一种无位置标志的图像码及其生成与解析方法与流程

本发明属于图像处理与图像自动识别领域，具体涉及一种用于在图像中植入信息的无可见定位标志的图像码及其生成与解析方法。

背景技术：

随着移动互联网时代的来临，二维码已逐渐成为智能手机的键盘，互联网的接入端，并广泛应用于社会的各个领域和我们的日常生活当中。但现有的二维码不能直观或者初步展现其所包含的信息，往往需要附加文字说明；且其黑白相间的图案显得呆板，不够美观。

图像码技术是利用数字水印技术将文字、网址信息等植入图像中，同时通过智能手机、平板电脑等手持移动设备摄像头或扫描仪扫描含有水印信息的印刷图像，就可检测出埋藏在图像中的信息，并可实现手机、计算机与信息源网址的快速链接。

但是，要实现通过手机摄像头读取印刷在纸张上的图像中的水印信息，必须克服因手持移动设备扫描图像造成的图像几何失真(如图像的比例失真、角度旋转)。因此，如何快速准确实现对图像几何失真的修复，是能否正确读取图像码中的水印信息的关键技术。

为了解决手机扫描图像时造成的图像几何失真问题，专利申请cn104778491a提出了一种图像码的生成和解析方法，在图像的4个顶角加入了4个位置标志图案(以下简称“位置标志”)。该发明解决手持移动设备扫描图像时造成的图像几何失真问题的技术方案是，通过拍摄到的图像码4个顶角的位置标志的位置关系，正确地计算出原有图像的大小以及图像的角度误差，从而可以有效地校正图像几何失真。但是,由于该发明在图像区的四个顶角分别植入了人眼可见的位置标志，在一定程度上影响了植入图像码的图像的美观性。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种应用于终端侧的图像嵌入信息编码及编码图像的解析方法，无需借助位置标志就可以实现对编码图像的几何失真自动校正，因此可以真正做到对图像进行人眼完全无法察觉的附加信息植入，使植入信息的编码图像更加美观大方。

为了解决上述问题，本发明的技术方案是：

采用一种无位置标志的图像码进行图像植入信息编码，将原始图像、需要植入图像的附加信息以及几何校正模版(以下简称“模版”)通过基于数字水印编码技术的图像编码器进行合成，生成编码图像。

其中，原始图像内容包括照片、logo图标、图形以及文字图案；需要植入图像的附加信息可以是与图像有关的文字、数字、网址等相关信息；模版是由以下表达式所示的频率成分构成的正方形(n×n像素，32≤n≤512，并且n＜w，n＜h，w、h分别为输入图像的水平方向与垂直方向尺寸)图像，用来完成对图像码几何失真的校正。

其中，fm(x,y)为由单一频率构成的余弦函数；x(0≤x≤n-1)与y(0≤y≤n-1)为模版图像的坐标值；m(1≤m≤m)为频率成分的序列号，m为频率成分个数；nmx(0≤nmx≤n/2)与nmy(0≤nmy≤n/2)分别是序号为m的频率成分延x轴与y轴的周期值。

同时，模版的频率成分fm(x,y)的傅立叶变换用以下表达式表示：

由于fm(x,y)的频率成分的单一性，fm(x,y)的傅立叶变换值fm在频域空间将出现局部最大值，因此，如以下表达式所示，fm的平均值也会出现极大值。

根据傅立叶变换的尺度变换性质，如以下表达式所示，fm(x,y)与fm(υ,ν)存在以下关系：

其中，a、b分别为图像的空域空间的模版延x轴与y轴的缩放系数；υm与νm分别为序列号为m的频率成分fm(x,y)在傅立叶空间(又称“频域空间”)延水平方向与垂直方向的频率值。

以上表达式表明，当模版图像延x轴与y轴分别被放大a倍与b倍(x’＝ax，y’＝by)时，模版频域空间的频率成分υm与νm分别被缩小a倍与b倍(υ’m＝υm/a，ν’m＝νm/b)。因此，通过模版的频率成分在频域空间的位置的变化方向与移动距离，就可计算出几何失真模版的缩放系数。

