CN112801922B - 一种彩色图-灰度图-彩色图转换方法 - Google Patents

一种彩色图-灰度图-彩色图转换方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种彩色图‑灰度图‑彩色图转换方法，该方法步骤包括彩色图像转换成灰度图像编码过程：对原始彩色图像进行RGB到Ycbcr的颜色空间转换得到亮度平面和两个色度平面，两个色度平面压缩后得到压缩后色度平面，其二进制码流作为水印信息嵌入亮度平面得到水印灰度图像；灰度图像重构彩色图像解码过程：在嵌入水印信息的灰度图像提取出压缩后色度平面的二进制码流，并根据二进制码流恢复两个色度平面，将亮度平面和两个色度平面进行Ycbcr到RGB的颜色空间转换，重构出彩色图像。本发明保存了更多颜色信息，重构时可得到失真很小或无失真的亮度平面，不仅能得到高质量的灰度图像，也能得到高质量的重构的彩色图像。

Description

一种彩色图-灰度图-彩色图转换方法
技术领域
本发明涉及图像处理技术领域，具体涉及一种将彩色图像生成灰度图像再由灰度图像有效恢复彩色图像的转换方法。
背景技术
传统的彩色图-灰度图-彩色图转换方法可分为两类，第一类是基于边信息嵌入算法，第二类是基于矢量量化算法。
基于边信息嵌入算法是采用小波变换、离散余弦变换或小波包变换等对彩色图像的亮度平面做频域变换，对色度平面做下采样并嵌入到亮度平面的高频带，再对亮度平面做频域变换，得到灰度图像。重构时，对灰度图像做频域变换，把颜色信息提取出来并做上采样，亮度平面的高频分量用0替换并做频域变换，可重构出彩色图像。此方法会丢失亮度平面的高频信息，且大量丢失颜色信息，导致得到的灰度图像和重构的彩色图像有严重的噪声，且模糊。
Queiro等人在IEEE TIP 2006 提出利用小波变换对彩色图像的亮度平面做频域变换，把两个色度平面做下采样并替换亮度平面的高频分量，再对亮度平面做小波变换，得到灰度图像，执行逆过程可重构彩色图像。在此方法中，亮度平面的两个高频带信息全部丢失，并且，只能保留四分之一的颜色信息。因为高频信息的丢失，导致得到的灰度图像模糊。重构彩色图像时，颜色信息的过多丢失和亮度平面高频信息的丢失，导致重构的彩色图像模糊，质量不佳。
Ko等人在J IMAGING SCI TECHN 2008 提出通过小波包变换，并利用伪随机码对颜色饱和度进行补偿。在此方法中，对颜色的饱和度进行了补偿，重构的彩色图像的质量有一定程度的提高，但是由于亮度平面的高频信息的丢失和颜色信息的过多丢失，得到的灰度图像有严重的噪声，并且重构的彩色图像的边缘也存在噪声。
Horiuchi等人在PATTERN RECOGN LETT 2010 提出将颜色信息有效地嵌入一级小波子带中，以保持色度和空间分辨率。在此方法中，色度分量分成正负两个平面分别替换亮度平面的高频分量，使重构的彩色图像的质量有一定程度的提高，但是由信息丢失过多，得到的灰度图像和重构的彩色图像仍然会变得模糊。
基于矢量量化的算法中，原始彩色图像分解成灰度图像和调色板，亮度平面跟色度平面不是正交关系，亮度平面会随着调色板的变化而变化，亮度平面的改变也会导致重构的彩色图像的像素值的改变，重构的彩色图像的质量依赖于调色板的设计。调色板的设计本质上是对亮度和色度进行量化，并且，受限于灰度图像只有256个灰度级，在重构彩色图像的时候需要根据亮度值搜索对应的色度，调色板最终得到256个亮度和256个色度。把调色板嵌入量化后的亮度平面，得到灰度图像。重构时，提取出调色板，并根据灰度图像的像素值搜索对应的色度，重构出彩色图像。此方法得到的灰度图像有严重的假轮廓伪影。嵌入过程一般采用LSB数字水印嵌入，不可无损地恢复灰度图像，提取出调色板之后，灰度图像的像素值会发生改变。因为基于矢量量化算法中，灰度图像跟调色板不是正交关系，灰度图像的像素值改变会导致搜索到不对应的色度值，导致颜色偏移的产生。
Chaumont等人在J SystSoftw 2013提出基于模糊C均值聚类生成调色板，并利用最低有效位替换（LSB）数字水印技术嵌入调色板得到灰度图像。在此方法中，利用颜色的相似性，使用聚类算法，使原始彩色图像量化成256个亮度和256个色度。但是，由于仅仅用256个颜色来表示整一张彩色图像，得到的灰度图像和重构的彩色图像都有严重的假轮廓伪影。
XU等人在Signal Process Image Commun 2016 通过利用半色调技术，提高了图像的视觉效果。在此方法中，利用半色调技术，对颜色信息进行了一定的误差补偿，可以得到视觉效果较佳的重构的彩色图像。但是由于亮度和色度仅仅量化成256个，丢失了较多的信息，使重构的彩色图像容易出现颜色偏移的问题。
Chan等人在IEEE TIP 2020 提出利用凸包生成调色板，并结合半色调技术，图像质量得到了提高。在此方法中，原始彩色图像按照亮度分成若干个区间，从而对亮度进行量化，每一个区间利用凸包算法把色度量化成若干个，总共量化成256个亮度和256个色度，此方法提高了重构的彩色图像的质量。但是得到的灰度图像可以看到一些半色调伪影，并且重构的彩色图像有轻微的低频噪声。
