專利名稱：基于多方向稀疏表示的圖像壓縮安全編碼方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于圖像壓縮安全編碼方法，尤其涉及一種基于隨機(jī)算術(shù)編碼的 多方向稀疏表示的圖像壓縮安全編碼方法。
背景技術(shù)：
隨著網(wǎng)絡(luò)和圖像等多媒體的飛速發(fā)展，圖像等多媒體通訊已逐漸成為人們之間信 息交流的重要手段。目前的網(wǎng)絡(luò)是一種開(kāi)放式系統(tǒng)，因此在傳輸重要的圖像之前，需要對(duì)圖 像進(jìn)行加密處理以保證安全性。傳統(tǒng)的加密技術(shù)將其作為普通數(shù)據(jù)流進(jìn)行加密，沒(méi)有考慮 多媒體數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，因此有一定的局限性。如圖像的數(shù)據(jù)量一般比較大，加密所需的計(jì)算量 比較大，存在加密效率不高的問(wèn)題。另外，圖像的數(shù)據(jù)規(guī)模比較大，在信道帶寬有限的情況 下，尤其是在無(wú)線環(huán)境下，必須對(duì)圖像進(jìn)行有效的壓縮編碼以利于編碼傳輸。目前圖像有損壓縮都采用變換編碼的形式。如JPEG2000采用的是DWT變換。 但是，DWT有兩個(gè)主要的缺陷(1)缺少平移不變性，即輸入信號(hào)的微小平移可導(dǎo)致DWT 系數(shù)很大的變化；(2)缺少方向選擇性，即對(duì)于非水平或非垂直的奇異特征難以高效表 示。近年來(lái)，對(duì)偶雙樹(shù)離散小波(Dual-tree Discrete WaveletTransform, DDffT)由于 具有近似平移不變性和方向性引起了研究者的廣泛關(guān)注。Yang等人通過(guò)噪聲整形提高 了 DDWT系數(shù)的稀疏性，并用SPIHT編碼，在具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)紋理的圖像上取得了較好的效 果(文獻(xiàn) 1 :Yang Jingyu，Xu Wenli, DaiQionghai, Wang Yao. Image compression using 2-D dual-tree discrete wavelettransform. Proceedings of IEEE International Symposium on Circuits and SystemsiNew Orleans,USAiMay 2007:297—300)。 ^iDDWT 只有6個(gè)方向，為了增加方向的靈活性，Yang等人提出了各向異性對(duì)偶雙樹(shù)離散小波包變 換(ADDWP)(文獻(xiàn) 2 :Yang Jingyu, Xu Jizheng，Wu Feng，Dai Qionghai，Wang Yao. Image coding using2_D anisotropic dual-tree discrete wavelet transform. Proceedings of IEEEInternational Conference on Image Processing，San Antonio, USA,Sep.2007 165-168.)。然而該變換需要尋找最優(yōu)的分解結(jié)構(gòu)，因此計(jì)算復(fù)雜度比較高。根據(jù)圖像壓縮過(guò)程，圖像加密分為三類(1)壓縮編碼前對(duì)圖像進(jìn)行加密，該圖像 加密方式是在空域進(jìn)行，通過(guò)混淆和置亂等手段對(duì)圖像加密，然而加密后的圖像像素之間 的統(tǒng)計(jì)性被破壞，無(wú)法進(jìn)行壓縮處理，不利于圖像的存儲(chǔ)和傳輸。(2)圖像壓縮編碼后再進(jìn) 行加密，圖像的數(shù)據(jù)量比較大，傳統(tǒng)的AES等加密手段的計(jì)算復(fù)雜度比較高，不利于實(shí)時(shí)處 理。