一種新的基于混沌的圖像無損壓縮加密聯(lián)合算法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于多媒體信息安全技術領域，具體設及一種基于混濁的圖像無損壓縮加 密聯(lián)合算法。
【背景技術】
[0002] 隨著網(wǎng)絡技術的發(fā)展和普及，網(wǎng)絡信息數(shù)量呈指數(shù)形式增長。面對數(shù)量龐大的圖 像文件的存儲，圖像壓縮成為必不可少的一個解決方法。但是在某些領域，例如醫(yī)療，航空 航天，國家安全部口等還是希望圖像在壓縮后能夠無損恢復出來，因此無1損壓縮具有十分 重要的意義。在網(wǎng)絡的普及后，網(wǎng)絡安全問題變得十分嚴重，病毒、蠕蟲、木馬等惡意程序乘 機泛濫EU,為了保證圖像傳輸過程和存儲過程中的安全，在壓縮的同時進行圖像的加密是 一種比較安全的做法。
[0003] 壓縮加密過程不應該孤立地進行:傳統(tǒng)的做法是將加密和壓縮分兩步來完成，一 般是先對圖像進行壓縮再加密，反過來則不會取得很好的壓縮比W，另一個問題就是如果 孤立地進行，攻擊者在對圖像進行破譯時可W完全無視壓縮環(huán)節(jié)直接對加密進行攻擊W。 目前比較主流的研究思路有W下兩個:結合圖像編碼過程進行加密，在圖像壓縮過程中無 縫嵌入加密算法，使得壓縮加密同步進行；第二種就是選擇加密，針對某種特定格式的圖 像，選擇一部分關鍵數(shù)據(jù)加密就可W加密整幅圖像W。鄧家先、任玉莉，將改進零樹編碼加 入對小波子帶的算術編碼，完成了對不同的小波分辨率系數(shù)進行選擇性加密W ;王姊等首 先在利用改進型零樹編碼后進行賭編碼產(chǎn)生的壓縮碼流與超混濁Chen系統(tǒng)產(chǎn)生的密鑰流 進行加密，實現(xiàn)了加密和明文相關，實現(xiàn)了壓縮和加密的聯(lián)合^eWang等利用Logistic混濁 方程首先將原圖像進行加密，然后進行算術編碼，將編碼后的文件再進行一次加密，運樣實 質(zhì)上沒有在壓縮的過程中進行加密，并且在壓縮前加密影響了圖像的壓縮比等討論 了在無線傳感器網(wǎng)絡中應用的圖像壓縮加密方法，利用四叉樹(Qua化ree)分別在空間域和 頻率域進行圖像壓縮，考慮到無線傳感器網(wǎng)絡的特殊性，加密方式選擇了重要部分加密W 節(jié)省網(wǎng)絡工作負載W。然而在大部分的圖像壓縮加密聯(lián)合算法中，很少研究圖像的無損壓 縮加密聯(lián)合算法，楊華千，廖曉峰W采用的雖然是基于SPIHT的圖像壓縮算法，但是運是有 損壓縮算法，對小波系數(shù)的選擇性加密，加密過程并沒有參與到SPIHT編碼過程，使得壓縮 和加密的關聯(lián)性不大。
[0004] 本發(fā)明采用了基于整數(shù)小波變換的SPIHT無損圖像壓縮加密聯(lián)合算法，選擇了部 分重要小波系數(shù)、SPIHT編碼過程中和SPIHT編碼后產(chǎn)生的碼流運S個地方進行混濁方程 加密，使得加密真正融入到了壓縮的過程中，在壓縮碼流生成的過程中進行多次嵌套加密， 增大了破譯難度，保證了壓縮序列的安全性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于保證無損圖像壓縮的算法的安全性的不足，提出了一種針對 SPIHT的基于混濁的圖像無損壓縮的加密聯(lián)合算法，該算法在損失極小的壓縮效率和壓縮 比的情況下，設計選用多種混濁系統(tǒng)產(chǎn)生偽隨機序列流，選擇多處編解碼過程中的關鍵數(shù) 據(jù)進行加密，使得加密算法在保證實時性的同時提供了更高的安全性，其應用領域極其廣 泛。
[0006] 其中，本發(fā)明針對SPIHT無損編解碼格式的基于多種混濁的圖像加密算法，包括其 具體算法內(nèi)容及【具體實施方式】，在算法設計上，本發(fā)明采用了Lorenz ,Henon和Logistic混 濁方程作為發(fā)明中用于加密的偽隨機序列生成模型，消除混濁方程迭代影響，生成了隨機 性、安全性足夠高的偽隨機序列流；同時，本發(fā)明在SPIHT圖像無損壓縮算法中選擇了壓縮 率表現(xiàn)較好的CDF(4-2)整數(shù)小波變換，并在編碼之前利用生成的密鑰流對小波系數(shù)進行置 亂和局部擴散，在編碼過程中對序列進行多輪加密，保證了無損壓縮算法的高安全性和可 操作性。
[0007] 本發(fā)明解決上述技術問題所采用的技術方案是：
[0008] 設計基于混濁的圖像無損壓縮加密聯(lián)合算法
[0009] 本發(fā)明設及兩個主要模塊，分別是編碼前密鑰流的生成和編碼前的小波系數(shù)加密 操作模塊和無損編碼過程中的和加密聯(lián)合模塊，算法的整體設計流程圖如圖1。
