專利名稱：基于ccsds idc和sms4的聯(lián)合信源與信息安全編譯碼方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通信編碼領(lǐng)域的一種聯(lián)合信源與信息安全編譯碼方法，特別是涉及一種基于CCSDS IDC和SMS4的聯(lián)合信源與信息安全編譯碼方法。
背景技術(shù)：
在經(jīng)典的香農(nóng)信息論中，信源編碼和信息安全是信息科學(xué)領(lǐng)域中的不同的研究方向。信源編碼的任務(wù)是壓縮信息的冗余度，其目的是提高傳輸?shù)男?；信息安全的任?wù)則是在密鑰的控制下，人為地通過擴(kuò)散(置換)和擾亂(替代)的方法在要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中加入“噪聲”，使其加密為竊聽者難于解讀的密文信息，接收者則可以通過密鑰將數(shù)據(jù)正確解碼，保證信息的安全傳輸。傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)是根據(jù)香農(nóng)的分離理論，將信源編碼和信息安全編碼串行級(jí)聯(lián)，通過將信源編碼和信息安全獨(dú)立編譯碼，數(shù)據(jù)壓縮與安全分別最優(yōu)化，使編譯碼總體性能達(dá)到最佳，如圖1所示。但是在資源有限的深空通信中具有傳播距離遠(yuǎn)、差錯(cuò)率高、計(jì)算資源和功率有限、緩存空間及處理能力受限等特點(diǎn)，香農(nóng)分離理論成立的前提條件(碼字無限長，信道特性已知)無法滿足，所以分離編譯碼系統(tǒng)的性能受到了一定的限制。另外空間通信網(wǎng)絡(luò)由于其異構(gòu)結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的開放性、信道復(fù)雜、易受干擾等因素，因此空間通信的數(shù)據(jù)安全存在極大隱患。尤其是對(duì)于空間圖像具有數(shù)據(jù)量大、冗余度高、像素相關(guān)性強(qiáng)等特點(diǎn)，數(shù)據(jù)量太大必然會(huì)帶來加密設(shè)備的速度滯慢，進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)的正常工作。針對(duì)信源編碼和信息安全獨(dú)立編譯碼的結(jié)構(gòu)在資源有限的深空通信系統(tǒng)中性能受到限制的特點(diǎn)，研究者們提出了多種聯(lián)合信源與安全編碼方法。這些方法主要是在算術(shù)編碼以及霍夫曼編碼的基礎(chǔ)上進(jìn)行改善。算術(shù)編碼具有良好的壓縮效果，廣泛應(yīng)用于JPEG和H.26L等壓縮標(biāo)準(zhǔn)中。在算術(shù)編碼中，信源序列的概率分布表用來記錄每個(gè)信源符號(hào)出現(xiàn)的概率，信源符號(hào)在概率分布表中的排列方式是事先確定依照概率從大到小的順序排列的。但是算術(shù)編碼并不能保證數(shù)據(jù)安全，隨機(jī)算術(shù)編碼則是算術(shù)編碼的改進(jìn)。隨機(jī)算術(shù)編碼是在算術(shù)編碼過程中引入一個(gè)隨機(jī)序列，該序列決定了信源符號(hào)在編碼過程中是按照概率從大到小的順序還是從小到大的順序進(jìn)行排列，用該隨機(jī)序列變量來控制隨機(jī)算術(shù)編碼的區(qū)間，通過對(duì)編碼區(qū)域進(jìn)行隨機(jī)組織，達(dá)到對(duì)編碼的擾亂控制。譯碼器只有采取和編碼器相同的概率模型和相同的信源存儲(chǔ)方式，才能正確譯碼。其方法的安全性取決于隨機(jī)序列的安全性，在抵抗選擇性明文攻擊上顯得很脆弱，不能保障數(shù)據(jù)安全。SMS4，是我國官方公布的第一個(gè)商用的分組密碼算法，加密算法與密鑰擴(kuò)展算法均采用32步非線性迭代結(jié)構(gòu)，具有高安全性和強(qiáng)抗攻擊能力，但分組加密算法計(jì)算量大，復(fù)雜度高，實(shí)時(shí)傳輸?shù)膱D像數(shù)據(jù)量大，進(jìn)行分組加密時(shí)，需要花費(fèi)較長的時(shí)間?？