(3)聯(lián)合圖像壓縮編碼和加密。為了降低加密算法的復(fù)雜度，通過(guò)置亂或者加密變換 (如DCT和DWT等)后的關(guān)鍵系數(shù)達(dá)到加密的效果。然而這將破壞變換域系數(shù)的規(guī)律，不利 于圖像的后繼壓縮編碼。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于隨機(jī)算術(shù)編碼的多方向稀疏表示的圖像壓縮安 全編碼方法，該加密算法的計(jì)算復(fù)雜度低，安全性高，解碼圖像有更好的客觀質(zhì)量和主觀效果，能夠保持較好的圖像局部細(xì)節(jié)特征。 本發(fā)明實(shí)現(xiàn)其發(fā)明目的，所采用的技術(shù)方案是，一種基于多方向稀疏表示的圖像 壓縮加密方法，其步驟如下a、多方向的對(duì)偶雙樹(shù)離散小波變換首先對(duì)圖像用對(duì)偶雙樹(shù)離散小波變換分解， 分解時(shí)第一層采用⑶F 9/7濾波器組分解，其余各層分解采用6抽頭的q-shift濾波器組 分解，獲得-75°，-45°，-15°，15°，45°和75°六個(gè)方向的高頻子帶；然后對(duì)得到的六 個(gè)方向的高頻子帶用各向異性的方向?yàn)V波器組進(jìn)行分解，各向異性的方向?yàn)V波器組由7階 最大平坦菱形濾波器經(jīng)過(guò)McClellan變換和調(diào)制構(gòu)造，且其高、低通濾波器的支撐長(zhǎng)度分 別為(29，29)和(43，43)；分解后得到大小是原始圖像二倍的分解系數(shù)；b、系數(shù)稀疏化對(duì)a步得到的分解系數(shù)進(jìn)行噪聲整形得到稀疏化表示的系數(shù)；C、系數(shù)交織采用擴(kuò)展的空間方向樹(shù)結(jié)構(gòu)對(duì)稀疏化表示的系數(shù)進(jìn)行交織，使相鄰 的子帶系數(shù)具有父子關(guān)系；交織時(shí)的策略如下對(duì)應(yīng)于a步中用各向異性的方向?yàn)V波器組 進(jìn)行分解時(shí)采用各向異性變換的系數(shù)，交織各行或者各列；對(duì)應(yīng)于a步中用各向異性的方 向?yàn)V波器組進(jìn)行分解時(shí)采用各向同性變換的系數(shù)，需要同時(shí)交織行和列；d、SPIHT編碼與加密對(duì)交織后的系數(shù)采用SPIHT位平面編碼，產(chǎn)生系數(shù)符號(hào)碼流 和反映空間方向樹(shù)結(jié)構(gòu)的碼流，及系數(shù)細(xì)化碼流；對(duì)系數(shù)符號(hào)碼流采用異或的方式加密，對(duì) 另外兩種碼流用隨機(jī)算術(shù)編碼進(jìn)行加密，即得到圖像的壓縮加密碼流。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的收益效果是1、將對(duì)偶小波變換的高頻子帶用方向?yàn)V波器組進(jìn)一步分解，增加了小波的方向數(shù) 目，提高了圖像表示的方向靈活性和稀疏性，并且分解結(jié)構(gòu)和方向?yàn)V波器組都具有各向異 性支集，形狀更接近于圖像中邊緣與輪廓等狹長(zhǎng)形狀，從而能更有效地表達(dá)圖像的方向性 特征；2、用噪聲整形對(duì)對(duì)偶雙樹(shù)離散小波的系數(shù)進(jìn)行稀疏化表示，噪聲整形技術(shù)通過(guò)量 化可去掉小的系數(shù)，并將量化引入的殘差提取出來(lái)，并反饋補(bǔ)償給保留下來(lái)的大系數(shù)，從而 保持信號(hào)的總能量恒定。它從一個(gè)較大的初始閾值在每一步迭代中以某一步長(zhǎng)下降到預(yù)設(shè) 終止閾值，隨著迭代次數(shù)的增加，恢復(fù)信號(hào)越來(lái)越接近原始信號(hào)。經(jīng)噪聲整形稀疏化的系數(shù) 獲得了更好的非線性逼近性能。