基于压缩感知和正交调制实现多图像在QR码中的隐藏制造技术

本发明专利技术公开了一种基于压缩感知和正交调制实现多图像在QR码中隐藏的方法，属于光学图像隐藏和加密领域。本发明专利技术主要是利用压缩感知和正交调制技术，得到多幅图像以十进制数表示的总测量值，并以QR码的形式保存；在解码时，用手机等光电器件对QR码进行扫码，重新获得总测量值，然后根据需要实现整幅图像的分块重建或者多幅图像中的部分重建。从光学加密角度来看，本发明专利技术的压缩感知和正交调制过程也可被视为两个安全层级，必须在两个层级完全正确才可能获取重建图像，因而有良好的加密性能。

【技术实现步骤摘要】
基于压缩感知和正交调制实现多图像在QR码中的隐藏
本专利技术属于光学图像隐藏和加密领域，具体说是一种基于QR码的图像隐藏方法。
技术介绍
随着信息时代的发展，信息的处理能力以及安全性变得越来越重要，如何处理海量数据以及如何防止数据被未经授权的用户获取是现代社会需要关注的问题，因而各种压缩技术以及光学加密技术得到了广泛的关注。QR码，即快速响应矩阵码(Quickresponsecode)，是日本Denso公司在1994年9月研究开发的一种矩阵式二维条码，现已广泛地应用于实时数据的处理和光学加密等领域。得益于智能手机的广泛普及，QR码在制造、销售、物流、存储、运输和消费产品等领域逐渐具有更加广阔的应用前景。不过，尽管它具有强大的容错和纠错能力，但是仍然面临一些限制和挑战。根据QR码的编码标准，它仅能对四种类型的数据进行编码转换(即数字模式、字母数字模式、字节模式和汉字字符)，而图像信息由于数据量太大，通常不适宜直接转换为QR码，只有那些极为简单、数据量很小的图像才有可能。因此，要实现图像信息在QR码中的存储，首先需要减少图像的数据量。2006年，Donoho提出了压缩感知的理论(DonohoDL.Compressedsensing[J].IEEETransactiononInformationTheory.2006,52(4):1289-1306.)，以压缩感知(或称直接感知)的方式去掉了冗余数据后的信息，实现了边采集边压缩的过程。通过一组随机的部分采样像素就可重建出原始图像，也就是说利用较少的重要数据即可恢复出原始信号。到目前为止，压缩感知理论最重要的应用是美国Rice大学研究出的单像素相机，利用数字微镜阵列(DMD)进行线性采样测量，得到测量值向量，然后进行精确重构。图1为Rice大学研究出的单像素相机原理图。该成像系统可以分为三个模块：光路调制模块，数据采集模块，图像重构模块。该系统属于被动型成像系统，存在一些局限性，其重构图像的分辨率是由测量矩阵进行设定，但由于DMD的排列模式是有限的，因此只能进行有限分辨率图像的重建。为了能够增加图像重建分辨率的灵活性，并适应主动型成像系统的需要，可以采用液晶投影仪将生成的随机测量图片投射到物体上的方式，来代替上述DMD的功能，实现动态照明的单像素成像。将按照一定概率分布随机生成的一幅幅图片，通过投影仪依次投射在被测物体上，然后用单像素光电探测器进行数据接收及采样，这就是对单幅图像进行压缩采集的过程。
技术实现思路
