專利名稱：基于植物葉脈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分形提取的信息加密方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于植物葉脈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分形提取的信息加密方法。
背景技術(shù)：
目前，流密碼是各國軍事和外交等領(lǐng)域使用的主要密碼體制?，F(xiàn)在傳 統(tǒng)的方法都是基于偽隨機(jī)序列的流密碼，但其保密安全性在下降。為此， 探求新的密碼理論與技術(shù)就變的非常重要?；谏锒鄻有蕴卣鞯淖R(shí)別理
論與技術(shù)是未來保密通信中最新的理論和技術(shù)之一。Mandelbrot在20世紀(jì) 70年代提出的分形理論，為計(jì)算機(jī)模擬自然植物的生長形態(tài)提供了途徑。 由于植物的葉脈特征具有一定的分形結(jié)構(gòu)，因此可以利用分形理論提取植 物的葉形及葉脈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并將其用于信息加密。由于不同植物的葉形、 葉脈具有不同的生物特征，因此用它進(jìn)行信息加密難以被非法用戶解密。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于植物葉脈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分形提取的信息加密 方法，該方法基于一種葉脈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的提取方法，是提取葉脈特征后，應(yīng) 用設(shè)計(jì)好的分形L系統(tǒng)對植物的葉形、葉脈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行字符串描述，再 將字符串中的字符用相應(yīng)的代碼表示，即形成密鑰文件，并將它用于信息 加密。由于不同植物的葉形、葉脈具有不同的生物特征，因此用它進(jìn)行信 息加密難以被非法用戶解密。
本發(fā)明所說的基于植物葉脈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分形提取的信息加密方法，其步
(1)植物葉脈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)前期處理第一，任意選取一片植物的葉脈分布圖，利用數(shù)字圖像處理技術(shù)，對其進(jìn)行灰度化處理，得到葉脈的灰度圖; 第二，對得到的灰度圖進(jìn)行邊緣化處理，同時(shí)利用圖2所示的Sobel算子 分別計(jì)算平行、垂直、斜上和斜下四個(gè)方向的梯度，可以識(shí)別大部分處于 邊緣位置的葉脈像素；
為了表征一個(gè)像素與局部背景像素灰度之間的差異，還可以采用已成 功用于地像分割的局部對比度技術(shù)。
(2) 植物葉脈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分形提取利用設(shè)計(jì)好的L系統(tǒng)對第一步圖像 處理后的葉脈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行字符串描述，得到可用于形成密鑰的葉脈拓?fù)?結(jié)構(gòu)的輪廓數(shù)據(jù)；
在使用設(shè)計(jì)好的L系統(tǒng)對提取的葉脈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行字符串描述時(shí)，可 設(shè)定葉輪廓線上的葉柄點(diǎn)為描述起始點(diǎn)，在描述時(shí)需要檢測葉形輪廓線。
(3) 將字符串中的字符用相應(yīng)的代碼表示，即可形成密鑰文件，并將 它用于信息加密。
本發(fā)明中所說的L系統(tǒng)(L-system)是一種基于符號(hào)的重寫系統(tǒng)，其 主要功能是用語言的方法來描述植物形態(tài)的發(fā)生和生長過程。利用分形L 系統(tǒng)來模擬植物分形結(jié)構(gòu)研究的較多。這里提出一種利用分形L系統(tǒng)來描 述植物葉脈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的方法。從植物葉脈提取結(jié)果來看，它主要由主脈、 側(cè)脈和細(xì)小的支脈組成。側(cè)脈著生于主脈兩側(cè)，細(xì)小的支脈著生于側(cè)脈的 兩側(cè)，其生長形態(tài)是相似的。這種自相似性可以采用L系統(tǒng)來描述葉脈結(jié) 構(gòu)。由于葉脈的復(fù)雜性，提取葉脈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的時(shí)候，需要考慮主脈的生長 方向，側(cè)脈的彎曲度，及節(jié)間長度變化等因素，并不是完成簡單的重復(fù)。 因此所產(chǎn)生的描述具有一定的復(fù)雜性，以它為基礎(chǔ)所產(chǎn)生的流密碼也具有一定的復(fù)雜性，給破譯帶來困難。
