CN106709853B - 一种图像检索方法及*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种图像检索方法及***，其中方法包括如下步骤：将标注信息加密为密文数据后嵌入原图像，利用可逆水印算法将被替换的原始像素作为水印生成标注图像；提取标注图像中密文数据并解密，将解密结果与检索条件进行匹配获取目标标注图像，计算与目标标注图像对应的原图像的像素值并提取水印后输出。本发明提出的算法对原图像的影响很小，并且在接收端可以100％地恢复原始图像，同时算法速度快，适应于大量样本的标注场景中，降低了空间复杂度，加密的标注信息防止被篡改，提高了标注信息的有效性、关联性与管理性。

Description

一种图像检索方法及***
技术领域
本发明属于图像处理技术领域，具体而言，涉及一种图像检索方法及***。
背景技术
随着信息与通信技术的迅猛发展，各种图像数据呈***指数式增长。如何对海量的图像数据进行有效的管理成为了一个亟待解决的问题。随着模式识别与机器学习理论与算法的发展，在很一定程度实现了图像的自动管理。当前主要包括两种图像管理方式：图像机器学习与传统图像标注。其中，图像机器学习技术主要利用大量有标记的样本来训练稳定的分类模型，以实现对未知的一系列图像检测、分类与识别；而传统的图像标注方法则通过新建一个与图像对应的辅助文件，记录人工/机器标注的结果信息。这两种标注方式在传输和储存方面，一方面增加了带宽开销或空间容量开销，另一方面及容易丢失或损坏。另外，多数标注的信息缺乏加密防护，标注的信息不安全且容易泄露。
发明内容
为解决上述技术缺点，本发明利用加密技术及可逆水印技术在原图像中标注信息防止标注信息泄露，同时降低标注后图像的带宽开销、空间容量开销，提高对图像数据的管理。
本发明提供了一种图像检索方法，包括如下步骤：
将标注信息加密为密文数据后嵌入原图像，利用可逆水印算法将被替换的原始像素作为水印生成标注图像；
提取标注图像中密文数据并解密，将解密结果与检索条件进行匹配获取目标标注图像，计算与目标标注图像对应的原图像的像素值并提取水印后输出。
进一步，在本发明所述的图像检索方法中，所述将标注信息加密为密文数据后嵌入原图像，利用可逆水印算法添加水印后生成标注图像包括
获取原图像LSB位，提取并保存原图像LSB位内容，将密文数据嵌入原图像LSB位生成第一标注图像；
将原图像LSB位内容水印至第一标注图像生成第二标注图像。
更进一步，在本发明所述的图像检索方法中，所述获取原图像LSB位，提取并保存原图像LSB位内容，将密文数据嵌入原图像LSB位生成第一标注图像包括
获取标注信息，根据编码表后将标注信息编码为N位编码，并对其进行检验；
将校验后的N位编码进行加密生成密文字符串；
在提取LSB位内容后的原图像中嵌入密文字符串生成第一标注图像。
进一步，在本发明所述的图像检索方法中，所述提取标注图像中密文数据并解密，将解密结果与检索条件进行匹配获取目标标注图像，计算与目标标注图像对应的原图像的像素值并提取水印后输出包括
获取检索条件；
获取标注图像LSB位，提取密文数据并解密获取标注信息；
将标注信息与检索条件进行匹配获取目标标注图像；
计算与目标标注图像对应的原图像的像素值并提取水印的原图像的LSB位内容后输出原图像。
本发明还提供了一种图像检索***，包括
图像处理装置，用于将标注信息加密为密文数据后嵌入原图像，利用可逆水印算法添加水印后生成标注图像；
检索装置，用于提取标注图像中密文数据并解密，将解密结果与检索条件进行匹配获取目标标注图像，计算与目标标注图像对应的原图像的像素值并提取水印后输出。
进一步，在本发明所述的图像检索***中，图像处理装置包括
第一处理模块，用于获取原图像LSB位，提取并保存原图像LSB位内容，将密文数据嵌入原图像LSB位生成第一标注图像；
第二处理模块，用于将原图像LSB位内容水印至第一标注图像生成第二标注图像。
更进一步，在本发明所述的图像检索***中，第一处理模块包括
编码模块，用于获取标注信息，根据编码表后将标注信息编码为N位编码，并对其进行检验；
加密模块，用于将校验后的N位编码进行加密生成密文字符串；
生成模块，用于在提取LSB位内容后的原图像中嵌入密文字符串生成第一标注图像。
进一步，在本发明所述的图像检索***中，所述检索装置包括
接口模块，用于获取检索条件；
解密模块，用于获取标注图像LSB位，提取密文数据并解密获取标注信息；
查询模块，用于将标注信息与检索条件进行匹配获取目标标注图像；