也使得解碼圖像具有更好的客觀質(zhì)量和主觀效果。3、對(duì)稀疏化的各個(gè)對(duì)偶小波子帶的方向子帶系數(shù)進(jìn)行交織，使分解系數(shù)的相鄰層 具有類似小波的父子關(guān)系，有利于后繼編碼處理；從而可采用SPIHT位平面編碼方法對(duì)圖 像進(jìn)行壓縮編碼，具有低的計(jì)算復(fù)雜度和低存儲(chǔ)空間需求，使得本發(fā)明的計(jì)算復(fù)雜度低，壓 縮效率高。4、對(duì)壓縮編碼，基于隨機(jī)算術(shù)編碼進(jìn)行圖像加密，加密效果好，安全性高，對(duì)壓縮 沒(méi)有影響。且具有較低的復(fù)雜度和較快的加解密速?？傊?，本發(fā)明方法對(duì)圖像的加密效果好，安全性高，解碼圖像具有更好的客觀質(zhì)量 和主觀效果，能夠較好的保持圖像的局部細(xì)節(jié)特征。仿真實(shí)驗(yàn)也說(shuō)明本發(fā)明方法的壓縮效率高，安全性高在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)圖像 barbara(大小為512X512，每一個(gè)像素的量化比特為8)而言，在壓縮倍數(shù)為40倍 (0. 2bpp)的情況，本算法的解碼圖像質(zhì)量為28. 22dB,高于JPEG2000的27. 77dB、DDWT (Yang Jingyu, Xu Wenli, Dai Qionghai, Wang Yao. Image compression using2_D dual-treediscrete wavelet transform. Proceedings of IEEE InternationalSymposium on Circuits and Systems, New Orleans, USA, May 2007:297-300)的 27. 27dB 和 ADDWP 的(Yang Jingyu，Xu Jizheng，Wu Feng，Dai Qionghai，WangYao. Image coding using 2-D anisotropic dual-tree discrete wavelet transform. Proceedings of IEEE International Conference on Image Processing， San Antonio， USA， Sep.2007 165-168.)的26.66dB。壓縮加密后的圖像具有不可見(jiàn)性，安全性能高。對(duì)高分辨率的掌 紋圖像而言，(大小為512X512，每一個(gè)像素的量化比特為8)而言，在壓縮倍數(shù)為40倍的 情況，本算法的解碼圖像質(zhì)量為24. 24dB,高于JPEG2000的23. 67dB、DDffT (Yang Jingyu, Xu Wenli, Dai Qionghai, Wang Yao. Image compression using 2-D dual-tree discrete wavelet transform, Proceedings ofIEEE International Symposium on Circuits and Systems, New Orleans, USA, May2007 297-300)的 24. 08dB。由此可見(jiàn)，本算法具有更高的 壓縮效率，解碼得到的圖像效果能保持更好的圖像細(xì)節(jié)。下面結(jié)合附圖和具體的實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例一的原始圖像。圖2為圖1的局部細(xì)節(jié)圖。圖3為對(duì)圖1采用PEG2000解碼方法在壓縮倍數(shù)為40 (0. 2bpp)時(shí)得到對(duì)應(yīng)于圖 2的局部細(xì)節(jié)的壓縮(解碼)圖像。圖4為對(duì)圖1采用本發(fā)明實(shí)施例一的方法進(jìn)行壓縮倍數(shù)為40(0. 