在目前的研究中，彩色图-灰度图-彩色图转换的图像处理技术仍然存在很大的发展空间，同时获得高质量的灰度图像和重构的高质量的彩色图像仍然是目前研究的重点，其中，得到高质量的彩色图像是研究的重中之重。目前的方法主要有以下三个不足：①传统的基于边信息嵌入方法因为丢失了图像的高频信息，颜色信息也丢失过多，得到的灰度图像和彩色图像质量都不高，图像都会变得模糊；②基于矢量量化方法把亮度和色度量化成256个，得到的彩色图像普遍会出现颜色偏移，假轮廓的问题，并且依赖于调色板的设计。③灰度图像跟调色板不是正交关系，灰度图像的像素值改变会导致搜索到不对应的色度值，导致颜色偏移的产生。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本发明提供一种彩色图-灰度图-彩色图转换方法，本发明很好地结合了图像压缩技术和大容量数字水印技术，异于传统方法，是一种全新的思路，充分利用了高效的图像压缩技术，在要求一定压缩率的情况下，可以更多地保留颜色信息。充分利用了大容量数字水印算法的优势，在要求一定嵌入量的情况下，可以得到失真很小的灰度图像。重构彩色图像时可以得到失真很小的亮度平面甚至无失真的亮度平面，从而有效解决了用之前方法重构的彩色图像失真较大的问题。本发明不仅能够得到高质量的灰度图像，而且也能得到高质量的彩色图像。
本发明的第二目的在于提供一种彩色图-灰度图-彩色图转换***。
本发明的第三目的在于提供一种存储介质。
本发明的第四目的在于提供一种计算设备。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种彩色图-灰度图-彩色图转换方法，包括下述步骤：
彩色图像转换灰度图像编码过程：
读取原始彩色图像，计算原始彩色图像的数据量得到M*N*C*8，计算用二进制表示数值M*N*C*8所需最小位数w，用于后续以w位的二进制码流记录压缩后色度平面的大小；
将原始彩色图像进行RGB到Ycbcr的颜色空间转换，得到亮度平面、色度平面cb和色度平面cr；
对色度平面cb、色度平面cr分别进行压缩，得到压缩后的色度平面cb_jp2和色度平面cr_jp2；
读入压缩后的色度平面cb_jp2和cr_jp2，并分别计算压缩后的色度平面cb_jp2和色度平面cr_jp2的图像大小，即其对应的二进制码流的长度，得到d1和d2，用w位的二进制数w1、w2分别表示d1和d2，用于记录色度平面cb_jp2和色度平面cr_jp2的大小，w1和w2作为嵌入信息的第一部分watermark1，压缩后的色度平面cb_jp2和cr_jp2的二进制码流作为嵌入信息的第二部分watermark2；
将嵌入信息的第一部分watermark1和嵌入信息的第二部分watermark2以数字水印技术嵌入到亮度平面中，嵌入时，亮度平面前2*w个像素固定用于嵌入watermark1，得到嵌入信息的灰度图像，完成彩色图像到灰度图像的转换；
灰度图像重构彩色图像解码过程：
读取嵌入信息的灰度图像，采用数字水印技术提取出嵌入信息的第一部分watermark1，即提取出两个色度平面的图像大小w1和w2，并转换成十进制数d1和d2；
根据十进制数d1和d2，采用数字水印技术提取出嵌入信息的第二部分watermark2，根据嵌入信息的第二部分watermark2的二进制码流恢复色度平面cb_jp2和色度平面cr_jp2；
将亮度平面、色度平面cb_jp2和色度平面cr_jp2进行Ycbcr到RGB的颜色空间转换，重构出彩色图像，完成灰度图像到彩色图像的重构。
作为优选的技术方案，所述将原始彩色图像进行RGB到Ycbcr的颜色空间转换，具体表示为：
Figure 849839DEST_PATH_IMAGE001
其中，R、G、B为原始彩色图像RGB三通道，Y、cb、cr为颜色空间转换后得到的亮度平面Y，色度平面cb和色度平面cr。
作为优选的技术方案，所述对色度平面cb、色度平面cr分别进行压缩，具体采用16倍的JPEG2000或JPEG压缩。
作为优选的技术方案，所述将嵌入信息的第一部分watermark1和嵌入信息的第二部分watermark2以数字水印技术嵌入到亮度平面中，采用LSB数字水印技术进行信息嵌入，具体表示为：
Figure 529214DEST_PATH_IMAGE002
所述采用数字水印技术提取出嵌入信息的第一部分watermark1和所述采用数字水印技术提取出嵌入信息的第二部分watermark2，采用LSB数字水印技术进行信息提取，具体表示为：
Figure 461397DEST_PATH_IMAGE003
其中，x表示原始亮度平面的像素值，info表示嵌入信息第一部分watermark1和嵌入信息第二部分watermark2，
Figure 477895DEST_PATH_IMAGE004
表示嵌入信息后亮度平面的像素值。
作为优选的技术方案，所述将嵌入信息的第一部分watermark1和嵌入信息的第二部分watermark2以数字水印技术嵌入到亮度平面中，采用基于预测误差扩展的可逆水印技术进行信息嵌入，具体表示为：
Figure 913556DEST_PATH_IMAGE005
Figure 888465DEST_PATH_IMAGE006
所述采用数字水印技术提取出嵌入信息的第一部分watermark1和所述采用数字水印技术提取出嵌入信息的第二部分watermark2，采用基于预测误差扩展的可逆水印技术进行信息提取，具体表示为：
Figure 773857DEST_PATH_IMAGE007
Figure 594045DEST_PATH_IMAGE008