处理模块，用于计算与目标标注图像对应的原图像的像素值并提取水印的原图像的LSB位内容后输出原图像。
综上，本发明提出的算法对原图像的影响很小、算法速度快，适应于大量样本的标注场景中，降低了空间复杂度，加密的标注信息防止被篡改，提高了标注信息的有效性、关联性与管理性。
附图说明
图1为本发明所述的图像检索方法一个实施例的流程示意图；
图2为本发明所述的图像检索方法一个实施例中S101的流程示意图；
图3为本发明所述的图像检索方法一个实施例中对标注信息编码并校验后一个实施例的结构组成示意图；
图4为本发明所述的图像检索方法一个实施例中对标注信息编码并校验后的实施例的结构示意图；
图5为本发明所述的图像检索方法一个实施例中原图像的分块的结构示意图；
图6为本发明所述的图像检索方法一个实施例中S102的流程示意图；
图7为本发明所述的图像检索***一个实施例的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供了一种图像检索方法，包括如下步骤：
S101、将标注信息加密为密文数据后嵌入原图像，利用可逆水印算法将被替换的原始像素作为水印生成标注图像；
数字水印技术是将一些标识信息(即水印)嵌入数字载体中，且不影响原始载体的使用价值的方法。根据数字水印抵抗攻击的鲁棒性可以将其分为鲁棒数字水印和易损数字水印两类。根据数字水印水印的可逆性可以将其分为可逆数字水印和不可逆数字水印两类。其中，可逆数字水印要求在提取端不仅能完整地提取出水印，并且能无损失的恢复出原始载体。这种特殊的水印目前主要应用在医疗、军事和司法领域一些应用场景。可逆数字水印领域的可以划分为两类算法：空间域算法和变换域算法。目前已有的可逆水印算法主要集中在空间域，本实施例中采用的是空间域的可逆水印算法，提出基于比特翻转的可逆数字水印技术:在发送端，当嵌入水印比特是1时，翻转原图像的块中的LSB位，否则不翻转。在接收端，根据图像自身平滑性特征，对接收图像可以同时进行水印比特提取和原始图像恢复。
S102、提取标注图像中密文数据并解密，将解密结果与检索条件进行匹配获取目标标注图像，计算与目标标注图像对应的原图像的像素值并提取水印后输出。
本发明首先对标注信息进行加密，防止标注信息泄露或者被篡改，同时利用可逆水印算法对图像上添加水印，在接收端可以100％地恢复原始图像。具体实施时，标注信息可选包括创建者、所有者的标示信息、购买者的标示(即序列号)等。与传统的人工图像标注方法相比较，本发明不需要建立辅助文件，不需要将图像与标注的辅助文件关联起来，降低了空间复杂度，减小了空闲容量开销。
进一步，S101如图2所示包括
S1011、获取原图像LSB位，提取并保存原图像LSB位内容，将密文数据嵌入原图像LSB位生成第一标注图像；
更进一步，所述S1011包括
获取标注信息，根据编码表后将标注信息编码为N位编码，本实施例中取N＝12，最大可以表示212＝4096类别，并对其进行校验；
将校验后的N位编码进行加密生成密文字符串；
在提取LSB位内容后的原图像中嵌入密文字符串生成第一标注图像。
具体实施时，将标注有信息进行编码并校验可选的按照如下步骤进行：
(1)将人工/机器对图像的标注信息通过查找12位编码表，对分类等标注信息进行编码；
(2)对标注的信息进行校验可选的利用奇偶纠错编码，共有四位纠错码。
本实施例中利用的为12位编码表，将标注信息编码后为12位编码并检验后为20位，具体可选的如图3-4所示，其中，前四位为前缀，0000、1111分别代表人工标注、机器标注。
校验规则为：第1-4位标注信息得到第一位纠错码；第5-8位标注信息得到第二位纠错码；第9-12位标注信息得到第三位纠错码；前三位纠错码得到第四位纠错码。同时加上四位前缀0000/1111标识信息，分别代表人工或机器标注，即将标注信息编码为20位。需要说明的是，本实施例是按照12为编码表对标注信息进行编码的，具体实施时还可选的将标注信息编码为其他位的编码，本发明在此不进行限制。
具体实施时，加密的算法可选按照如下公式进行：
Figure BDA0001166941950000051
其中，d为原始数据，ks为伪随机数，c为密文字符串数据，
Figure BDA0001166941950000052
表示异或。该加密算法使用简单异或操作，加解密过程均为同一个算法，易于硬件的实现，有利于提高了加解密速度。
需要说明的是，本实施例仅为本发明的一个实施例，具体实施时还可选的利用其他加密算法进行加密。