本专利技术针对多幅图像，通过对多幅图像的采样值分别进行正交调制，然后相加得到总的测量值数据，再编码转换为QR码的方法，实现多幅图像在QR码中的隐藏。本专利技术在单幅图像的压缩感知、采集重建基础上有如下创新：首先，尽管QR码的数据容量并没有增加，但由于压缩感知的应用，使QR码以同样的容量隐藏了更多的信息，即增加了存储在QR码中的信息量，为将图像转换为QR码创造了条件；其次，该专利技术可满足主动成像系统的要求，通过设置随机测量矩阵的大小，可以很容易地改变重构图像的分辨率，从而实现多分辨率图像的重构；此外，由于正交调制原理的应用，可实现在记录的多幅图像中仅重建部分图像，或者在巨大的图像中仅提取所需要的部分信息，增大了数据重建的灵活性，并降低了重建的运算量；最后，该专利技术还具有较好的数据保密性，因为从加密角度来看，本专利技术的压缩感知和正交调制过程，可以被视为是两个安全层级，必须在两个层级完全正确才可能获取重建图像；本专利技术在生活中有广泛应用潜力，例如单位或个人多种信息集中管理等。图2为本专利技术的结构原理图，其目标是实现对较大的整幅图像进行分块存储和重建或者从存储的多幅图像中恢复重建其中一幅图像。以整幅图像分块重建为例，其基本工作流程是首先将原图像进行均匀分块，并分别进行测量处理，相当于对多幅图像的压缩感知数据采集；然后将正交基矩阵分别乘以每个分块图像的采样值，并相加得到经过正交调制后的总测量值；再用QR码编译器将总测量值编码转换为QR码。当需要重建某分块信息时，用普通的二维码光电扫描器件(如手机)对QR码进行扫码重新得到总测量值，再乘以与待恢复部分相应正交基矩阵的转置，便可提取出需要恢复的图像数据。本专利技术所述的基于压缩感知和正交调制实现多图像在QR码中隐藏的方法，包括以下步骤：1)将待处理的整幅图像均匀分块并依次放置于第一透镜后方，将由测量矩阵生成的随机图片送入液晶投影仪后投射出来，投射光场经第一透镜汇聚到分块图像上；从分块图像透射出来的光再由第二透镜收集，并聚焦到硅光探测器上；探测器响应的电信号经数据采集器获得数据，然后转换为数字量并保存在计算机中。投影仪每输出一幅投影图片，数据采集器记录一个与透射总光强相应的电信号量，对于每一个分块图像来说，投影M次后可得到M×1维的测量值y，M的大小是由设定的采样率决定；只要一个分块图像完成测量采样，另一个分块图像则重复该过程，直到所有分块图像完成测量采集过程；2)对这些测量结果分别进行正交调制，将正交基矩阵与每一个块图像对应的测量结果相乘，即可得到对应的经正交调制后的测量数据；然后将各分块图像测量数据求和得到总的测量值数据；最后将总测量值数据编码转换为QR码，实现多图像在二维码中的隐藏；3)假如需要重建整幅图像中的部分图像信息，则用光电器件扫码解码QR码重新得到总的测量值数据，然后用与该部分对应的正交基矩阵的转置乘以采集到的测量值y，即可提取出该部分图像相应的数据，然后再用重建算法从提取出的数据中恢复出该部分图像。其中，上述步骤1)的具体实现过程如下：1a)按照需要对整幅图像进行均匀分块，如果是多幅图像，则将所有图像尺寸按最大者通过补零值像素的方式扩展成一致。如图2所示，假设整幅图像被均匀分为m块(X1,X2,...,Xm)，它们也可被认为是m幅不同的独立图像，按顺序依次放置于第一透镜后进行各测量步骤。如果需要对重建的部分图像按照N＝n×n的分辨率进行恢复，则每个分块图像的采样次数为(即测量值y的数量)M＝N×采样率％。根据压缩感知原理，每个分块图像的测量值可表示为y＝ΦM×NXN×1，其中Φ为随机生成的、大小为M×N的测量矩阵，且图像X还需要经过适当变换的稀疏矩阵进行稀疏。按照受限等距性(RIP)性质和准确重构原理(ERP)可知，要能够从压缩采样中提取有用信息，需要满足测量矩阵和稀疏矩阵不相关条件。1b)由于整幅图像被均匀分为了m块，因此也需要对应生成m个大小为M×N的随机测量矩阵(Φ1,Φ2,...,Φm)(1)，分别对应一个分块图像。