Figure 618633DEST_PATH_IMAGE009
其中，
Figure 498864DEST_PATH_IMAGE010
表示嵌入信息后亮度平面的像素值，x表示原始亮度平面的像素值，info表示嵌入信息的第一部分watermark1和嵌入信息的第二部分watermark2，
Figure 874482DEST_PATH_IMAGE011
表示x相邻4个像素x1、x2、x3、x4的预测值。
作为优选的技术方案，所述读入压缩后的色度平面cb_jp2和cr_jp2，具体采用二进制的方式读入，压缩后的色度平面cb_jp2和cr_jp2表示为二进制码流，用于储存色度平面的信息。
作为优选的技术方案，所述将亮度平面、色度平面cb_jp2和cr_jp2进行Ycbcr到RGB的颜色空间转换，重构出彩色图像，具体表示为：
Figure 232782DEST_PATH_IMAGE012
其中，
Figure 643035DEST_PATH_IMAGE013
是亮度平面，cb_jp2和cr_jp2表示压缩后的两个色度平面。
为了达到上述第二目的，本发明采用以下技术方案：
一种彩色图-灰度图-彩色图转换***，包括：彩色图像转换灰度图像编码模块和灰度图像重构彩色图像解码模块；
所述彩色图像转换灰度图像编码模块包括：原始彩色图像数据量计算模块、颜色空间转换模块、色度平面压缩模块、图像大小计算模块和信息嵌入模块；
所述灰度图像重构彩色图像解码模块包括：色度平面图像大小提取模块、颜色信息提取模块和重构模块；
所述原始彩色图像数据量计算模块用于读取原始彩色图像，计算原始彩色图像的数据量得到M*N*C*8，计算用二进制表示数值M*N*C*8所需最小位数w，用于后续以w位的二进制码流记录压缩后色度平面的大小；
所述颜色空间转换模块用于将原始彩色图像进行RGB到Ycbcr的颜色空间转换，得到亮度平面、色度平面cb和色度平面cr；
所述色度平面压缩模块用于对色度平面cb、色度平面cr分别进行压缩，得到压缩后的色度平面cb_jp2和色度平面cr_jp2；
所述图像大小计算模块用于读入压缩后的色度平面cb_jp2和cr_jp2，并分别计算压缩后的色度平面cb_jp2和色度平面cr_jp2的图像大小，即其对应的二进制码流长度，得到d1和d2，采用w位的二进制数w1、w2分别表示d1和d2，用于记录色度平面cb_jp2和色度平面cr_jp2的大小，w1和w2作为嵌入信息的第一部分watermark1，压缩后的色度平面cb_jp2和cr_jp2的二进制码流是颜色信息，作为嵌入信息的第二部分watermark2；
所述信息嵌入模块用于将嵌入信息的第一部分watermark1和嵌入信息的第二部分watermark2以数字水印技术嵌入到亮度平面中，得到嵌入信息的灰度图像；
所述色度平面图像大小提取模块用于读取嵌入信息的灰度图像，采用数字水印技术提取出嵌入信息的第一部分watermark1，即w1和w2，并转换成十进制数d1和d2；
所述颜色信息提取模块用于根据d1和d2提取出颜色信息的二进制码流watermark2，并根据颜色信息恢复色度平面cb_jp2和色度平面cr_jp2；
所述重构模块用于将亮度平面、色度平面cb_jp2和cr_jp2进行Ycbcr到RGB的颜色空间转换，重构出彩色图像。
为了达到上述第三目的，本发明采用以下技术方案：
一种存储介质，存储有程序，所述程序被处理器执行时实现如上述彩色图-灰度图-彩色图转换方法。
为了达到上述第四目的，本发明采用以下技术方案：
一种计算设备，包括处理器和用于存储处理器可执行程序的存储器，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现如上述彩色图-灰度图-彩色图转换方法。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
（1）本发明提供了一种高效的彩色图-灰度图-彩色图转换方法，是一种全新的思路，充分利用了高效的图像压缩技术和大容量数字水印技术的优点，不仅能够更多地保存原始图像的颜色信息，而且能够更多地保留原始图像的亮度信息，甚至可以保留无失真的亮度平面，解决了传统方法中图像失真大的问题，可得到视觉质量更好灰度图像和彩色图像。
（2）本发明基于高效的图像压缩技术和大容量数字水印，充分地利用了JPEG2000图像压缩技术，在要求一定压缩率的情况下，原始图像的颜色信息能够更多地保留下来，解决了传统方法中颜色信息丢失过多的问题。
（3）本发明充分地利用了大容量数字水印的优点，采用LSB数字水印技术，在要求一定嵌入量的情况下，对亮度平面造成更小的影响，亮度平面最多丢失最低位的信息，亮度信息能够更好地保留下来，从而得到高质量的灰度图像；并采用大容量可逆水印技术，在要求一定嵌入量的情况下，能够无损地恢复亮度平面，由于亮度平面能够无任何失真地保留下来，使得重构彩色图像的质量更高。解决了传统方法中，亮度平面信息丢失过多的问题。
（4）本发明的亮度平面跟色度平面是正交的关系，亮度平面和色度平面可以独立进行处理，解决了基于矢量量化方法中，亮度平面与色度平面的依赖关系，这种正交关系很好地保存了灰度平面，也使得对色度平面的有损压缩可以更加高效。
（5）本发明很好地结合了图像压缩技术和大容量数字水印技术，解决了传统方法中复杂的调色板设计的技术问题，算法总体流程清晰简单，复杂度低，具有很好的实际应用场景。
