一种彩色图-灰度图-彩色图转换方法转让专利
申请号 : CN202110355102.5
文献号 : CN112801922B
文献日 : 2021-07-27
发明人 : 项世军 , 梁巧仪
申请人 : 暨南大学
摘要 :
权利要求 :
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: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: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:
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, 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: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:
其中, 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, 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:
其中, 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‑彩色图转换系统,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。
说明书 :
一种彩色图‑灰度图‑彩色图转换方法
技术领域
背景技术
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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。
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;
嵌入信息的灰度图像,完成彩色图像到灰度图像的转换;
度平面cr_jp2;
具体表示为:
体表示为:
术进行信息嵌入,具体表示为:
进行信息提取,具体表示为:
像素x1、x2、x3、x4的预测值。
面的信息。
进制码流记录压缩后色度平面的大小;
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;
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。
决了传统方法中颜色信息丢失过多的问题。
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。
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。
场景。
附图说明
具体实施方式
不用于限定本发明。
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。
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。
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;
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;
到灰度图像的转换。
数d1和d2;
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;
像到彩色图像的重构。
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, 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 、cb_
jp2和cr_jp2便能够得到高质量的重构的彩色图像。
得对色度平面的有损压缩可以更加高效。
1在两个数据集上均能得到优异的结果。
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。
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。
构的彩色图像的质量最佳,PSNR为49.81dB。
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;
色图像到灰度图像的转换。
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。
d2;
jp2和cr_jp2可进一步提高重构的彩色图像的质量。
得对色度平面的有损压缩可以更加高效。
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。
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;
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。
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。
以w位的二进制码流记录压缩后色度平面的大小;
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;
d2;
图‑彩色图转换方法。
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。
均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。