[0010] 原始圖像在進行進入編碼器前需要進行=步操作:第一步，輸入混濁方程的初始 值然后生成安全的密鑰流序列;第二步，對圖像進行6級CDF(4-2)整數(shù)小波變換，形成圖像 的小波變換矩陣;第=步，將小波變換矩陣進行局部擴散和整體置亂操作形成加密后的小 波系數(shù)矩陣。在編碼過程中，充分利用SPIHT的位平面編碼性質(zhì)，對每次壓縮寫入矩陣的碼 流進行加密操作，運樣就可W對壓縮碼流進行多輪加密操作，保證了 SPIHT圖像無損壓縮文 件的安全性。
[0011] 1.圖像SPIHT編碼之前的預操作
[0012] 1.1安全密鑰流的設計和產(chǎn)生
[0013] 在該模塊中，我們選擇了3個混濁方程生成偽隨機序列流，方程涵蓋了高維混濁方 程到一維混濁方程，分別為Lorenz方程，Henon方程和logistic方程各生成和其維數(shù)個數(shù)相 同的偽隨機序列流。消除暫態(tài)效應后，得到若干實數(shù)級偽隨機序列流。
[0014] 生成的實數(shù)級混濁序列用在圖像加密中必須經(jīng)過量化操作形成整數(shù)，量化方式不 同所設及量化方式不同，根據(jù)方程具體闡述實數(shù)混濁序列和量化混濁序列的生成方法，如 下所示：
[0015] (I)Lorenz 方程：
(1)
[0017]方程在a= 10, b = 8/3，C = 28時處于混濁狀態(tài)，在輸入函數(shù)初值XO，yo，Z日后進行迭 代，在迭代3000次消除暫態(tài)效應后進行迭代，產(chǎn)生混濁序列的個數(shù)為需要加密的小波系數(shù) 個數(shù)。
[0018]實數(shù)化3個混濁序列分別記為X，Y，Z，分別對X，Y，Z量化，量化成的序列為E，F(xiàn)，G，其 中，E，F(xiàn)，G被量化到0到255之間的整數(shù)，公式如(2)所示： E(n)二 mod(Y(n)*1000,256);
[0019] F(n)=mod(Z(n)* 1000,256); (2) G(n)=mod(X(n)^ 1000,256);
[0020] 然后根據(jù)生成的E，F(xiàn)，G序列進行符合成量化序列T，該序列的生成方法如(3)所示： T(m)二 bibcorfEiOrO'FXm)) irmoti(m，3)==:0
[0021 ] !(m^bibcottFXmXGOn) if mod(m,3)==l (3) T(m)二 bitxor(G(m)，E(!")) i f mod(m，3)二二 2
[0022] 其中m為需要加密的小波系數(shù)的個數(shù)，bitxor為按位異或函數(shù)。
[0023] (2)Henon 方程： .，.T,"l =1. +姆。-任嫁
[0024] 一 (4) JW=義。
[0025] 化non映射如公式(4)所示。該映射在a = 1.4，b = 0.3時，系統(tǒng)進入混濁狀態(tài)。
[0026] 利用混濁方程生成的實數(shù)序列在本發(fā)明中用于下一步的小波系數(shù)矩陣的置亂操 作。
[0027] (3)Logistic 方程：
[002引 Xn+l=]iXn(l-Xn)巧）
[0029] Logistic方程如公式(5)所示。在= [3.571488,4]時方程處于混濁態(tài)。在消除 暫態(tài)效應后產(chǎn)生的實數(shù)化序列進行量化，量化為0和1兩個數(shù)，量化方法如公式(6)所示：
[0030] Y(n)=mod(X(n)*1000,2) (6)
[0031] Logistic方程生成的密鑰流在SPIHT編碼過程中進行碼流的多輪加密，在本發(fā)明 中，為了節(jié)省聯(lián)合壓縮和加密的時間，將生成的碼流與Logistic方程生成的量化序列Y(n) 進行異或操作形成擴散碼流，從而對碼流進行加密。
[0032] 安全偽隨機序列的產(chǎn)生是可W獨立于編解碼程序預先出來的，即在程序編解碼之 前就可W生成量化密鑰流。
[0033] 1.2圖像的整數(shù)小波變換
[0034] 基于SPIHT圖像無損壓縮算法是位平面編碼的一種，因此在編碼前，必須進行小波 變換。而在小波變換的過程中，必須將圖像進行小波變換后的小波系數(shù)完整地保存下來，但 是在傳統(tǒng)的小波變換過程中，小波系數(shù)會出現(xiàn)小數(shù)，在進行下一步編碼之前會對圖像進行 "舍入"處理，在近似過程中就會出現(xiàn)小波系數(shù)能量損失，再進行小波反變換就不會還原成 原圖像。如果把X變成[.V + 作用于提升步驟中的因子Ui(Z)和Pi(Z),就可W進行整數(shù)小波 變換。運種非線性變換使得圖像數(shù)據(jù)進行濾波后也是整數(shù)，對圖像的無損壓縮提供了基礎。
[0035] 本發(fā)明所用的是CDFW(4-2)差分整數(shù)小波，W(N1，N2)分別表示其分解濾波器和 合成濾波器的消失矩。在文獻[10]中可W看出CDF(4-2)差分小波在圖像使用的眾多無損壓 縮小波中表現(xiàn)較好。CDF(4-2)差分小波變換的整數(shù)形式如下公式(7)所示E1U。
[0037]將讀入的圖像矩陣進行6級整數(shù)(4-2)小波變換，為圖像的SP