的原始签名图像，并且能够发送它们，而不严重影响原始主图像。
现在将参照图2和4描述解码单元22的操作。从编码单元20输出并且通过发送通道发送的压缩位流通过解码单元22解码，如下所示。
解压缩部分222接收具有混合主图像和压缩于其中的N×N位置数据的位流，并且对其解压缩(步骤402)，以输出混合的主图像和表示签名图像离散小波系数的位置的N×N位置数据。这里，N在编码期间被确定，最好是M的1/8。
接着，从混合主图像恢复签名图像。就是说，离散小波变换部分224对于混合主图像执行离散小波变换，以获得M×M小波系数，M是预定正整数(步骤404)。
系数分离部分226使用N×N位置数据从M×M小波系数中分离N×N小波系数，M是预定正整数，N是小于M的另一个预定整数(步骤406)。
逆离散小波变换部分228对N×N小波系数执行逆离散小波变换，以产生恢复的签名图像。
原始签名图像存储部分230存储适于ANOVA技术的签名图像，该签名图像与在主图像水印中使用的相同，并且将原始签名图像提供到ANOVA部分232。
ANOVA部分232将原始签名图像和恢复的签名图像应用于ANOVA技术(步骤410)。如同本领域技术人员所知，ANOVA技术允许观察和估计，使得所有测量值的方差被分成相应于几个因数的方差和其它剩余误差方差。就是说，ANOVA技术使得所有图像的方差特性的分析很相关于原始签名图像和恢复的签名图像。用这种方式，ANOVA部分232获得基于方差特性的图像质量指示数据，并将其输出。
在此，通过用原始签名图像的小波系数替换主图像的小波系数中的有效系数，获得恢复的签名图像。此外，因为将恢复的签名图像与其原始图像相比较，能够精确评估签名图像的质量。这样，恢复的签名图像的质量是差不多对应于主图像的质量。
如上所述，按照本发明，在编码期间，少量图像样本使用水印作为签名图像保密发送，不影响原始图像。然后，解码期间，ANOVA技术应用到恢复的签名图像和原始签名图像，由此精确预测主图像的质量。
此外，按照本发明的数字图像编码和解码方法能够用计算机程序写出。此外，它们能够通过一般用途的数字计算机实现，该计算机用于运行采用计算机中使用的介质的程序。该介质包括磁记录介质诸如软盘或硬盘、光记录介质诸如CD-ROM或DVD。此外，这些功能程序、代码、代码段能够由与本发明相关的领域中的程序员容易推断出。
Claims (13)
1、一种数字图像编码装置，用于使用水印在主图像上记录签名图像，其包括：
第一离散小波变换部分，该部分用于接收要发送的主图像，并且对其执行离散小波变换，由此输出M×M离散小波变换系数，其中M是预定的正整数；
原始签名图像存储部分，用于将适于方差分析(ANOVA)技术的图像存储为原始签名图像；
第二离散小波变换部分，用于接收所述原始签名图像，并且对其执行离散小波变换，以获得N×N小波变换系数，N是小于M的另一个预定正整数；
系数替换/混合部分，用于按照预定规则从M×M小波系数中选择的N×N小波系数替换和混合N×N位置数据，然后输出N×N位置数据和替换的M×M小波系数。
2、如权利要求1所述的数字图像编码装置，还包括逆离散小波变换部分，用于对所述替换的M×M小波变换系数执行逆离散小波变换，产生混合的主图像。
3、如权利要求2所述的数字图像编码装置，还包括压缩部分，用于压缩所述混合主图像和所述N×N位置数据。
4、如权利要求1所述的数字图像编码装置，其中所述预定正整数N是小于或等于所述预定正整数M的1/8。
5、如权利要求1所述的数字图像编码装置，其中所述预定规则将选择M×M小波系数中上有效小波系数的50％。
6、一种数字图像解码装置，用于接收使用水印的具有记录在混合主图像上的签名图像的位流和用于恢复主图像和签名图像，该装置包括：
系数分离部分，用于使用所述N×N位置数据从所述M×M小波系数中分离N×N小波系数，M是预定正整数，N是小于M的另一个预定正整数；
逆离散小波变换部分，用于对所述N×N小波系数执行逆离散小波变换，以产生恢复的签名图像；
原始签名图像存储部分，用于存储适于ANOVA技术的所述签名图像，该签名图像与在所述主图像水印中作为原始签名图像使用的签名图像相同；
ANOVA部分，用于将所述原始签名图像和所述恢复的签名图像应用到ANOVA技术，以输出所述恢复的签名图像的输出方差特性数据作为图像质量指示数据。