S1012、将原图像LSB位内容水印至第一标注图像生成第二标注图像。
具体实施时，可选的按照如下步骤进行：
(a)将去掉中心区域的原图像LSB进行分组，可选按照n×n的格式进行分块，n＝3,5,7,...15,本实施例中取n＝3,即按照3×3进行分块。
(b)如图5所示，在分块中对9个位置进行编号，其中块中心的LSB为指示位，在嵌入过程保持不变，而周围的8个LSB随着嵌入可逆水印改变。
(c)如果嵌入的水印是0，8个LSB不翻转。如果嵌入的水印是1，8个LSB进行翻转。
规则如下：
Figure BDA0001166941950000061
其中，i表示分块的编号，m表示嵌入的水印，LSBi表示不翻转，
Figure BDA0001166941950000062
表示翻转。
为了提高水印检测和恢复的准确性，具体实施时可选的使用多级嵌入策略，即在多个块(一个组)按照步骤(a)-(c)进行同样嵌入操作,直到所有的原图像的20位LSB的比特嵌入。
图像的质量可以使用PSNR(峰值信噪比)进行评估。评估按照如下公式进行计算：
Figure BDA0001166941950000063
根据国际标准图像库，对标注图像进行灰度图像进行算法仿真，得到表组图像的PSNR都基本为51dB，图像质量十分良好，证明对标注加密嵌入原图像并水印后对原图像的影响不大；同时本发明对标注信息进行编码加密的算法速度快，能够适应于大量样本的标注场景中，降低了空间复杂度，防止了标注被篡改，提高了标注信息的有效性、关联性与管理性。
进一步，如图6所示，S102包括
S1021、获取检索条件；
S1022、获取标注图像LSB位，提取密文数据并解密获取标注信息；具体实施时，可选的按照如下步骤进行：
(1)定位到嵌入水印图像的中心区域的LSB，提取20位加密的数据。
(2)对数据进行解密如下：
Figure BDA0001166941950000071
(3)将得到的标注数据包进行以下检测：
(a)若标识部分是1111或者0000进行后面的检测，否则丢弃，不执行后面的操作。
(b)对数据包的校验位进行检测，若错误，直接丢弃，不执行后面的操作。
(4)将得到的数据包的标注部分通过编码表进行解码，得到图像标注信息。
S1023、将标注信息与检索条件进行匹配获取目标标注图像；
S1024、计算与目标标注图像对应的像素值并提取水印的原图像的LSB位内容后输出原图像。
具体实施时可选的对目标标注图像按照如下步骤进行：
(1)对含水印图像同样进行分块，如3*3。
(2)对每一个块的1-8位置的LSB进行翻转。
(3)分别计算每一个块的翻转前和翻转后的平滑度值，如下：
Figure BDA0001166941950000072
其中，P0指块中间的像素值，Pi,
Figure BDA0001166941950000073
分别指块周围的翻转前和翻转后的像素值，而H0,H1分别指块翻转前和翻转后的平缓度值。平滑度越小越接近真实图像。
(4)恢复每一个块的原始像素值，并且提取水印，如下：
Figure BDA0001166941950000074
其中，re_Pi指块中恢复的像素值，m指提取出来的水印信息。
具体地，如接收图像的某一个块的像素值P0＝7,P1＝P2＝6,P3＝P4＝...＝P8＝7.其中的8个位置的LSB位的比特翻转后，像素值
Figure BDA0001166941950000081
计算得到H0＝2＜H1＝6，因此可以确定翻转前的块是原始图像的块，并且提取出的水印比特是0。
本发明目的在于对原数据(图像、音频、视频等数据)进行管理，方便根据用户的检索条件进行检索，因此本发明对原图像进行标注后方便了用户查询需求的图像数据。本发明获取检索条件后对所有的标注图像进行解密获取标注信息，根据标注信息匹配与检索条件对应的目标标注图像并进行输出。
如图7所示，本发明还提供了一种图像检索***，包括
图像处理装置10，用于将标注信息加密为密文数据后嵌入原图像，利用可逆水印算法将被替换的原始像素作为水印生成标注图像；
检索装置20，用于提取标注图像中密文数据并解密，将解密结果与检索条件进行匹配获取目标标注图像，计算与目标标注图像对应的原图像的像素值并提取水印后输出。
进一步，图像处理装置包括
第一处理模块，用于获取原图像LSB位，提取并保存原图像LSB位内容，将密文数据嵌入原图像LSB位生成第一标注图像；
第二处理模块，用于将原图像LSB位内容水印至第一标注图像生成第二标注图像。