本發(fā)明為了得到葉脈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)灰度圖像，需要利用圖像處理技術(shù)完成 對植物葉脈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的提取?？蓮膬蓚€(gè)方面著手，其一是利用比較成熟的 指紋識(shí)別的傳感器軟、硬件完成植物多樣性特征方面的識(shí)別；其二是用掃 描儀、數(shù)碼相機(jī)等通用設(shè)備完成植物葉脈圖形的輸入，然后通過對葉片形 狀、葉脈分布等特征進(jìn)行提取。完成后可利用設(shè)計(jì)好的L系統(tǒng)對葉脈拓?fù)?結(jié)構(gòu)完成字符串描述。在進(jìn)行字符串描述時(shí)，可設(shè)定葉輪廓線上的葉柄點(diǎn) 為描述起始點(diǎn)，并檢測葉形輪廓線。
本發(fā)明中描述葉脈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的字符串反映了植物葉脈特征，只要將字符 串中的字符用相應(yīng)的代碼表示，即可形成密鑰文件，并可將它用于信息加 密。由于葉脈的復(fù)雜性、不確定性和隨機(jī)性，因此所產(chǎn)生的描述具有一定 的復(fù)雜性，以它為基礎(chǔ)進(jìn)行信息加密將給非法破譯帶來困難。為了增加加 密信息的復(fù)雜性及破解難度，還可采取如下措施(1)設(shè)計(jì)的L系統(tǒng)，使 字符串盡量長；(2)增加葉脈的顏色參數(shù)，來增加字符串的長度和復(fù)雜度。 (3)將葉脈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的平面描述用空間三維描述代替。(4)將兩片或多片 葉脈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)字符串進(jìn)行線性或非線性處理，得到新的字符串。(5)改變L 系統(tǒng)的公理，對同一葉脈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形成多字符串，并進(jìn)行線性或非線性處 理。在形成密鑰文件后，就可以對任意數(shù)據(jù)文件進(jìn)行加密了。解密密鑰的 形成也與加密密鑰形成方法一致。問題的關(guān)鍵是對于這種對稱性加密方法， 必須保證接收方形成的密鑰與發(fā)送方一致，因此，L系統(tǒng)的公理及產(chǎn)生式的 設(shè)計(jì)是非常重要的。本領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)具體的要達(dá)到的加密信息的復(fù) 雜性及破解難度來設(shè)計(jì)產(chǎn)生式。
本發(fā)明最終提出了一種基于植物葉脈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分形提取的信息加密方法。給出了葉脈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的灰度提取方法和葉脈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)描述方法，并將 它用于信息加密。為了增加密碼的長度及復(fù)雜性，以及收發(fā)雙方形成的密
鑰一致，對于葉脈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的提取及L系統(tǒng)的公理及產(chǎn)生式的設(shè)計(jì)顯得非 常重要。由于植物的葉形、葉脈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有不確定性和隨機(jī)性，形成的 密文具有一定的復(fù)雜性，難以被非法用戶解密，從而保證信息傳輸?shù)陌踩?性。


圖l、本發(fā)明植物葉脈及其提取結(jié)果示意圖； 圖2、本發(fā)明四個(gè)方向梯度算子示意圖； 圖3、本發(fā)明植物葉脈輪廓提取過程示意圖； 圖4、本發(fā)明加/解密過程示意圖5、基于植物葉脈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分形提取的信息加密方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
本發(fā)明中所說葉脈特征即葉脈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即葉脈生長的具體走向。所 說的輪廓數(shù)據(jù)包含了整個(gè)葉脈外部輪廓和內(nèi)部走向。