附图说明
图1为本发明基于图像压缩技术和数字水印技术的彩色图-灰度图-彩色图转换方法中的编码过程流程示意图；
图2为本发明基于图像压缩技术和数字水印技术的彩色图-灰度图-彩色图转换方法中的解码过程流程示意图；
图3为本发明可逆水印技术中图像的像素值信息嵌入情况分布示意图。
图4（a）为本发明原始灰度图；
图4（b）为Queiorz的方法所得灰度图；
图4（c）为Chan的方法所得灰度图；
图4（d）为LSB_CWCI_JPEG20000所得灰度图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例使用Kodak数据集和McMaster数据集作为测试对象，其中Kodak数据集中共有24张图片，图片为png格式，图片的尺寸为512*768或768*512。McMaster数据集中共有18张图片，图片为tif格式，图片的尺寸为500*500。两个数据集所含图片具有不同特点，有的图片具有平整的区块、清晰细致的纹路、渐渐变化的光影、颜色的深浅层次等；有的图片具有尖锐的轮廓、亮暗分明；有的图片具有区域连续的像素值，平滑的边缘等特性。相比Kodak数据集，McMaster数据集所含图片具有更小的光谱相关性、更高的颜色饱和度和较大的色阶。日常生活中的各类图片具有这些特性，因此采用这两个数据集作为测试对象可以使得实验结果有推广性。
本实例采用通用的图像质量评价指标，包括峰值信噪比（PSNR），结构相似性（SSIM），特征相似性（FSIM）和梯度幅相似性偏差（GMSD）。其中PSNR、SSIM、FSIM的值越大，代表图像的质量越好，图像的视觉质量越好，GMSD的值越小，代表图像失真越小。
实施例1
本实施例提供一种基于图像压缩技术和数字水印技术的彩色图-灰度图-彩色图转换方法，数字水印技术采用大容量的LSB数字水印技术，包括下述步骤：
如图1所示，彩色图像转换灰度图像编码过程：
a)读取原始彩色图像I，计算I的尺寸得到M*N*C；计算用二进制表示数值M*N*C*8所需最小位数w，其中，M*N*C代表图像一共有多少个像素，每个像素用8位二进制数来表示，M*N*C*8是计算彩色图像的数据量，w用于后续以w位的二进制码流记录压缩后色度平面的大小；
b)将原始彩色图像I进行RGB到Ycbcr的颜色空间转换，亮度平面Y和色度平面cb、cr得以单独进行处理；
RGB到Ycbcr的颜色空间转换具体如下：
Figure 694167DEST_PATH_IMAGE014
其中，R、G、B为原始彩色图像RGB三通道，Y、cb、cr为颜色空间转换后得到的亮度平面Y，色度平面cb和色度平面cr。
c)对色度平面cb、cr分别进行16倍的JPEG2000或JPEG压缩，得到压缩后的色度平面cb_jp2和cr_jp2；
d)以二进制的方式读入压缩后的色度平面cb_jp2和cr_jp2，并分别计算压缩后的色度平面cb_jp2和cr_jp2的图像大小，即其对应的二进制码流的长度，得到d1和d2，用w位的二进制数w1，w2分别表示d1和d2，用于记录cb_jp2和cr_jp2的图像大小；w1和w2作为嵌入信息的第一部分watermark1（用于记录颜色信息的二进制码流长度），压缩后的色度平面cb_jp2和cr_jp2作为嵌入信息的第二部分watermark2（作为颜色信息），用于后续恢复彩色图像；
e)把watermark1和watermark2以LSB数字水印技术嵌入到亮度平面Y中，嵌入时，亮度平面前2*w个像素用于嵌入watermark1，得到嵌入信息的灰度图像
Figure 554152DEST_PATH_IMAGE015
，完成彩色图像到灰度图像的转换。
LSB数字水印技术嵌入的具体公式如下：
Figure 450563DEST_PATH_IMAGE002
其中x是原始亮度平面Y的像素值，info是嵌入信息第一部分watermark1和嵌入信息第二部分watermark2，
Figure 308798DEST_PATH_IMAGE010
是嵌入信息后亮度平面
Figure 530832DEST_PATH_IMAGE015
的像素值，
如图2所示，灰度图像重构彩色图像解码过程：
f)读取嵌入信息的灰度图像
Figure 881042DEST_PATH_IMAGE016
，用LSB数字水印技术提取出两个色度平面的图像大小w1和w2（亮度平面前2*w个像素用于嵌入watermark1，可先提取出来），并转换成十进制数d1和d2；
LSB技术提取的具体公式如下：
Figure 581145DEST_PATH_IMAGE003
g)根据d1和d2（有了d1和d2才知道两个色度平面的二进制码流长度，进而知道信息提取到哪一位像素为止）提取出颜色信息watermark2。提取出来的颜色信息是二进制的码流，这个二进制的码流记录着色度平面的信息，根据这个二进制码流即可恢复色度平面cb_jp2和cr_jp2；
h)得到亮度平面
Figure 700410DEST_PATH_IMAGE016
（即上述嵌入信息的灰度图像
Figure 562187DEST_PATH_IMAGE016
）、色度平面cb_jp2和色度平面cr_jp2，进行Ycbcr到RGB的颜色空间转换，重构出高质量的彩色图像I rec ，完成灰度图像到彩色图像的重构。
Ycbcr到RGB的颜色空间转换具体如下：