臻g數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)(ConsultativeCommittee for Space DataSystems, CCSDS)于2005年和1999年分別標(biāo)準(zhǔn)化了圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)(Image DataCompression, IDC)和空間網(wǎng)絡(luò)端到端系統(tǒng)間安全協(xié)議(Space Communication ProtocolSpecification-Security Protocol, SCPS-SP)。SCPS-SP是一種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，米用的是一種分組密碼算法，計(jì)算復(fù)雜，不適用于資源受限網(wǎng)絡(luò)的圖像數(shù)據(jù)加密。因此CCSDS IDC標(biāo)準(zhǔn)、JPEG、H.26L標(biāo)準(zhǔn)中的算術(shù)編碼和分組加密算法等將圖像的壓縮去冗余與數(shù)據(jù)的加密擾亂分離，使得計(jì)算復(fù)雜度高、時(shí)延大，在資源受限的深空通信等網(wǎng)絡(luò)中難以實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)壓縮和加密，保障其有效性和安全性。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有的信源編碼和信息安全獨(dú)立編譯碼中存在的計(jì)算復(fù)雜度高以及安全性等問題，本發(fā)明提出了一種基于CCSDS IDC和SMS4的聯(lián)合信源與信息安全編譯碼方法。該方法設(shè)計(jì)了一種基于CCSDS IDC和SMS4的聯(lián)合信源與信息安全編碼的結(jié)構(gòu)，提出了基于SMS4分組密碼算法子密鑰控制下的聯(lián)合信源與安全編譯碼方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是=CCSDS IDC編碼時(shí)，首先將輸入的圖像進(jìn)行三級(jí)二維離散小波變換，將圖像分為直流系數(shù)和交流系數(shù)，直流系數(shù)進(jìn)行量化、交流系數(shù)進(jìn)行位平面編碼；將SMS4分組密碼算法中的子密鑰，作為隨機(jī)序列發(fā)生器的初始化種子，并通過該隨機(jī)序列發(fā)生器，產(chǎn)生一個(gè)長度為N，且均勻分布的二元隨機(jī)序列ri，r2，…，rN子密鑰，該序列用來控制隨機(jī)算術(shù)編碼中信源符號(hào)在概率分布表中的排列方式，對(duì)量化后的直流系數(shù)進(jìn)行SMS4子密鑰的控制下的隨機(jī)算術(shù)編碼。編碼時(shí)有兩張直流系數(shù)的信源概率分布表，它們存儲(chǔ)相同的信源符號(hào)，只是信源符號(hào)在表中的排列順序不同。其中一張表的信源符號(hào)按照概率從大到小順序排列，另一張表則按概率從小到大順序排列，編碼時(shí)根據(jù)子密鑰是“O”還是“ I”隨機(jī)地選擇其中一張概率分布表，從而達(dá)到擾亂信源符號(hào)對(duì)應(yīng)的編碼區(qū)間的目的。如果隨機(jī)序列變量的值為“1”，選擇信源符號(hào)按照從大到小順序排列的那張概率分布表，對(duì)基準(zhǔn)區(qū)間進(jìn)行劃分；若隨機(jī)序列變量的值為“0”，則選擇信源符號(hào)按照從小到大順序排列的那張概率分布表，對(duì)基準(zhǔn)區(qū)間進(jìn)行劃分，在子密鑰控制下，重復(fù)上述過程，按照隨機(jī)算術(shù)編碼的規(guī)則對(duì)輸入的信源符號(hào)進(jìn)行編碼，同時(shí)更新信源符號(hào)的信源概率分布表，一直到將所有信源符號(hào)直流系數(shù)編碼結(jié)束。由于初始時(shí)，信源為等概分布，因此兩種不同排列方式下的初始概率分布表均相同。直流系數(shù)譯碼則是編碼的逆過程，只有采取相同的密鑰控制和相同的概率分布模型，才能正確譯碼。