基于机器视觉的数据安全传输方法与流程

本发明涉及计算机技术领域，尤其是一种基于机器视觉的数据安全传输方法。

背景技术：

现代通信的数据传输，从传输媒体介质上可以分为有线传输和无线传输，从传输方向上可以分为单向传输和双向传输。无论是利用有线的电缆、光缆的数据传输，还是无线的Wifi和移动通信基站的数据传输，都具有较高的隐蔽性。不为人眼、人耳所能够直接感知，同时也具有较高的传输速度，再加上需要信号握手等原因，也普遍采用的是双向通信方式。

其中的双向传输，导致了黑客攻击的可能。而高效方便的传输，又导致了数据泄密的高效和方便性。对于部分数据较为机密的政府、军队、商业公司核心数据网络，均采用了内网隔离的管理手段以阻止黑客从网络上发起的攻击。

同时，内外网的数据不可能丝毫不交流，处于内外网之间的业务部门，经常需要在内外网之间单向复制数据。目前常用的技术手段有两种：一种是刻录光盘，一种是采用特殊的U盘就行数据复制。前者产生了大量的耗材浪费，U因为会交叉插拔，也产生了病毒感染的可能。另外，还有若干安全网关等产品，理论上是实现了数据的安全传输，但毕竟有有线或者无线网络连接，使得有心做数据窃取和网络攻击的内部人员，总能做得比较隐蔽和方便。

技术实现要素：

本发明的目的是：提供了一种基于机器视觉的数据安全传输方法，它能够提高方便性不损失安全性，或者在略微损失安全性的前提下有效提高方便性，以克服现有技术不足。

本发明是这样实现的：基于机器视觉的数据安全传输装置，该装置包括发送端与接收端；发送端包括具有编码功能的发送处理器及具有图像展示功能的显示器；接收端包括具有图像采集功能的摄像头及具有数据解码的功能的接收处理器。

基于机器视觉的数据安全传输方法，包括如下步骤：

1)将待传输的数据进行编码，发送端通过发送处理器将待传输的数据编码为具有高信息密度的图像，所述的高信息密度是指相对于用图像传递信息的文本图像或者QR二维码图像而言，至少比这两者高5倍以上，将编码好的图像通过显示器进行显示；

2)接收端的摄像头采集发送端的显示器上所显示的图像信息并发送至接收处理器，接收处理器将采集的图像信息经过解码还原为原始数据。

将编码好的图像采用畸变矫正与白平衡处理。

所述的数据编码具体是：将数据编码为色块图像，色块图像中的每个颜色块对应了数据二进制流中的k个位；将图像文件切割为发送端显示屏的屏幕能够一次展示，接收端摄像头能够一帧捕获的大小，使其形成一帧以上连续图像。

在每个色块图像中还加入了4个尺度不变的图像特征点和一组红蓝绿黑白的5个白平衡及曝光度矫正色块，以便数据接收端准确把握数据的位置，和白平衡及曝光度矫正；具体包括消除畸变与消除色差和曝光不稳定的影响：

消除畸变：先利用图像快速模板匹配算法，得到采集图像中4个畸变矫正标记的位置，再利用四点求透视变换矩阵T，然后利用T的逆矩阵T^-1，和已知的发送端色块和畸变矫正点的相对位置关系，求出每个色块的位置；

消除色差和曝光不稳定的影响：利用5个白平衡及曝光度矫正色块，得到图像的对每种颜色的曝光范围，进行图像的实时曝光度矫正和白平衡矫正。

当收到一个文件的所有数据块以后，利用文件头信息中的文件校验信息，对文件进行校验，如果文件完整，则报告用户文件可用，否则请求用户重传此文件。

本发明对应数据的传输方向，本装置有两种传送模式：单向传输和双向传输。选用单向传输模式，可以减少一套显示器和摄像头的硬件连接，可以获得更高的数据安全性，但也牺牲一定便利性和传输速率。如果选用双向传输模式，内外网的数据仍然没有物理电缆的连接或者wifi数据的链接，仍然可以保证高度的安全性。

与现有的技术相比，本发明利用显示器、摄像头和机器视觉算法复合协同工作，实现了数据的有效及安全传输，相对于已有内部网络和公有网络的数据交换的软硬件解决方案，本发明能够提高方便性不损失安全性，或者在略微损失安全性的前提下有效提高方便性。与现有的QR二维码等二维码不同的是，1、显示载体不一样，本发明只能采用显示器作为显示载体，不印刷或打印。2、设计的应用场景不一样，本发明为安全传输数据而设计，对数据的传输率有一定要求，目前在自然工作环境下，可以达到每秒100KB以上，而二维码扫描器，对于含有二维码的视频，一般需要若干秒才能稳定识别出一组一般为十几到几十个字节的编码。3、技术手段上有若干不同，比如二维码的识别只采用了两种颜色，对彩色信息并不依赖，也不需要做相应的偏色矫正处理。本发明简单易行，成本低廉，使用效果好。

附图说明

附图1为本发明的原理图；

附图2为本发明的实施例中接收端摄像头捕获到的图像；

附图3为本发明的实施例中接收端畸变校正后的图像

附图4为本发明的定位标记及色差和曝光不稳定消除标记。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明，但不作为对本发明的任何限制