同时，当图像被旋转θ度时，模版的频率成分在频域空间的移动轨迹可以表示为：

根据仿射变换(affinetransform)原理，当图像被放大(或缩小)以及被角度旋转时，模版中序列号为m的频率成分在频域空间的移动轨迹可以用以下表达式表示：

其中，a，b，θ成为几何失真参数。因此，对于失真参数为a，b与θ的失真模版，各频率成分的傅立叶变换值的平均值会在位移后的频域空间位置出现极大值：

根据以上原理，解码模块包括以下过程：

(a1)通过图像输入装置输入植入无位置标志图像码的编码图像；

(a2)通过图像码中的几何校正模版对输入图像做几何失真校正；

(a3)通过基于数字水印提取技术的图像解码器从几何失真校正后的图像中计算出图像内置的附加信息，实现移动设备对图像中植入信息的快速读取和与植入信息关联网址的快速链接。

其中，图像输入装置包括手机、平板电脑、扫描仪等图像输入设备。

其中，解码模块中的图像几何失真校正由以下步骤完成：

(b1)将输入图像的任意一部分(n×n像素)做傅立叶变换得到该图像部分的频域空间图像；

(b2)改变几何失真参数(a，b，θ)，按公式(7)将模版的各频率成分做仿射变换，其中，a，b与θ的搜索范围分别为sbegin≤a，b≤send，θbegin≤θ≤θend；

(b3)按公式(8)计算并记录下每组参数(a，b，θ)的所对应的平均值e(a，b，θ)；

(b4)通过计算出平均值的最大值e(amax，bmax，θmax)计算出几何失真参数amax，bmax与θmax；

(b5)将输入图像与几何失真参数amax，bmax与θmax带入如以下所表示的仿射变换的逆变换公式即可完成对输入图像的几何失真校正。

其中，x’，y’分别为几何失真校正前的图像的坐标值；x，y分别为几何失真校正后的图像的坐标值。

本发明具有以下优点：

1)通过采用几何校正模版使得图像码自身具有几何失真校正功能，从而无需位置标志也可完成对图像码的几何失真做几何校正。

2)由于解码模块中的图像几何失真校正的步骤(b2～b5)都只需对模版的m个频率成分进行计算，图像几何失真校正的计算可以在手机终端实现高速运算。

3)由于没有了位置标志，图像码会变得更加自然与美观大方。

4)由于没有了位置标志，图像码的形式可以更加多元化。即任意形态的图像、或是图像中的一部分都可以成为图像码。

附图说明

图1是植入有位置标志的图像码与无位置标志的图像码的编码图像示意图。

图2是本发明方法的编码模块与解码模块的流程图。

图3是几何校正模版的频率成分分布图。

图4是几何校正模版的频率成分的例子示意图。

图5是几何校正模版与输入图像合成方法的示意图。

图6是当几何模版被几何放大(或缩小)后，几何校正模版中频率成分位置的移动轨迹图。

图7是当几何模版旋转后，几何校正模版中频率成分位置的移动轨迹图。

图8是图像几何失真校正计算的流程图。

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。

本发明提出一种无需位置标志就可实现对编码图像几何失真做自动校正的图像码生成与解析方法，生成的编码图像如图1中标注102指示的图像所示。

图2是本发明实施示例提供的一种没有位置标志的图像码的产生与解析的功能模块组成与处理流程图，其中包括用于图像码生成的编码模块以及用于图像码解析的解码模块。

编码模块完成以下功能：通过采用数字水印技术的图像编码器将原始图像、附加信息以及几何校正模版合成后生成图像码。

解码模块完成以下功能：通过编码图像输入装置输入图像码；利用编码图像中的几何校正模版对输入图像做几何失真校正后，得到几何失真校正图像；通过图像解码器从几何失真校正后的图像中读取编码图像中的附加信息。

