信息隱藏技術(shù)-2圖像載體基本知識教材

2、圖像載體基本知識熊利平北理珠計算機(jī)學(xué)院2017-2-23本章提要圖像、數(shù)字圖像圖像的基本類型圖像類型的相互轉(zhuǎn)化數(shù)字圖像的基本文件格式圖像存儲方式和圖像文件格式的相互轉(zhuǎn)換其他的顏色模型圖像信息隱藏算法中重要的一種載體。只有了解了載體本身的特點，才能進(jìn)一步學(xué)習(xí)和運(yùn)用具體的隱藏算法。圖像：用各種觀測系統(tǒng)以不同形式和手段觀測客觀世界而獲得的，可以直接或間接作用于人眼而產(chǎn)生視知覺的實體。模擬圖像和數(shù)字圖像圖像表示二維平面圖像：二維函數(shù)I=f(x,y)，其中，x,y是空間坐標(biāo)，f(x,y)是點（x,y）的幅值，f表示相應(yīng)實際物體在該點某個性質(zhì)的度量值，所有點的度量值的有序集合構(gòu)成圖像I。1、灰度圖像是一個二維灰度（或亮度）函數(shù)f(x,y)，灰度值，即相應(yīng)物體在每個坐標(biāo)點的明暗程度。

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2、連續(xù)的：照片、繪畫（模擬圖像）

x數(shù)字圖像模擬圖像離散化：f,x,y從實數(shù)域映射到整數(shù)域。離散化的方法：從水平和豎直兩個方向上同時進(jìn)行采樣；采樣點即像素（pixel）。二維矩陣來表示數(shù)字圖像，矩陣的各個元素代表一個像素的色彩信息。隱藏載體涉及的圖像是數(shù)字圖像。像素數(shù)字圖像由二維的元素組成，每一個元素具有一個特定的位置（x,y）和幅值f(x,y)，這些元素就稱為像素

xyyx圖像采樣圖像空間坐標(biāo)(x,y)的數(shù)字化被稱為圖像采樣確定水平和垂直方向上的像素個數(shù)N、M。圖像的采樣與數(shù)字圖像的質(zhì)量圖像的采樣與數(shù)字圖像的質(zhì)量圖像的采樣與數(shù)字圖像的質(zhì)量（a）（b）（c）（d）（e）（f）空間分辨率變化對圖像視覺效果的影響示例圖像的采樣與數(shù)字圖像的質(zhì)量圖像的量化與數(shù)字圖像的質(zhì)量（a）（b）（c）（d）（e）（f）灰度分辨率變化對圖像視覺效果的影響示例