2bpp)的壓縮加 密后在進(jìn)行解密解碼得到的對(duì)應(yīng)于圖2局部細(xì)節(jié)的壓縮(解碼)圖像。圖5為采用本發(fā)明實(shí)施例一的方法，對(duì)圖1進(jìn)行壓縮數(shù)為40(0. 2bpp)倍的壓縮加 密的加密圖像。圖6為本發(fā)明實(shí)施例二的原始圖像。圖7為采用JPEG2000的壓縮算法對(duì)圖6在進(jìn)行40 (0. 2bpp)倍壓縮后得到的壓縮 (解碼)圖像。圖8為采用本發(fā)明實(shí)施例二的方法對(duì)圖6進(jìn)行40(0. 2bpp)倍壓縮及加密后再進(jìn) 行解密解碼后得到的壓縮(解碼)圖像。圖9為采用本發(fā)明實(shí)施例二的方法對(duì)圖6進(jìn)行壓縮倍數(shù)為40(0. 2bpp)倍的壓縮 加密后的得到的加密圖像。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一本發(fā)明的一種具體實(shí)施方式
為，一種基于多方向稀疏表示的圖像壓縮安全編碼方 法，其步驟如下a、多方向的對(duì)偶雙樹(shù)離散小波變換首先對(duì)圖像用對(duì)偶雙樹(shù)離散小波變換分解， 分解時(shí)第一層采用⑶F 9/7濾波器組分解，其余各層分解采用6抽頭的q-shift濾波器組 分解，獲得-75°，-45°，-15°，15°，45°和75°六個(gè)方向的高頻子帶；然后對(duì)得到的六 個(gè)方向的高頻子帶用各向異性的方向?yàn)V波器組進(jìn)行分解，各向異性的方向?yàn)V波器組由7階最大平坦菱形濾波器經(jīng)過(guò)McClellan變換和調(diào)制構(gòu)造，且其高、低通濾波器的支撐長(zhǎng)度分 別為(29，29)和(43，43)；分解后得到大小是原始圖像二倍的分解系數(shù)。在對(duì)得到的六個(gè)方向的高頻子帶用各向異性的方向?yàn)V波器組進(jìn)行分解時(shí)，采用各 向同性變換。 b、系數(shù)稀疏化對(duì)a步得到的分解系數(shù)進(jìn)行噪聲整形得到稀疏化表示的系數(shù)。用噪聲整形對(duì)對(duì)偶雙樹(shù)離散小波的系數(shù)進(jìn)行稀疏化表示，噪聲整形技術(shù)通過(guò)量化 可去掉小的系數(shù)，并將量化引入的殘差提取出來(lái)，并反饋補(bǔ)償給保留下來(lái)的大系數(shù)，從而保 持信號(hào)的總能量恒定。它從一個(gè)較大的初始閾值在每一步迭代中以某一步長(zhǎng)下降到預(yù)設(shè)終 止閾值，隨著迭代次數(shù)的增加，恢復(fù)信號(hào)越來(lái)越接近原始信號(hào)。經(jīng)噪聲整形稀疏化的系數(shù)獲 得了更好的非線性逼近性能。C、系數(shù)交織采用擴(kuò)展的空間方向樹(shù)結(jié)構(gòu)對(duì)稀疏化表示的系數(shù)進(jìn)行交織，使相鄰 的子帶系數(shù)具有父子關(guān)系；交織時(shí)的策略如下由于a步中用各向異性的方向?yàn)V波器組進(jìn) 行分解時(shí)是采用各向同性變換，因此對(duì)b步得到的系數(shù)需要同時(shí)交織行和列。d、SPIHT編碼與加密對(duì)交織后的系數(shù)采用SPIHT位平面編碼，產(chǎn)生系數(shù)符號(hào)碼流 和反映空間方向樹(shù)結(jié)構(gòu)的碼流，及系數(shù)細(xì)化碼流；對(duì)系數(shù)符號(hào)碼流采用異或的方式加密，對(duì) 另外兩種碼流用隨機(jī)算術(shù)編碼進(jìn)行加密，即得到圖像的壓縮加密碼流。在進(jìn)行SPIHT編碼與加密時(shí)，可以根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際要求和具體情況來(lái)設(shè)定壓縮編 碼的倍數(shù)。