Figure 399693DEST_PATH_IMAGE017
其中，
Figure 900557DEST_PATH_IMAGE013
是亮度平面（即上述嵌入信息的灰度图像
Figure 874329DEST_PATH_IMAGE016
），cb_jp2和cr_jp2是压缩后的两个色度平面。本发明很好地结合了JPEG2000图像压缩技术和大容量LSB数字水印技术，由于JPEG2000是高效的图像压缩技术，在要求一定压缩率的情况下，原始图像的颜色信息能够更多地保留下来，使得cb_jp2和cr_jp2能够跟原始图像的色度平面尽可能地相近。并且，LSB数字水印技术是一种大容量的数字水印技术，能够嵌入足够多的颜色信息且最多只丢失最低位的信息，使得嵌入色度信息到灰度平面后仍能够得到高质量的灰度图像。基于LSB方法，
Figure 438166DEST_PATH_IMAGE013
能够跟原始彩色图像的亮度平面Y尽可能地相近。通过失真较小的
Figure 762968DEST_PATH_IMAGE013
、cb_jp2和cr_jp2便能够得到高质量的重构的彩色图像。
本实施例亮度平面跟色度平面是正交关系，亮度平面和色度平面可单独进行处理，亮度平面跟色度平面的改变不会相互影响。这种正交关系很好地保存了灰度平面，也使得对色度平面的有损压缩可以更加高效。
如下表1所示，得到基于JPEG2000图像压缩技术和LSB数字水印技术的彩色图-灰度图-彩色图转换方法在Kodak数据集和McMaster数据集上的测试结果，结果表明本实施例1在两个数据集上均能得到优异的结果。
表1 基于JPEG2000图像压缩技术和LSB数字水印技术的转换结果表
Figure 804873DEST_PATH_IMAGE018
如下表2所示，根据本实施例1的图像转换方法，得到基于JPEG2000图像压缩技术和LSB数字水印技术（LSB_CCPCI_JPEG2000）的彩色图-灰度图-彩色图转换方法的测试结果与现有先进算法的测试结果对比表。对于嵌入信息的灰度图像，本发明方法得到的灰度图像的PSNR值比现有先进算法能得到的最好效果还要高出约10dB，指标SSIM在kodak数据集的平均值能达到0.9991，指标GMSD平均值仅仅为0.005，也是目前方法的最佳效果。对于重构的彩色图像，本发明方法得到的重构的彩色图像的PSNR值比现有先进算法能得到的最好效果还要高出约11dB，对于指标FSIM也是目前最佳，均优于目前的先进算法，性能大大提升。
表2 实施例1图像转换方法与现有转换方法效果对比表
Figure 633152DEST_PATH_IMAGE019
如图4（a）-图4（d）所示，Queiorz的方法得到的灰度图像有严重的噪声，Chan等人的方法得到的灰度图像可以看到一些半色调伪影，人眼能感受到Chan的方法所得灰度图比原始灰度图像总体上偏亮，本发明的图像转换方法（LSB_CCPCI_JPEG2000）得到的灰度图像效果最佳。从数据上看，Queiorz的方法所得灰度图的PSNR为27.16dB，Chan的方法所得灰度图的PSNR为42.05dB，LSB_CWCI_JPEG20000所得灰度图的PSNR为51.23dB，本发明方法优于传统方法。
并且Queiorz的方法得到的重构的彩色图像的边缘也存在噪声，PSNR为39.43dB，Chan等人的方法重构的彩色图像有轻微的低频噪声，PSNR为36.61dB，本发明方法得到的重构的彩色图像的质量最佳，PSNR为49.81dB。
实施例2
本实施例提供一种基于图像压缩技术和可逆水印技术的彩色图-灰度图-彩色图转换方法，采用Vasiliy的基于预测误差扩展的大容量可逆水印技术，具体包括下述步骤：
a)读取原始彩色图像I，计算I的尺寸得到M*N*C；计算用二进制表示数值M*N*C*8所需最小位数w，w用于后续以w位的二进制码流记录压缩后色度平面的大小；
b)将原始彩色图像I进行RGB到Ycbcr的颜色空间转换，亮度平面Y和色度平面cb、cr得以单独进行处理；
RGB到Ycbcr的颜色空间转换具体如下：
Figure 226944DEST_PATH_IMAGE014
其中，R、G、B为原始彩色图像RGB三通道，Y、cb、cr为颜色空间转换后得到的亮度平面Y，色度平面cb和色度平面cr。
c)对色度平面cb、cr分别进行16倍的JPEG2000或JPEG压缩，得到压缩后的色度平面cb_jp2和cr_jp2；
d)以二进制的方式读入压缩后的色度平面cb_jp2和cr_jp2，并分别计算压缩后的色度平面cb_jp2和cr_jp2的大小，得到其对应的二进制码流的长度d1和d2，用w位的二进制数w1，w2分别表示d1和d2，用于记录cb_jp2和cr_jp2的大小，w1和w2作为嵌入信息的第一部分watermark1；压缩后的色度平面cb_jp2和cr_jp2的二进制码流作为嵌入信息的第二部分watermark2；
e)把watermark1（嵌入时，亮度平面前2*w个像素用于嵌入watermark1）和watermark2采用可逆水印技术嵌入到亮度平面Y中，得到嵌入信息的灰度图像
Figure 773463DEST_PATH_IMAGE015
，完成彩色图像到灰度图像的转换。
可逆水印嵌入的具体公式如下：
Figure 884639DEST_PATH_IMAGE005
Figure 830074DEST_PATH_IMAGE006