對(duì)位平面編碼后的交流系數(shù)則進(jìn)行序列加密，序列加密算法中的隨機(jī)序列發(fā)生器產(chǎn)生的二元隨機(jī)序列與交流系數(shù)的二進(jìn)制比特流進(jìn)行逐比特異或運(yùn)算，得到交流密文信息；序列加密的譯碼則是編碼的逆過程，只需將密文與解密密鑰產(chǎn)生的隨機(jī)序列再次進(jìn)行逐比特異或運(yùn)算，便能譯碼得出交流系數(shù)。本發(fā)明的有益效果是:采用CCSDS IDC對(duì)圖像進(jìn)行三級(jí)二維小波變換，對(duì)包含圖像大部分能量及圖像重建過程中起重要作用、數(shù)據(jù)量小的直流系數(shù)，采用SMS4分組密碼算法中子密鑰控制下安全性較高的隨機(jī)算術(shù)編碼，對(duì)包含了圖像的紋理和細(xì)節(jié)信息對(duì)視覺特性影響不大、數(shù)據(jù)量大的交流系數(shù)采用處理速度較快的序列加密方法，將信源壓縮與信息安全聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了聯(lián)合信源與安全編碼。較香農(nóng)分離理論下的級(jí)聯(lián)式編碼有效地降低了編譯碼的計(jì)算復(fù)雜度， 提供了良好的安全性，適用于資源受限的深空網(wǎng)絡(luò)中的圖像、視頻，有效性和安全性傳輸。


圖1.傳統(tǒng)通信系統(tǒng)編碼結(jié)構(gòu)。
圖1中，1.信源符號(hào)，2.信源編碼，3.加密編碼，4.輸出碼流。圖2.基于CCSDS IDC和SMS4的聯(lián)合信源與信息安全編碼框圖。圖2中，5.原始圖像，6.離散小波變換，7.直流系數(shù)，8.交流系數(shù)，9.量化，10.位平面編碼，11.SMS4算法，12.隨機(jī)序列發(fā)生器，13.隨機(jī)算術(shù)編碼，14.直流系數(shù)密文，15.序列加密，16.交流系數(shù)密文，17.輸出碼流；在圖2中5.原始圖像，6.離散小波變換，7.直流系數(shù)，8.交流系數(shù)，9.量化，10.位平面編碼，構(gòu)成CCSDS IDC算法；在圖2中11.SMS4算法，12.隨機(jī)序列發(fā)生器，13.隨機(jī)算術(shù)編碼，14.直流系數(shù)密文，對(duì)量化后的直流系數(shù)在SMS4密鑰的控制下，進(jìn)行隨機(jī)算術(shù)編碼；在圖2中11.SMS4算法，15.序列加密，16.交流系數(shù)密文，進(jìn)行序列加密編碼。在圖2中17，直流系數(shù)的密文與交流系數(shù)的密文進(jìn)行復(fù)用，輸出碼流。
具體實(shí)施例方式1.CCSDS IDC 原理圖2中5.原始圖像，6.離散小波變換，7.直流系數(shù)，8.交流系數(shù)，9.量化，10.位平面編碼，構(gòu)成CCSDS IDC算法；圖2中CCSDS IDC首先利用⑶F9/7小波對(duì)原始圖像進(jìn)行三級(jí)離散小波變換(Discrete Wavelet Transform，DWT)，小波變換后，圖像系數(shù)被分為直流系數(shù)和交流系數(shù)。直流系數(shù)包含了圖像大部分的能量及重要信息，CCSDS IDC首先對(duì)直流系數(shù)DC按照公式⑴和(2)進(jìn)行量化。q = max (q1 , Bitshift (LL3))(I)
權(quán)利要求
1.基于CCSDSIDC的聯(lián)合信源與信息安全的編譯碼方法，其特征是:原始圖像首先經(jīng)過三級(jí)二維離散小波變換，分為直流系數(shù)和交流系數(shù)，接著對(duì)量化后的直流系數(shù)進(jìn)行SMS4分組密碼算法控制下的隨機(jī)算術(shù)編碼，生成直流系數(shù)密文，交流系數(shù)則進(jìn)行位平面編碼后采用序列加密，生成交流系數(shù)密文，譯碼則是編碼的逆過程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于CCSDSIDC的聯(lián)合信源與信息安全編譯碼方法，其特征還在于:編碼前，將SMS4分組密碼算法中的子密鑰，作為隨機(jī)序列發(fā)生器的初始化種子，并通過該隨機(jī)序列發(fā)生器，產(chǎn)生一個(gè)長度為N，且均勻分布的二元隨機(jī)序列Γι，r2,…，1^子密鑰，該序列用來控制隨機(jī)算術(shù)編碼中信源符號(hào)在概率分布表中的排列方式，對(duì)量化后的直流系數(shù)進(jìn)行SMS4子密鑰的控制下的隨機(jī)算術(shù)編碼；一般情況下，隨機(jī)序列的長度N取1024，如果被編碼的信源序列長度大于1024，需要對(duì)1024比特長的隨機(jī)序列通過循環(huán)生成等于被編碼信源長度的子密鑰，同時(shí)對(duì)不同幀圖像選取不同的子密鑰。