圖像的量化與數(shù)字圖像的質(zhì)量圖形圖像文件分類位圖（Bitmap）矢量圖（Vector）位圖文件是目前最常用的圖像表示方法點陣形式描述圖形圖像。在有足夠文件量下，能真實反映圖像的層次、色彩。文件體積較大，放大圖像過程中，圖像會變模糊而失真。位圖的映射存儲模式是將圖像的每一個像素點轉(zhuǎn)化為一個數(shù)據(jù)，并存放在以字節(jié)為單位的二維矩陣中。位圖單色圖像一個字節(jié)可以存放8個像素點的圖像數(shù)據(jù)。16色圖像每兩個像素點用一個字節(jié)存儲。256色圖像每一個像素點用一個字節(jié)存儲。......精確描述各種不同顏色模型的圖像畫面，它更適合內(nèi)容復(fù)雜的圖像和真實的照片。----符合信息隱藏技術(shù)中的載體的基本要求。矢量（Vector）文件以數(shù)學(xué)方法描述的一種由幾何元素組成的圖形圖像。文件量小，任意縮放不會改變圖像質(zhì)量。矢量圖像（圖形）是用一系列的線和形描述圖像，也可能使用實心的或者有等級深淺的色彩填充一些區(qū)域。矢量格式適用于線型圖，如計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）的圖形和圖像，它們只有簡單的形狀、灰度和顏色。矢量圖矢量文件只存儲圖像內(nèi)容的輪廓部分,而不存儲圖像數(shù)據(jù)的每一點。如,對于一個圓形圖案,只要存儲圓心的坐標(biāo)位置和半徑長度,以及圓形邊線和內(nèi)部的顏色即可。該存儲方式的缺點是經(jīng)常耗費(fèi)大量的時間做一些復(fù)雜的分析演算工作但圖像的縮放不會影響顯示精度,即圖像不會失真,而且圖像的存儲空間較位圖文件要少得多。所以,向量處理比較適合存儲各種圖表和工程設(shè)計圖。RGB顏色模型色彩是圖像的重要元素紅、綠、藍(lán)（RGB）光學(xué)三顏色紅+綠+藍(lán)--->白色，紅+綠--->黃色用一個由R,G,B為坐標(biāo)軸定義的單位立方體來描述這樣一個符合視覺理論的顏色模型。RGB顏色模型坐標(biāo)原點代表黑色,(1,1,1)代表白色,坐標(biāo)軸上的頂點稱為基色(PrimitiveColour)點。立方體中的每一種顏色由一個三元組(R,G,B)表示,每一個分量的數(shù)值均在[0,1]區(qū)間。位圖中調(diào)色板位圖中顏色如何在矩陣中體現(xiàn)的呢？調(diào)色板調(diào)色板是包含不同顏色的顏色表,每種顏色以紅、綠、藍(lán)三種顏色的組合來表示,圖像的每一個像素對應(yīng)一個數(shù)字,而該數(shù)字對應(yīng)調(diào)色板中的一種顏色。如某像素3值為1,則表示該顏色為調(diào)色板的編號為1的顏色。調(diào)色板的單元個數(shù)是與圖像的顏色數(shù)相一致的,256色圖像的調(diào)色板就有256個單元。所謂16色或256色圖像,只是表示該幅圖像最多只能有16種或256種顏色。不同的圖像有不同的調(diào)色板。位圖分類位圖精確描述各種不同顏色模型的圖像畫面，載體圖像對象基本上是位圖。位圖都可以看做一個二維數(shù)據(jù)矩陣,根據(jù)其圖像調(diào)色板的存在方式及矩陣數(shù)值與像素顏色之間的對應(yīng)關(guān)系。二值圖像、索引圖像、灰度圖像、RGB圖像二值圖像像素：0（黑）和1（白）二進(jìn)制圖像能夠使用無符號8位整型(uint8)或雙精度類型(double)的數(shù)組來存儲。在MATLAB圖像處理工具箱中,任何返回一幅二進(jìn)制圖像的函數(shù)都使用uint8邏輯數(shù)組存儲該圖像。索引圖像把像素值直接作為RGB調(diào)色板下標(biāo)的圖像一幅索引圖包含一個數(shù)據(jù)矩陣data和一個調(diào)色板矩陣map,數(shù)據(jù)矩陣可以是uint8,uint16或雙精度類型的,而調(diào)色板矩陣則總是一個m×3的雙精度類型矩陣(其中,m表示顏色數(shù)目),該矩陣的元素都是[0,1]范圍內(nèi)的浮點數(shù)。map矩陣的每一行指定一個顏色的紅、綠、藍(lán)顏色分量。索引圖像可以把像素值直接映射為調(diào)色板數(shù)值,每一個像素的顏色通過使用data的數(shù)值作為map的下標(biāo)來獲得:數(shù)值1表示map的第一行,數(shù)值2表示map的第二行,依此類推。MATLAB自帶的woman信號構(gòu)成的圖像的像素索引矩陣和調(diào)色板矩陣。woman圖像是一幅典型的索引圖像?；叶葓D像灰度圖像是包含灰度級(亮度)的圖像?；叶染褪俏覀兺ǔＵf的亮度。在MATLAB中,灰度圖像由一個uint8,uint16或雙精度類型的數(shù)組來描述?；叶葓D像實際上是一個數(shù)據(jù)矩陣I,該矩陣的每一個元素對應(yīng)于圖像的一個像素點,元素的數(shù)值代表一定范圍內(nèi)的灰度級,通常0代表黑色,1,255或65535(不同存儲類型)代表白色?；叶葓D象(128x128)及其對應(yīng)的數(shù)值矩陣（僅列出一部分(26x31)）灰度圖像描述示例RGB圖像RGB圖像僅是一類圖像的總稱。這類圖像不使用單獨(dú)的調(diào)色板,每一個像素的顏色由存儲在相應(yīng)位置的紅、綠、藍(lán)顏色分量共同決定。RGB圖像是24位圖像,紅、綠、藍(lán)分量分別占用8位,理論上可以包含16M種不同顏色,由于這種顏色精度能夠再現(xiàn)圖像的真實色彩,所以又稱RGB圖像為真彩圖像。