图2中的几何校正模版是由公式(1)所示的频率成分构成的n×n像素的正方形图像。其中，n＝128，并且n＜w，n＜h，w、h分别为输入图像的水平方向与垂直方向尺寸。

图3是几何校正模版的频率成份分布图，其中标注300给出模版的频率成份分布范围；标注301、302分别指示水平与垂直方向频率成份周期值(nmx，nmy)的坐标轴，其中0≤nmx≤n/2，0≤nmy≤n/2；标注303、304指示的水平虚线与标注305、306指示的垂直虚线分别将频率分布范围分割成“低低(aa)”，“低中(ab)”，“低高(ac)”，“中中(bb)”，“高高(cc)”5类共计9个区域；标注307指示的虚线框给出几何校正模版的最佳频率分布区域，其范围为s×s(n/12≤s≤n/4)。

如图6所示，根据公式(2)，当模版图像被放大a＝b＝s倍时，频域空间的频率被缩小s倍，频率位置按标注600指示的图形中各箭头所示的方向移动。其中标注601、602、603、604指示的圆点分别为原始模版的频率成份位置，标注605、606、607、608指示的圆点分别为模版图像被放大后的频率成份的移动位置。

当模版图像被缩小a＝b＝s倍时，频域空间的频率被放大s倍，频率位置按标注613指示的图形中各直线箭头所示的方向移动。其中标注601、602、603、604指示的圆点分别为原始模版的频率成份位置，标注609、610、611、612指示的圆点分别为模版图像被缩小后的频率成份的移动位置。

如图7所示，根据公式(3)，当模版图像延反时针方向旋转θ度时，频域空间的频率位置将同样延反时针方向旋转θ度。其中各直线箭头所指方向为频率成份移动方向。标注701、702、703、704指示的圆点分别为原始模版的频率成份位置；标注705、706、707、708指示的圆点分别为旋转后的频率成份位置。

根据以上模版的频率位置随模版图像变化的移动轨迹，当模版的水平与垂直方向的放大(或缩小)比例分别为a，b，旋转角度为θ度时，根据公式(8)就可计算出模版的频率成分移位后的傅立叶变换的平均值。

根据以上原理，几何失真模版的生成以及与图像的合成可以按以下的步骤处理完成：

1)根据公式(2)，设定图像缩放系数的搜索范围(a＝b＝s)为0.5≤s≤2，如图3中的区域标注307所示，模版的频率成分的最佳选定范围为n/12≤nmx，nmy≤n/4；如图4所示，其中标注400～412指示的各圆点位置是构成几何校正模版的频率成份的例子；

2)如图5所示，将生成的n×n像素的几何校正模版以左上角为起点，由左至右，由上至下植入w×h像素的图像中。

根据以上原理，如图8所示，可以按以下步骤完成对输入图像的几何失真校正：

步骤s801：通过图像输入装置输入编码图像；

步骤s802：从输入图像中切割出n×n像素的部分图像；

步骤s803：对切割出的n×n像素的部分图像做fft变换；

步骤s804：设定几何失真参数a，b(缩放系数)与θ(旋转角度)的初始值(a＝sbegin，b＝sbegin，θ＝θbegin)；

步骤s805：将几何失真参数(a，b，θ)值带入公式(7)，计算模版的频率成分在频域空间的变换位置；

步骤s806：根据公式(8)计算位频率成分移位后傅立叶变换的平均值；

步骤s807：判断几何失真参数(a，b，θ)是否已搜索完毕，几何失真参数的搜索范围分别为sbegin≤a，b≤send，θbegin≤θ≤θend；

步骤s808：如果未搜索完毕，修改几何失真参数(a,，b，θ)，重复步骤s806；

步骤s809：如果搜索完毕，对搜索范围内根据公式(8)计算的平均值做最大值比较，找出最大值对应的几何失真参数(amax，bmax，θmax)；

步骤s810：将计算的失真参数(amax，bmax，θmax)带入公式(9)，完成对输入图像的几何失真校正计算；

步骤s811：输出几何失真校正后的图像。

以上所述仅为本发明的较佳实施示例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。