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于CCSDSIDC的聯(lián)合信源與信息安全編譯碼方法，其特征還在于:對(duì)直流系數(shù)進(jìn)行SMS4分組密鑰算法控制下的隨機(jī)算術(shù)編碼時(shí)，有兩張信源概率分布表，它們存儲(chǔ)相同的信源符號(hào)，只是信源符號(hào)在表中的排列順序不同，其中一張表的信源符號(hào)按照概率從大到小順序排列，另一張表則按概率從小到大順序排列，編碼時(shí)根據(jù)子密鑰是O還是I隨機(jī)地選擇其中一張概率分布表，如果隨機(jī)序列變量的值為1，選擇信源符號(hào)按照從大到小順序排列的那張概率分布表，對(duì)基準(zhǔn)區(qū)間進(jìn)行劃分，若隨機(jī)序列變量的值為0，則選擇信源符號(hào)按照從小到大順序排列的那張概率分布表，對(duì)基準(zhǔn)區(qū)間進(jìn)行劃分，在子密鑰控制下，重復(fù)上述過程，按照隨機(jī)算術(shù)編碼的規(guī)則對(duì)輸入的信源符號(hào)進(jìn)行編碼，同時(shí)更新信源符號(hào)的信源概率分布表。一直到將所有信源符號(hào)直流系數(shù)編碼結(jié)束；初始時(shí)，信源為等概分布，兩種不同排列方式下的初始概率分布表均相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于CCSDSIDC的聯(lián)合信源與信息安全編譯碼方法，其特征還在于:直流系數(shù)譯碼則是編碼的逆過程，只有采取相同的密鑰控制和相同的概率分布模型，才能正確譯碼。
5.據(jù)權(quán)利要求1所述的`基于CCSDSIDC的聯(lián)合信源與信息安全編譯碼方法，其特征還在于:對(duì)位平面編碼后的交流系數(shù)則進(jìn)行序列加密，序列加密算法中的隨機(jī)序列發(fā)生器產(chǎn)生的二元隨機(jī)序列與交流系數(shù)的二進(jìn)制比特流進(jìn)行逐比特異或運(yùn)算，得到交流密文信息。
6.據(jù)權(quán)利要求1所述的基于CCSDSIDC的聯(lián)合信源與信息安全編譯碼方法，其特征還在于:序列加密的譯碼則是編碼的逆過程，只需將密文與解密密鑰產(chǎn)生的隨機(jī)序列再次進(jìn)行逐比特異或運(yùn)算，便能譯碼得出交流系數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及通信編碼領(lǐng)域的一種聯(lián)合信源與信息安全編譯碼方法。為了解決現(xiàn)有的信源編碼和信息安全獨(dú)立編譯碼中存在的計(jì)算復(fù)雜度高以及安全性等問題，本發(fā)明提出了一種基于CCSDS IDC的聯(lián)合信源與信息安全編譯碼方法。該方法將輸入的原始圖像進(jìn)行三級(jí)二維離散小波變換，將圖像分為直流系數(shù)和交流系數(shù)，直流系數(shù)量化后進(jìn)行SMS4分組密鑰算法控制下的隨機(jī)算術(shù)編碼，用于打亂符號(hào)的編碼區(qū)間，在完成數(shù)據(jù)壓縮的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的加密；交流系數(shù)進(jìn)行位平面編碼后則進(jìn)行序列加密；譯碼則是編碼的逆過程。該方法降低了計(jì)算復(fù)雜度，同時(shí)能提供良好的安全性，適用于資源受限的深空網(wǎng)絡(luò)中的圖像、視頻有效性和安全性傳輸。
文檔編號(hào)H04L1/00GK103107859SQ20111036061
公開日2013年5月15日 申請(qǐng)日期2011年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月15日
發(fā)明者張燦, 凃國防, 李林森 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院研究生院