在MATLAB中,一幅RGB圖像由一個uint8,uint16或雙精度類型的m×n×3數(shù)組(通常稱為RGB數(shù)組)來描述,其中,m和n分別表示圖像的寬度和高度。在一個雙精度類型的RGB數(shù)組中,每一個顏色分量都是一個[0,1]范圍內(nèi)的數(shù)值,顏色分量為(0,0,0)的像素將顯示為黑色,顏色分量為(1,1,1)的像素將顯示為白色。每一個像素三個顏色分量都存儲在數(shù)據(jù)數(shù)組的第三維中。例如,像素(10,5)的紅、綠、藍(lán)色分量都存儲在RGB(10,5,1),RGB(10,5,2),RGB(10,5,3)中。RGB圖像uint8RGB圖像通常，三元組的每個數(shù)值也是在0到255之間，0表示相應(yīng)的基色在該象素中沒有，而255則代表相應(yīng)的基色在該象素中取得最大值，這種情況下每個象素可用三個字節(jié)來表示。彩色圖象(128x128)及其對應(yīng)的數(shù)值矩陣（僅列出一部分(31x25)）圖像類型的轉(zhuǎn)換在變換域的數(shù)字水印算法中,對于索引圖像的載體必須將其先轉(zhuǎn)換為RGB圖像再加水印,否則將破壞載體。Matlab圖像轉(zhuǎn)換函數(shù)RGB圖像和索引圖像互轉(zhuǎn)數(shù)字圖像的基本文件格式圖像格式指的是存儲圖像采用的文件格式。不同操作系統(tǒng)、不同圖像處理系統(tǒng)所支持的圖像格式都有可能不同。BMP文件GIF文件、TIFF文件、PCX文件JPEG格式PSD格式、PCD格式PNG格式BMP文件MicrosoftWindows所定義的圖像文件格式。BMP圖像文件特點：①每個文件只能存放一幅非壓縮圖像。②只能存儲四種圖像數(shù)據(jù):單色、16色、256色、真彩色。③圖像數(shù)據(jù)有壓縮或不壓縮兩種處理方式。④BMP圖像文件的文件結(jié)構(gòu)可分為三部分:表頭、調(diào)色板和圖像數(shù)據(jù)。JPEG格式其正式名稱為“連續(xù)色調(diào)靜態(tài)圖像的數(shù)字壓縮和編碼”,是一種基于離散余弦變換(DCT)或離散小波。變換(DWT)的圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)。JPEG壓縮技術(shù)十分先進(jìn),它采用最少的磁盤空間來得到較好的圖像質(zhì)量。PNG格式PNG能存儲32色的位圖文件格式。用無損壓縮方式來減少文件的大小。目前,越來越多的軟件開始支持這一格式,在不久的將來,它可能會在整個Web流行。顯示速度很快,只需要下載1/64的圖像信息就可以顯示出低分辨率的預(yù)覽圖像。格式不支持動畫。圖像存儲方式和圖像文件格式的相互轉(zhuǎn)換MATLAB中最基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是數(shù)組(矩陣)。在MATLAB中,大多數(shù)圖像用二維數(shù)組(矩陣)存儲,矩陣中的一個元素對應(yīng)于要顯示圖像的一個像素。例如,一個由100行和200列的不同顏色的點組成的圖像可以用一個100×200的矩陣來存儲。在默認(rèn)的情況下,MATLAB將圖像中的數(shù)據(jù)存儲為雙精度型(double),即64位的浮點數(shù)。為了減少內(nèi)存需求,提高系統(tǒng)運(yùn)行速率,MATLAB還提供了兩個重要的數(shù)字類型uint8和uint16,用以支持8位和16位的無符號整數(shù)類型。即圖像矩陣中的每個數(shù)據(jù)占用一個和兩個字節(jié)。幾乎所有的MATLAB工具箱函數(shù)都可使用double作為參數(shù)類型。-運(yùn)算時不需要轉(zhuǎn)換MATLAB工具箱函數(shù)往往不支持uint8類型。uint8的優(yōu)勢僅僅在于節(jié)省存儲空間,在涉及運(yùn)算時要將其轉(zhuǎn)換成double型。在MATLAB中,數(shù)據(jù)矩陣中包含uint8數(shù)字類型的圖像稱為8位圖;同理,數(shù)據(jù)矩陣中包含uint16數(shù)字類型的圖像稱為16位圖。8位和16位RGB圖像8位RGB圖像的顏色數(shù)據(jù)是[0,255]之間的整數(shù),而不是[0,1]之間的浮點值。所以,在8位RGB圖像中,顏色值為(255,255,255)的像素顯示為白色。不管RGB圖像是何種類型,MATLAB都通過以下代碼來顯示,即:image(RGB)。將RGB圖像從雙精度的浮點類型轉(zhuǎn)換為uint8無符號整數(shù)類型時,首先要乘以255,即:RGB8=uint8(round(RGB64*255))。相反,如果將uint8無符號整數(shù)類型的RGB圖像轉(zhuǎn)換為雙精度的浮點類型時,首先要除以255,即:RGB64=double(RGB8)/255。HSV模型該模型經(jīng)常為藝術(shù)家所使用。這種格式反映了人類觀察色彩的方式，同時也有利于圖像處理。H,S,V分別指的是色調(diào)(彩)(hue)、色飽和度(saturation)和明度(value)。H分量表示顏色的種類,取值范圍為0°～360°,相應(yīng)的顏色從紅、黃、綠、藍(lán)綠、藍(lán)、紫到黑變化,且它的值由繞V軸的旋轉(zhuǎn)角決定,每一種顏色和它的補(bǔ)色之間相差180°。S分量的取值范圍也是0～1,表示所選色彩的純度與該色彩的最大純度的比例。HSV彩色空間

與RGB之間關(guān)系46YUV彩色空間一種彩色傳輸模型，主要用于彩色電視信號傳輸標(biāo)準(zhǔn)。Y－黑白亮度分量，U,V－彩色信息用以顯