將圖像的壓縮加密碼流進(jìn)行以上的逆操作即可得到解密解碼的壓縮(解碼)圖像本實(shí)施例方法的計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)如下仿真實(shí)驗(yàn)的圖像為圖1，其大小為512X512像素。對(duì)偶小波變換的分解層數(shù)為6， 第一層采用雙正交CDF97濾波器，剩下的各層采用q-shift濾波器。低頻部分不進(jìn)行方向 濾波器變換，對(duì)于圖1的圖像，方向?yàn)V波器變換采用各向同性變換，其各級(jí)分層分解數(shù)為W 0 0 2 2 3]。仿真實(shí)驗(yàn)得到的圖像為圖1至圖5，其中圖1為原始圖像；圖2為圖1的局部 細(xì)節(jié)圖像；圖3為對(duì)圖1采用PEG2000解碼方法在壓縮倍數(shù)為40(0. 2bpp)時(shí)得到對(duì)應(yīng)于 圖2的局部細(xì)節(jié)的仿真壓縮(解碼)圖像；圖4為對(duì)圖1采用本例的方法進(jìn)行壓縮倍數(shù)為 40(0. 2bpp)的壓縮加密后在進(jìn)行解密解碼得到的對(duì)應(yīng)于圖2局部細(xì)節(jié)的仿真壓縮(解碼) 圖像。與圖3的JPEG2000圖像比較，本例方法得到的圖4的壓縮圖像，具有更好的客觀 質(zhì)量和主觀效果，圖像的局部細(xì)節(jié)和方向性特征保持更好。圖5為采用本發(fā)明實(shí)施例的方法，對(duì)圖1進(jìn)行壓縮數(shù)為40(0. 2bpp)倍的壓縮加密 的仿真加密圖像。圖5表明本例得到的加密圖像的加密效果很好。表1為不同碼率下本例方法和JPEG2000方法、文獻(xiàn)1、2的方法，得到圖1的解碼 圖像的峰值信噪比(bpp 平均每一個(gè)像素占有的比特?cái)?shù)) (注bpp為平均每一個(gè)像素占有的比特?cái)?shù))表1表明，在壓縮倍數(shù)為16到80倍的范圍內(nèi)，本例方法對(duì)圖1處理后的得到的壓 縮(解碼)圖像，其壓縮圖像的峰值信噪比均高于現(xiàn)有的3種方法。說(shuō)明本例方法得到的 壓縮圖像，具有更好的客觀質(zhì)量。實(shí)施例二本例與實(shí)施例一得操作基本相同，不同的僅僅是a步的操作中，在對(duì)得到的六個(gè) 方向的高頻子帶用各向異性的方向?yàn)V波器組進(jìn)行分解時(shí)，采用各向異性變換。相應(yīng)地c步 交織時(shí)的策略改為對(duì)b步得到的系數(shù)交織各行或者各列。本例方法的仿真實(shí)驗(yàn)如下本實(shí)驗(yàn)選取的原始圖像為紋理豐富的掌紋，其大小為512X512的灰度圖像。方向 濾波器分解采用各向異性變換，其各級(jí)分層分解數(shù)為W O 0 3 3 3]。本實(shí)驗(yàn)得到的圖像為圖6至圖9，其中圖6為原始圖像；圖7為對(duì)圖6采用 PEG2000解碼方法在壓縮倍數(shù)為32(0. 25bpp)時(shí)得到的仿真壓縮(解碼)圖像；圖8為對(duì) 圖6采用本例的方法進(jìn)行壓縮倍數(shù)為32 (0. 25bpp)的壓縮加密后在進(jìn)行解密解碼得到的仿 真壓縮(解碼)圖像。與圖7的JPEG2000圖像比較，本例方法得到的圖8的壓縮圖像，具有更好的客觀 質(zhì)量和主觀效果，圖像的局部細(xì)節(jié)和方向性特征保持更好。圖9為采用本例的方法，對(duì)圖6進(jìn)行壓縮數(shù)為32(0. 25bpp)倍的壓縮加密的仿真 加密圖像。圖9表明本例得到的加密圖像的加密效果很好。表2為不同碼率下本例方法和JPEG2000及文獻(xiàn)1的方法，得到的圖6的解碼圖像 的峰值信噪比 (注bpp為平均每一個(gè)像素占有的比特?cái)?shù))表2表明，在壓縮倍數(shù)為16到80倍的范圍內(nèi)，本例方法對(duì)圖6處理后的得到的壓 縮(解碼)圖像，其壓縮圖像的峰值信噪比，僅比壓縮16倍的JPEG2000方法低，其它情況 均高于現(xiàn)有的2種方法。說(shuō)明本例方法得到的壓縮圖像，具有更好的客觀質(zhì)量。本發(fā)明在進(jìn)行a步的操作中，在對(duì)得到的六個(gè)方向的高頻子帶用各向異性的方向 濾波器組進(jìn)行分解時(shí)，既可以采用各向同性變換，也可以采用各向異性變換。通常對(duì)在方向 特征較多地集中在某一方向上的圖像采用各向異性變換，而對(duì)方向特征沒(méi)有明顯集中趨勢(shì) 的圖像采用各向同性變換。