7、如权利要求6所述的数字图像解码装置，还包括：
解压缩部分，用于接收具有所述混合主图像和被压缩在其中的所述N×N位置数据的位流，并且对所述位流解压缩，以输出所述混合的主图像，和表示所述签名图像小波系数位置的N×N位置数据；和
离散小波变换部分，用于对所述混合主图像执行离散小波变换，以获得M×M小波系数，M是预定正整数。
8、如权利要求6所述的数字图像解码装置，其中所述预定正整数N是小于或等于预定正整数M的1/8。
9、一种数字图像编解码器装置，用于使用水印在主图像上记录签名图像，并且恢复所述主图像和所述签名图像，该装置包括：
第一离散小波变换部分，用于接收要发送的主图像，并且对其执行离散小波变换，由此输出M×M离散小波变换系数，其中M是预定的正整数；
第一原始签名图像存储部分，用于将适于方差分析(ANOVA)技术的图像存储为原始签名图像；
第二离散小波变换部分，用于接收所述原始签名图像，并且对其执行离散小波变换，以获得N×N小波变换系数，N是小于M的另一个预定正整数；
系数替换/混合部分，用于按照预定规则从M×M小波系数中选择的N×N小波系数替换和混合N×N位置数据，然后输出N×N位置数据和替换的M×M小波系数；
第一逆离散小波变换部分，用于对所述替换的M×M小波系数执行逆离散小波变换，以产生混合主图像；
压缩部分，用于压缩所述混合的主图像和N×N位置数据；
解压缩部分，用于接收具有所述混合主图像和被压缩在其中的所述N×N位置数据的位流，并且对所述位流解压缩，以输出所述混合的主图像，和表示所述签名图像离散小波系数位置的N×N位置数据；
第三离散小波变换部分，用于对所述混合的主图像执行离散小波变换，以获得M×M小波系数；
系数分离部分，用于使用N×N小波系数，从所述M×M小波系数中分离所述N×N位置数据；
第二逆离散小波变换部分，用于对所述N×N小波系数执行逆离散小波变换，以产生恢复的签名图像；
第二原始签名图像存储部分，用于存储适于ANOVA技术的所述签名图像，该签名图像与在所述主图像的水印中作为原始签名图像使用的签名图像相同；
ANOVA部分，用于将所述原始签名图像和所述恢复的签名图像应用到ANOVA技术，以输出所述恢复的签名图像的输出方差特性数据作为图像质量指示数据。
10、一种数字图像编码方法，用于使用水印在主图像上记录签名图像，包括以下步骤：
(a)对要发送的主图像执行离散小波变换，由此获得M×M离散小波系数，其中M是预定正整数；
(b)存储和提供适于ANOVA技术的图像作为原始签名图像；
(c)接收所述原始签名图像并且对其执行离散小波变换，由此获得N×N离散小波系数，其中N是小于M的预定正整数；
(d)按照预定规则区别M×M离散小波系数，并且选择具有高有效性(significance)的N×N位置；
(e)用N×N小波系数替换和混合M×M离散小波系数中所述选择的N×N位置的系数；
(f)对所述替换的M×M小波系数执行逆离散小波变换，以产生混合的主图像；和
(g)压缩所述混合的主图像和所述N×N位置数据。
11、如权利要求10所述的数字图像编码方法，其中在步骤(c)中，所述预定正整数N小于或等于所述预定正整数M的1/8。
12、如权利要求10所述的数字图像编码方法，其中在步骤(d)中，所述预定规则以规律间隔将从M×M小波系数中选择所述上有效小波系数的50％，并且从所述上有效小波系数的50％中选择N×N。
13、一种数字图像解码方法，用于接收使用水印的具有记录在主图像上的签名图像的位流和用于恢复所述签名图像和所述主图像，该方法包括以下步骤：
(a)解压缩所述接收的位流，由此获得主图像和N×N位置数据；
(b)对所述主图像执行离散小波变换，由此获得M×M小波系数；
(c)从M×M小波系数中分离相应于N×N位置数据的N×N小波系数；
(d)对所述N×N小波系数执行逆离散小波变换，由此恢复所述签名图像；
(e)存储适于ANOVA技术的所述签名图像作为所述原始签名图像，并且该签名图像与在编码期间用在所述主图像的水印中的相同；和
(f)将所述原始签名图像和所述恢复的签名图像应用到ANOVA技术，以输出所述恢复的签名图像的方差特性数据作为图像质量指示数据。
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