其中，
Figure 735713DEST_PATH_IMAGE010
是表示嵌入信息后亮度平面
Figure 503949DEST_PATH_IMAGE020
的像素值，x是原始亮度平面Y的像素值，info是需嵌入的信息watermark1和watermark2，
Figure 153236DEST_PATH_IMAGE021
是x周围4个像素（x1、x2、x3、x4）的预测值，如图3所示，标记为点的像素用于嵌入信息，标记为叉的像素用于做测试不嵌入信息。X是待嵌入信息的像素，X1、X2、X3、X4不嵌入信息，像素值不变。
灰度图像重构彩色图像解码过程：
f)读取嵌入信息的灰度图像
Figure 690527DEST_PATH_IMAGE020
，用可逆水印技术提取出两个色度平面的大小w1和w2（亮度平面前2*w个像素用于嵌入watermark1，可先提取出来），并转换成十进制数d1和d2；
可逆水印技术提取水印如下：
Figure 501489DEST_PATH_IMAGE022
，
Figure 22600DEST_PATH_IMAGE023
，
Figure 209999DEST_PATH_IMAGE024
，
因此，可以提取出嵌入信息info，并且恢复原始亮度平面的像素值x。
g)根据d1和d2（有了d1和d2才知道两个色度平面的二进制码流长度，进而知道信息提取到哪一位像素为止）提取出颜色信息watermark2，和无失真的亮度平面Y；
h)由二进制码流watermark2可恢复色度平面cb_jp2和cr_jp2；
i)结合无失真的亮度平面Y，色度平面cb_jp2和cr_jp2，进行Ycbcr到RGB的颜色空间转换，重构出高质量的彩色图像I rec ，完成灰度图像到彩色图像的重构。
Ycbcr到RGB的颜色空间转换具体如下：
Figure 992010DEST_PATH_IMAGE025
其中，Y是原始亮度平面（因为采用可逆水印技术，载体可无损恢复），cb_jp2和cr_jp2是压缩后的两个色度平面。
本实施例采用大容量可逆水印技术来结合JPEG2000图像压缩。由于可逆水印技术能够无损恢复亮度平面Y，因此，重构彩色图像时，亮度平面可以做到无失真，即通过Y、cb_jp2和cr_jp2可进一步提高重构的彩色图像的质量。
本实施例亮度平面跟色度平面是正交关系，亮度平面和色度平面可单独进行处理，亮度平面跟色度平面的改变不会相互影响。这种正交关系很好地保存了灰度平面，也使得对色度平面的有损压缩可以更加高效。
与之前的算法相比，因为传统的算法丢失了太多的信息，如基于边信息嵌入算法，只保留了四分之一的颜色信息，且亮度平面的高频信息也被丢弃，因此其得到的灰度图像和重构的彩色图像都出现模糊的现象，得到的图像质量不佳。如基于矢量量化算法，只生成一个调色板，受限于灰度图像只有256个灰度级，相当于仅保留256种亮度和256种色度，其重构的彩色图像存在颜色偏移和假轮廓的问题。而对于本发明方法，对色度平面做16倍的压缩（压缩16倍是保证压缩后的颜色信息的大小可嵌入灰度图像的最低位），颜色信息可保留三分之一以上，若采用LSB水印技术亮度信息只丢失最低位，若采用可逆水印技术，亮度信息可完全保留。因此，本发明方法能够得到高质量的灰度图和高质量的彩色图，具有很好的实际应用场景。
如下表3所示，采用相同的图片作为测试对象作对比，得到基于LSB水印技术和JPEG2000图像压缩技术（LSB_CCPCI_JPEG2000）的彩色图-灰度图-彩色图转换方法的测试结果和基于可逆水印技术和JPEG2000图像压缩技术（RW_CWCI_JPEG2000）的彩色图-灰度图-彩色图转换方法的测试结果对比表；
表3 实施例2图像转换方法的效果与实施例1对比表
Figure 236522DEST_PATH_IMAGE026
在本实例中，采用Kodak数据集中可嵌入的图片作为测试对象。由于可逆水印技术能够无损恢复载体，得到原始无失真的亮度平面，因此基于可逆水印技术的彩色图-灰度图-彩色图转换方法能够得到图像质量更好的重构的彩色图像。
本实施例采用可逆水印技术进行嵌入，与实施例1采用LSB水印技术进行嵌入，对相同的图片进行转换，两种技术都能够正确无误地提取出嵌入信息，即提取得到的色度平面的大小、提取出颜色信息是一样的，无差别，但最终得到的嵌入信息的灰度图像是有差别的。采用LSB水印技术在恢复彩色图像阶段不可以得到无失真的亮度平面，但采用可逆水印技术在恢复彩色图像阶段能够得到无失真的亮度平面，进而能够得到质量更佳的重构的彩色图像。
实施例3
一种彩色图-灰度图-彩色图转换***，包括：彩色图像转换灰度图像编码模块和灰度图像重构彩色图像解码模块；
在本实施例中，彩色图像转换灰度图像编码模块包括：原始彩色图像数据量计算模块、颜色空间转换模块、色度平面压缩模块、图像大小计算模块和信息嵌入模块；
在本实施例中，灰度图像重构彩色图像解码模块包括：色度平面图像大小提取模块、颜色信息提取模块和重构模块；
在本实施例中，原始彩色图像数据量计算模块用于读取原始彩色图像，计算原始彩色图像的数据量得到M*N*C*8，计算用二进制表示数值M*N*C*8所需最小位数w，用于后续以w位的二进制码流记录压缩后色度平面的大小；
在本实施例中，颜色空间转换模块用于将原始彩色图像进行RGB到Ycbcr的颜色空间转换，得到亮度平面、色度平面cb和色度平面cr；