權(quán)利要求
一種基于多方向稀疏表示的圖像壓縮安全編碼方法，其步驟如下a、多方向的對(duì)偶雙樹(shù)離散小波變換首先對(duì)圖像用對(duì)偶雙樹(shù)離散小波變換分解，分解時(shí)第一層采用CDF 9/7濾波器組分解，其余各層分解采用6抽頭的q-shift濾波器組分解，獲得-75°，-45°，-15°，15°，45°和75°六個(gè)方向的高頻子帶；然后對(duì)得到的六個(gè)方向的高頻子帶用各向異性的方向?yàn)V波器組進(jìn)行分解，各向異性的方向?yàn)V波器組由7階最大平坦菱形濾波器經(jīng)過(guò)McClellan變換和調(diào)制構(gòu)造，且其高、低通濾波器的支撐長(zhǎng)度分別為(29，29)和(43，43)；分解后得到大小是原始圖像兩倍的分解系數(shù)；b、系數(shù)稀疏化對(duì)a步得到的分解系數(shù)進(jìn)行噪聲整形得到稀疏化表示的系數(shù)；c、系數(shù)交織采用擴(kuò)展的空間方向樹(shù)結(jié)構(gòu)對(duì)稀疏化表示的系數(shù)進(jìn)行交織，使相鄰的子帶系數(shù)具有父子關(guān)系；交織時(shí)的策略如下對(duì)應(yīng)于a步中用各向異性的方向?yàn)V波器組進(jìn)行分解時(shí)采用異性變換的系數(shù)，交織各行或者各列；對(duì)應(yīng)于a步中用各向異性的方向?yàn)V波器組進(jìn)行分解時(shí)采用同性變換的系數(shù)，需要同時(shí)交織行和列；d、SPIHT編碼與加密對(duì)交織后的系數(shù)采用SPIHT位平面編碼，產(chǎn)生系數(shù)符號(hào)碼流和反映空間方向樹(shù)結(jié)構(gòu)的碼流，及系數(shù)細(xì)化碼流；對(duì)系數(shù)符號(hào)碼流采用異或的方式加密，對(duì)另外兩種碼流用隨機(jī)算術(shù)編碼進(jìn)行加密，即得到圖像的壓縮加密碼流。
全文摘要
一種基于多方向稀疏表示的圖像壓縮安全編碼算法。先對(duì)圖像進(jìn)行離散雙樹(shù)小波變換，再對(duì)得到的各個(gè)高頻子帶進(jìn)行方向?yàn)V波，得到精細(xì)化的圖像方向稀疏表示；用噪聲整形技術(shù)對(duì)得到的方向子帶系數(shù)進(jìn)行稀疏化處理；再對(duì)每一層系數(shù)進(jìn)行交織，使層數(shù)相鄰的子帶系數(shù)具有父子關(guān)系，采用SPIHT對(duì)系數(shù)進(jìn)行量化編碼；最后對(duì)碼流中的系數(shù)符號(hào)采取異或的方式加密，對(duì)其它的部分碼流采用隨機(jī)算術(shù)編碼加密。對(duì)編碼得到的碼流采用隨機(jī)算術(shù)編碼加密，加密效率高，效果好，安全性高，且對(duì)圖像的壓縮性能沒(méi)有影響。對(duì)圖像的高頻分量采用方向?yàn)V波器分解，方向表示更加靈活，獲得了更加稀疏的圖像表示，有利于圖像編碼壓縮處理，解碼圖像具有更好的客觀質(zhì)量和主觀效果。
文檔編號(hào)H04N7/30GK101848390SQ201010165909
公開(kāi)日2010年9月29日 申請(qǐng)日期2010年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月10日
發(fā)明者張家樹(shù), 李恒建 申請(qǐng)人:西南交通大學(xué)