如圖1所示，是植物的葉脈分布。由于植物葉片的本身的復(fù)雜性和圖 像采集的不確定性，葉脈像素和背景像素之間的差別無法用單一特征描述， 因此，傳統(tǒng)的基于單一特征的圖像處理方法，如閾值化方法和邊緣檢測方 法，不能很好地提取葉脈特征。閾值化方法僅依據(jù)像素的灰度級差別區(qū)分 像素集，但是葉脈像素和背景像素有時(shí)在灰度級上沒有太大的差別；邊緣 檢測只能提取出灰度變化劇烈的區(qū)域，如果葉脈比較寬，它的內(nèi)部區(qū)域灰 度沒有明顯的變化，這些像素會(huì)被漏掉，同時(shí)非葉脈區(qū)域可能會(huì)因?yàn)樵肼?的干擾出現(xiàn)虛假邊緣。如圖2所示，雖然單純的邊緣檢測不足以提取葉脈，但由于部分葉脈 像素位于灰度變化劇烈的地方，邊緣信息對于葉脈提取仍有幫助。用圖示 的Sobel算子分別計(jì)算平行、垂直、斜上和斜下四個(gè)方向的梯度，可以識(shí) 別大部分處于邊緣位置的葉脈像素。
如圖3所示，對葉片形狀、葉脈分布等特征進(jìn)行提取。完成后可利用 上面設(shè)計(jì)的L系統(tǒng)對葉脈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完成字符串描述。在進(jìn)行字符串描述時(shí)， 可設(shè)定葉輪廓線上的葉柄點(diǎn)為描述起始點(diǎn)，并檢測葉形輪廓線。
如圖4所示，解密密鑰的形成也與加密密鑰形成方法一致。問題的關(guān) 鍵是對于這種對稱性加密方法，必須保證接收方形成的密鑰與發(fā)送方一致， 因此，L系統(tǒng)的公理及產(chǎn)生式的設(shè)計(jì)是非常重要的。 實(shí)施例
基于植物葉脈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分形提取的信息加密方法的流程如圖5所示，具 體的操作是
(1)植物葉脈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)前期處理
選取一片葉片原始圖像進(jìn)行灰度處理，得到其灰度圖，即圖1A，對圖 1A進(jìn)行邊緣化處理，利用Sobd算子分別計(jì)算平行、垂直、斜上和斜下四 個(gè)方向的梯度，再利用文中所示公式均衡化灰度值，即得到圖1B。
雖然單純的邊緣檢測不足以提取葉脈，但由于部分葉脈像素位于灰度 變化劇烈的地方，邊緣信息對于葉脈提取仍有幫助。用圖2所示的Sobel 算子分別計(jì)算平行、垂直、斜上和斜下四個(gè)方向的梯度，可以識(shí)別大部分 處于邊緣位置的葉脈像素。
為了表征一個(gè)像素與局部背景像素灰度之間的差異，可采用已成功用 于地像分割的局部對比度技術(shù)?；诘叵衽c葉脈圖像的相似性，可把它作為一個(gè)特征參數(shù)。由于地像的分割對象一般比背景暗，因此
局部對比度只考慮了比背景暗的像素，而葉脈像素情況比較復(fù)雜，考慮亮
暗像素后的局部對比度定義如下。 'max
(1)
其中I (i， j)為圖像在(i， j)處的灰度值。
C(/J) = *[/(/ —3,力+ /(/ —2，力
+ /(/ + 2,力+ /(/ + 3,力+ /(/,_/ —3) + /(/，_/+ 2)+ /(/,_/+ 3)-/(, ，_/)]
1
(2)
(3)
其中l(wèi)為I (i， j)的9X9領(lǐng)域中滿足C(p， q)《0的像素個(gè)數(shù)( 1
52(")=
62 i-化W+4
(4)
其中隊(duì)2為I (i， j)的9X9領(lǐng)域中滿足C(p， q) 〉0的像素個(gè)數(shù)。
C(i， j)用來判斷該像素比周圍像素亮還是暗，如果大于零則暗，反之
則亮。B八i，j)為I(i， j)的9X9領(lǐng)域中所有比周圍像素亮的均值，B2(i，j)
為I(i，j)的9X9領(lǐng)域中所有比周圍像素暗的均值。
當(dāng)葉脈像素比背景像素暗時(shí)，局部對比度通常是比較大的整數(shù)；反之
為絕對值比較大的負(fù)數(shù)，背景像素的局部對比度則接近于零。
(2)然后利用如圖3所示的流程圖對葉片形狀、葉脈分布等特征進(jìn)行提取。經(jīng)過比較和分析， 一種可行的用于植物葉脈特征描述的L系統(tǒng)如下 K = (F，五，Z),丄，W乂M，W,[, ], + ,-,(,)}
<formula>formula see original document page 9</formula>
以上各符號(hào)的具體圖形意義是
F， E， D:分別代表主脈、側(cè)脈和支脈的生長量；
L， R:分別代表左右側(cè)脈彎曲方向；
A， M， N:表示主脈、側(cè)脈和支脈生長點(diǎn)； + ， 一左右方向側(cè)脈與其著生脈夾角； [、]:分別表示將當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)、出棧；
(、)控制生長量變化。