在本实施例中，色度平面压缩模块用于对色度平面cb、色度平面cr分别进行压缩，得到压缩后的色度平面cb_jp2和色度平面cr_jp2；
在本实施例中，图像大小计算模块用于读入压缩后的色度平面cb_jp2和色度平面cr_jp2，并分别计算压缩后的色度平面cb_jp2和色度平面cr_jp2的图像大小，即其对应的二进制码流长度，得到d1和d2，采用w位的二进制数w1、w2分别表示d1和d2，用于记录色度平面cb_jp2和色度平面cr_jp2的大小，w1和w2作为嵌入信息的第一部分watermark1，压缩后的色度平面cb_jp2和cr_jp2的二进制码流是颜色信息，作为嵌入信息的第二部分watermark2；
在本实施例中，信息嵌入模块用于将嵌入信息的第一部分watermark1和嵌入信息的第二部分watermark2以数字水印技术嵌入到亮度平面中，得到嵌入信息的灰度图像；
在本实施例中，色度平面图像大小提取模块用于读取嵌入信息的灰度图像，采用数字水印技术提取出嵌入信息的第一部分watermark1，即w1和w2，并转换成十进制数d1和d2；
在本实施例中，颜色信息提取模块用于根据d1和d2提取出颜色信息的二进制码流watermark2，并根据颜色信息恢复色度平面cb_jp2和色度平面cr_jp2；
在本实施例中，重构模块用于将亮度平面、色度平面cb_jp2和cr_jp2进行Ycbcr到RGB的颜色空间转换，重构出彩色图像。
实施例4
本实施例提供一种存储介质，存储介质可以是ROM、RAM、磁盘、光盘等储存介质，该存储介质存储有一个或多个程序，所述程序被处理器执行时，实现实施例1的彩色图-灰度图-彩色图转换方法。
实施例5
本实施例提供一种计算设备，所述的计算设备可以是台式电脑、笔记本电脑、智能手机、PDA手持终端、平板电脑或其他具有显示功能的终端设备，该计算设备包括该计算设备包括处理器和存储器，存储器存储有一个或多个程序，处理器执行存储器存储的程序时，实现实施例1的彩色图-灰度图-彩色图转换方法。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种彩色图-灰度图-彩色图转换方法，其特征在于，包括下述步骤：
彩色图像转换灰度图像编码过程：
读取原始彩色图像，计算原始彩色图像的数据量得到M*N*C*8，计算用二进制表示数值M*N*C*8所需最小位数w，用于后续以w位的二进制码流记录压缩后色度平面的大小；
将原始彩色图像进行RGB到Ycbcr的颜色空间转换，得到亮度平面、色度平面cb和色度平面cr；
对色度平面cb、色度平面cr分别进行压缩，得到压缩后的色度平面cb_jp2和色度平面cr_jp2；
读入压缩后的色度平面cb_jp2和cr_jp2，并分别计算压缩后的色度平面cb_jp2和色度平面cr_jp2的图像大小，即其对应的二进制码流的长度，得到d1和d2，用w位的二进制数w1、w2分别表示d1和d2，用于记录色度平面cb_jp2和色度平面cr_jp2的大小，w1和w2作为嵌入信息的第一部分watermark1，压缩后的色度平面cb_jp2和cr_jp2的二进制码流作为嵌入信息的第二部分watermark2；
将嵌入信息的第一部分watermark1和嵌入信息的第二部分watermark2以数字水印技术嵌入到亮度平面中，嵌入时，亮度平面前2*w个像素固定用于嵌入watermark1，得到嵌入信息的灰度图像，完成彩色图像到灰度图像的转换；
灰度图像重构彩色图像解码过程：
读取嵌入信息的灰度图像，采用数字水印技术提取出嵌入信息的第一部分watermark1，即提取出两个色度平面的图像大小w1和w2，并转换成十进制数d1和d2；
根据十进制数d1和d2，采用数字水印技术提取出嵌入信息的第二部分watermark2，根据嵌入信息的第二部分watermark2的二进制码流恢复色度平面cb_jp2和色度平面cr_jp2；
将亮度平面、色度平面cb_jp2和色度平面cr_jp2进行Ycbcr到RGB的颜色空间转换，重构出彩色图像，完成灰度图像到彩色图像的重构。
2.根据权利要求1所述的彩色图-灰度图-彩色图转换方法，其特征在于，所述将原始彩色图像进行RGB到Ycbcr的颜色空间转换，具体表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中，R、G、B为原始彩色图像RGB三通道，Y、cb、cr为颜色空间转换后得到的亮度平面Y，色度平面cb和色度平面cr。
3.根据权利要求1所述的彩色图-灰度图-彩色图转换方法，其特征在于，所述对色度平面cb、色度平面cr分别进行压缩，具体采用16倍的JPEG2000或JPEG压缩。
4.根据权利要求1所述的彩色图-灰度图-彩色图转换方法，其特征在于，所述将嵌入信息的第一部分watermark1和嵌入信息的第二部分watermark2以数字水印技术嵌入到亮度平面中，采用LSB数字水印技术进行信息嵌入，具体表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
所述采用数字水印技术提取出嵌入信息的第一部分watermark1和所述采用数字水印技术提取出嵌入信息的第二部分watermark2，采用LSB数字水印技术进行信息提取，具体表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