用每个随机测量矩阵的每一行生成一幅随机图片，这样由m个测量矩阵生成一组随机图片送入液晶投影仪(2)后投射出来，投射光场经第一透镜(3)汇聚到分块图像(4)上；从分块图像(4)透射出来的光再由第二透镜(5)收集并聚焦到硅光探测器(6)上；探测器响应的电信号经数据采集器(7)采集数据，然后转换为数字量并保存在计算机中。投影仪每输出一幅投影图片，数据采集器记录一个与透射总光强相应的电信号量。对于每一个分块图像来说，投影M次后可得到M×1维的测量值y。1c)当一个分块图像完成测量采样，另一个分块图像替换它并重复以上过程，直至所有分块图像完成测量采样。不难知道，在所有测量完成后，我们可以得到一组测量结果(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于压缩感知和正交调制技术实现多幅图像在QR码中隐藏的方法，其特征在于：将多幅图像经过测量采集得到一组十进制数，并转换为QR码形式保存；在解码时，采用手机等光电器件对QR码进行扫码，就可重新获取多幅图像的总测量值，然后可根据需要对其中部分图像进行单独重建；无需对所有数据进行运算重建，运算量大大减少；从光学加密角度来看，这种方法的压缩感知和正交调制过程可以被视为是两个安全层级，仅当测量矩阵和正交基矩阵都正确匹配时才能正确重建所需图像，因而有良好的加密性能。

【技术特征摘要】
1.一种基于压缩感知和正交调制技术实现多幅图像在QR码中隐藏的方法，其特征在于：将多幅图像经过测量采集得到一组十进制数，并转换为QR码形式保存；在解码时，采用手机等光电器件对QR码进行扫码，就可重新获取多幅图像的总测量值，然后可根据需要对其中部分图像进行单独重建；无需对所有数据进行运算重建，运算量大大减少；从光学加密角度来看，这种方法的压缩感知和正交调制过程可以被视为是两个安全层级，仅当测量矩阵和正交基矩阵都正确匹配时才能正确重建所需图像，因而有良好的加密性能。2.根据权利要求1所述的一种基于压缩感知和正交调制技术实现多幅图像在QR码中隐藏的方法，其特征在于包含以下数据采集阶段，QR编码保存阶段和数据提取重建阶段三个步骤：1)数据采集阶段：1a)按照需要对整幅图像进行均匀分块，如果是多幅图像，则将所有图像尺寸按最大者通过补零值像素的方式扩展成一致；假设整幅图像被均匀分为m块(X1,X2,...,Xm)，它们也可被认为是m幅不同的独立图像，按顺序依次放置于第一透镜后进行各测量步骤；如果需要对重建的部分图像按照N＝n×n的分辨率进行恢复，则每个块图像的采样次数为(即测量值y的数量)M＝N×采样率％；根据压缩感知原理，每个块图像的测量值可表示为y＝ΦM×NXN×1，其中Φ为随机生成的、大小为M×N的测量矩阵，且图像X还需要经过适当变换的稀疏矩阵进行稀疏；1b)根据整幅图像被均匀分为了m块，对应生成m个大小为M×N的随机测量矩阵(Φ1,Φ2,...,Φm)(1)，分别对应一个分块图像；用每个测量矩阵的每一行生成一幅随机图片，这样m个测量矩阵生成一组随机图片送入液晶投影仪(2)后投射出来，投射光场经第一透镜(3)汇聚到分块图像(4)上；从分块图像(4)透射出来的光再由第二透镜(5)收集，并聚焦到硅光探测器(6)上；探测器响应的电信号经数据采集器(7)采集数据，然后转换为数字量并保存在计算机中；投影仪每输出一幅投影图片，数据采集...

【专利技术属性】
技术研发人员：周昕，周媛媛，张罗致，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川,51