进一步，第一处理模块包括
编码模块，用于获取标注信息，根据编码表后将标注信息编码为N位编码，并对其进行检验；
加密模块，用于将校验后的N位编码进行加密生成密文字符串；
生成模块，用于在提取LSB位内容后的原图像中嵌入密文字符串生成第一标注图像。
进一步，所述检索装置包括
接口模块，用于获取检索条件；
解密模块，用于获取标注图像LSB位，提取密文数据并解密获取标注信息；
查询模块，用于将标注信息与检索条件进行匹配获取目标标注图像；
处理模块，用于计算与目标标注图像对应的原图像的像素值并提取水印的原图像的LSB位内容后输出原图像。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种图像检索方法，其特征在于，包括如下步骤：
将标注信息加密为密文数据后嵌入原图像，利用基于比特翻转的可逆数字水印算法将被替换的原始像素作为水印生成标注图像；
提取标注图像中密文数据并解密，将解密结果与检索条件进行匹配获取目标标注图像，计算与目标标注图像对应的原图像的像素值并提取水印后输出原图像；
所述将标注信息加密为密文数据后嵌入原图像，利用基于比特翻转的可逆数字水印算法将被替换的原始像素作为水印生成标注图像包括：
获取原图像LSB位，提取并保存原图像LSB位内容，将密文数据嵌入原图像LSB位生成第一标注图像；
将原图像LSB位内容水印至第一标注图像生成第二标注图像；
所述提取标注图像中密文数据并解密包括：获取标注图像LSB位，提取密文数据并解密获取标注信息；
其中，所述基于比特翻转的可逆数字水印算法为：在发送端，当嵌入水印比特是1时，翻转原图像中块的LSB位；当嵌入水印比特是0时，不进行翻转；在接收端，根据图像自身平滑性特征，对接收图像同时进行水印比特提取和原始图像恢复。
2.根据权利要求1所述的图像检索方法，其特征在于，所述获取原图像LSB位，提取并保存原图像LSB位内容，将密文数据嵌入原图像LSB位生成第一标注图像包括
获取标注信息，根据编码表后将标注信息编码为N位编码，并对其进行检验；
将校验后的N位编码进行加密生成密文字符串；
在提取LSB位内容后的原图像中嵌入密文字符串生成第一标注图像。
3.根据权利要求1所述的图像检索方法，其特征在于，所述提取标注图像中密文数据并解密，将解密结果与检索条件进行匹配获取目标标注图像，计算与目标标注图像对应的原图像的像素值并提取水印后输出包括
获取检索条件；
获取标注图像LSB位，提取密文数据并解密获取标注信息；
将标注信息与检索条件进行匹配获取目标标注图像；
计算与目标标注图像对应的原图像的像素值并提取水印的原图像的LSB位内容后输出原图像。
4.一种图像检索***，其特征在于，包括
图像处理装置，用于将标注信息加密为密文数据后嵌入原图像，利用基于比特翻转的可逆数字水印算法将被替换的原始像素作为水印生成标注图像；
检索装置，用于提取标注图像中密文数据并解密，将解密结果与检索条件进行匹配获取目标标注图像，计算与目标标注图像对应的原图像的像素值并提取水印后输出原图像；其中，提取标注图像中密文数据并解密包括：获取标注图像LSB位，提取密文数据并解密获取标注信息；
图像处理装置包括：
第一处理模块，用于获取原图像LSB位，提取并保存原图像LSB位内容，将密文数据嵌入原图像LSB位生成第一标注图像；
第二处理模块，用于将原图像LSB位内容水印至第一标注图像生成第二标注图像；
其中，所述基于比特翻转的可逆数字水印算法为：在发送端，当嵌入水印比特是1时，翻转原图像中块的LSB位；当嵌入水印比特是0时，不进行翻转；在接收端，根据图像自身平滑性特征，对接收图像同时进行水印比特提取和原始图像恢复。
5.根据权利要求4所述的图像检索***，其特征在于，第一处理模块包括
编码模块，用于获取标注信息，根据编码表后将标注信息编码为N位编码，并对其进行检验；
加密模块，用于将校验后的N位编码进行加密生成密文字符串；
生成模块，用于在提取LSB位内容后的原图像中嵌入密文字符串生成第一标注图像。
6.根据权利要求4所述的图像检索***，其特征在于，所述检索装置包括
接口模块，用于获取检索条件；
解密模块，用于获取标注图像LSB位，提取密文数据并解密获取标注信息；
查询模块，用于将标注信息与检索条件进行匹配获取目标标注图像；
处理模块，用于计算与目标标注图像对应的原图像的像素值并提取水印的原图像的LSB位内容后输出原图像。
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