使用上述L系統(tǒng)設(shè)計(jì)對提取的葉脈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行字符串描述時(shí)，可設(shè) 定葉輪廓線上的葉柄點(diǎn)為描述起始點(diǎn)，在描述時(shí)需要檢測葉形輪廓線。
(3)描述葉脈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的字符串反映了植物葉脈特征，將得到的字
符串中的字符用相應(yīng)的代碼表示，即可形成密鑰文件，并將它用于信息加 密。在形成密鑰文件后，就可以對任意數(shù)據(jù)文件進(jìn)行加密了，具體流程如
圖4。解密密鑰的形成也與加密密鑰形成方法一致。
權(quán)利要求
1、一種基于植物葉脈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分形提取的信息加密方法，是提取葉脈特征后，應(yīng)用設(shè)計(jì)好的分形L系統(tǒng)對植物的葉形、葉脈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行字符串描述，再將字符串中的字符用相應(yīng)的代碼表示，即形成密鑰文件，并將它用于信息加密。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所說的基于植物葉脈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分形提取的信息加密方法，其特征在于，包括以下步驟(1) 植物葉脈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)前期處理任意選取一片植物的葉脈分布圖， 利用數(shù)字圖像處理技術(shù)，對其進(jìn)行灰度化處理，得到葉脈的灰度圖；然后 對得到的灰度圖進(jìn)行邊緣化處理，同時(shí)利用Sobel算子分別計(jì)算平行、垂 直、斜上和斜下四個(gè)方向的梯度，以識(shí)別大部分處于邊緣位置的葉脈像素；(2) 植物葉脈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分形提取利用設(shè)計(jì)好的L系統(tǒng)對第(1)步 圖像處理后的葉脈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行字符串描述，得到可用于形成密鑰的葉脈 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的輪廓數(shù)據(jù)；(3) 將字符串中的字符用相應(yīng)的代碼表示，即形成密鑰文件，并將它 用于信息加密。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于植物葉脈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分形提取的信息加密 方法，其特征在于在步驟(1)中，還采用了地像分割的局部對比度 技術(shù)來表征一個(gè)像素與局部背景像素灰度之間的差異。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于植物葉脈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分形提取的信息加密 方法，其特征在于在步驟(2)中，在使用設(shè)計(jì)好的L系統(tǒng)對提取的葉脈 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行字符串描述時(shí)，設(shè)定葉輪廓線上的葉柄點(diǎn)為描述起始點(diǎn)，在 描述時(shí)檢測葉形輪廓線。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于植物葉脈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分形提取的信息加密方法。該方法是提取葉脈特征后，應(yīng)用設(shè)計(jì)好的分形L系統(tǒng)對植物的葉形、葉脈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行字符串描述，再將字符串中的字符用相應(yīng)的代碼表示，即形成密鑰文件，并將它用于信息加密。由于植物的葉形、葉脈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有不確定性和隨機(jī)性，形成的密文具有一定的復(fù)雜性，難以被非法用戶解密，從而保證信息傳輸?shù)陌踩浴?br> 文檔編號(hào)H04L9/18GK101478393SQ20081024265
公開日2009年7月8日 申請日期2008年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月30日
發(fā)明者鑫 梁, 殷奎喜, 華 趙, 邵建華 申請人:南京師范大學(xué)