其中，x表示原始亮度平面的像素值，info表示嵌入信息第一部分watermark1和嵌入信息第二部分watermark2，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
表示嵌入信息后亮度平面的像素值。
5.根据权利要求1所述的彩色图-灰度图-彩色图转换方法，其特征在于，所述将嵌入信息的第一部分watermark1和嵌入信息的第二部分watermark2以数字水印技术嵌入到亮度平面中，采用基于预测误差扩展的可逆水印技术进行信息嵌入，具体表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
Figure DEST_PATH_IMAGE012
所述采用数字水印技术提取出嵌入信息的第一部分watermark1和所述采用数字水印技术提取出嵌入信息的第二部分watermark2，采用基于预测误差扩展的可逆水印技术进行信息提取，具体表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE014
Figure DEST_PATH_IMAGE016
Figure DEST_PATH_IMAGE018
其中，
Figure 199368DEST_PATH_IMAGE008
表示嵌入信息后亮度平面的像素值，x表示原始亮度平面的像素值，info表示嵌入信息的第一部分watermark1和嵌入信息的第二部分watermark2，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
表示x相邻4个像素x1、x2、x3、x4的预测值。
6.根据权利要求1所述的彩色图-灰度图-彩色图转换方法，其特征在于，所述读入压缩后的色度平面cb_jp2和cr_jp2，具体采用二进制的方式读入，压缩后的色度平面cb_jp2和cr_jp2表示为二进制码流，用于储存色度平面的信息。
7.根据权利要求1所述的彩色图-灰度图-彩色图转换方法，其特征在于，所述将亮度平面、色度平面cb_jp2和色度平面cr_jp2进行Ycbcr到RGB的颜色空间转换，重构出彩色图像，具体表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE022
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE024
是亮度平面，cb_jp2和cr_jp2表示压缩后的两个色度平面。
8.一种彩色图-灰度图-彩色图转换***，其特征在于，包括：彩色图像转换灰度图像编码模块和灰度图像重构彩色图像解码模块；
所述彩色图像转换灰度图像编码模块包括：原始彩色图像数据量计算模块、颜色空间转换模块、色度平面压缩模块、图像大小计算模块和信息嵌入模块；
所述灰度图像重构彩色图像解码模块包括：色度平面图像大小提取模块、颜色信息提取模块和重构模块；
所述原始彩色图像数据量计算模块用于读取原始彩色图像，计算原始彩色图像的数据量得到M*N*C*8，计算用二进制表示数值M*N*C*8所需最小位数w，用于后续以w位的二进制码流记录压缩后色度平面的大小；
所述颜色空间转换模块用于将原始彩色图像进行RGB到Ycbcr的颜色空间转换，得到亮度平面、色度平面cb和色度平面cr；
所述色度平面压缩模块用于对色度平面cb、色度平面cr分别进行压缩，得到压缩后的色度平面cb_jp2和色度平面cr_jp2；
所述图像大小计算模块用于读入压缩后的色度平面cb_jp2和cr_jp2，并分别计算压缩后的色度平面cb_jp2和色度平面cr_jp2的图像大小，即其对应的二进制码流长度，得到d1和d2，采用w位的二进制数w1、w2分别表示d1和d2，用于记录色度平面cb_jp2和色度平面cr_jp2的大小，w1和w2作为嵌入信息的第一部分watermark1，压缩后的色度平面cb_jp2和cr_jp2的二进制码流是颜色信息，作为嵌入信息的第二部分watermark2；
所述信息嵌入模块用于将嵌入信息的第一部分watermark1和嵌入信息的第二部分watermark2以数字水印技术嵌入到亮度平面中，得到嵌入信息的灰度图像；
所述色度平面图像大小提取模块用于读取嵌入信息的灰度图像，采用数字水印技术提取出嵌入信息的第一部分watermark1，即w1和w2，并转换成十进制数d1和d2；
所述颜色信息提取模块用于根据d1和d2提取出颜色信息的二进制码流watermark2，并根据颜色信息恢复色度平面cb_jp2和色度平面cr_jp2；
所述重构模块用于将亮度平面、色度平面cb_jp2和cr_jp2进行Ycbcr到RGB的颜色空间转换，重构出彩色图像。
9.一种存储介质，存储有程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任一项所述彩色图-灰度图-彩色图转换方法。
10.一种计算设备，包括处理器和用于存储处理器可执行程序的存储器，其特征在于，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现如权利要求1-7任一项所述彩色图-灰度图-彩色图转换方法。
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