本发明的实施例：基于机器视觉的数据安全传输装置，该装置包括发送端与接收端；发送端包括具有编码功能的发送处理器及具有图像展示功能的显示器；接收端包括具有图像采集功能的摄像头及具有数据解码的功能的接收处理器。

基于机器视觉的数据安全传输方法，

数据发送端的流程和图像结构设计为：

1)数据文件载入。从存储器、网络中获取数据，文件大小不限制，也不必一次载入内存。

2)文件头信息编码。也就是用默认的编码方式告诉接收端：接下来将发送怎样属性的文件(或文件夹)内容，包括文件夹的组织结构、文件的大小、文件名、修改、时间、只读、可执行等属性。

3)数据片段切割。将文件切割为发送端屏幕能够一次展示，接收端摄像头能够一帧捕获的大小。

4)数据片段编码。我们可以用多种方法将每个片段的数据编码成一帧图像：一种实施方法是用一帧图像中包含若干颜色块，每个颜色块对应了数据二进制流中的k个位。当k＝1时，表示1个颜色块对应1个位，则位的值0和1对应颜色块的黑和白；当k＝2时，表示1个颜色块2位，可以选用黑、红、绿和蓝对应编码00/01/10和11；当k>2时，需要更加小心选取易于分别，不容易混淆的颜色值。最后我们还将数据校验和纠错位也纳入编码中，根据用户需求，可以选择使用求和校验或者CRC循环冗余校验及纠错。另外一种实施方法是在上述方法基础上，在有效数据的色块中间插入矫正色块，可以改善光照不均匀带来的问题。再例如，我们可以将待发送数据每两个字节看成UNICODE16编码，则可以将数据变成字符图案组成的图像，解码端用OCR技术可以解码恢复出数据，字符方法比色块方法的一个好处是对图像畸变、平移，有较好的稳定性，缺点是对解码端运算性能要求较高。综上所述，将数据变换为图像，再将图像变换回数据的方案具有多种，本发明主要要求保护的是整体实施框架，不局限于具体的图像编码方案。

5)数据片段展示。在这个阶段，数据编码而成的图像，被显示在屏幕中间，并加上了延时控制，以契合数据接收端的视频采集帧率。另外，在数据片段周围，我们还加上了4个尺度不变的图像特征点和一组红蓝绿黑白的色块，以便数据接收端准确把握数据的位置，和白平衡及曝光度矫正。

数据接收端的流程为：

1)开启摄像头。设置到1080x1920以上的分辨率，每秒30帧以上的图像采集帧率；

2)捕获图像。这里捕获到的图像，除了文件数据块对应的颜色块，还包括了4个畸变矫正标记，5个白平衡及曝光度矫正色块。

3)消除畸变。利用已有方法公开的图像快速模板匹配算法，得到采集图像中4个畸变矫正标记的位置，利用用已有方法公开的四点求透视变换矩阵T，然后利用T的逆矩阵T-¹，和已知的发送端色块和畸变矫正点的相对位置关系，求出每个色块的位置。

4)消除色差和曝光不稳定的影响。利用5个固定色块中的红蓝绿色块和黑白色块，得到图像的对每种颜色的曝光范围，进行图像的实时曝光度矫正和白平衡矫正。

5)解码一帧。将所有色块对应的二进制流组合在一起，得到一帧数据，并将这帧数据进行解读，如果是文件头信息编码，则创建相应的文件。如果是文件块数据，则向已经创建好的文件中以追加模式写入该文件块。

6)文件完成校验。当收到一个文件的所有数据块以后，利用文件头信息中的文件校验信息，对文件进行校验，如果文件完整，则报告用户文件可用，否则请求用户重传此文件。

本实施例中，要输出的是一个文本文件，文件名是PatentDemo.txt，文件内容是文本："Hello world！\r\nfrom贵州大学程欣宇"，含回车换行符用UTF-8字符编码成十六进制数据流是：“48 65 6C 6C 6F 20 77 6F 72 6C 64 21 0D 0A 66 72 6F 6D 20 B9 F3 D6 DD B4 F3 D1 A7 B3 CC D0 C0 D3 EE”；

实施例中传输文件按如下协议：数据类型(8位)+文件名长度(8位)+文件名UTF8字节流+文件长度(32位)+文件内容。则上面的文件传输，按2bits一个色块，编码的前面20个色块为：

00(黑)00(黑)00(黑)00(黑)，表示数据类型为文件类型(类型0)。

00(黑)00(黑)11(蓝)10(红)，表示文件名长度为14。

01(绿)01(绿)00(黑)00(黑)，表示文件名的第一个字节是80，也就是字母P的ASCII编码。

01(绿)10(红)00(黑)01(绿)，表示文件名的第二个字节是97，也就是字母a的ASCII编码。

11(蓝)10(红)01(绿)00(黑)，表示文件名的第三个字节是11(蓝)6，也就是字母t的ASCII编码。

后面的颜色块编码方法以此类推，这个例子仅举例说明一种可选的数据到图案的编码方案，专利使用者可以自行选用或者设计其它的数据到图案的编解码方法。

以上所述，仅是本发明的较佳实例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，任何未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。