基于混沌的spiht編碼彩色圖像部分加密方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及通信傳輸中數(shù)字圖像加密方法W及混濁控制和同步技術(shù)，屬于信息安 全領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)代，隨著多媒體的大量應(yīng)用，多媒體數(shù)據(jù)的安全性變得越來越重要了。運(yùn)些數(shù)據(jù) 量大，圖像像素間相關(guān)性高的多媒體數(shù)據(jù)通過有限帶寬信道傳輸，壓縮和加密就變得非常 必要了。為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間和系統(tǒng)資源，壓縮編碼和加密可W集成在一起完成。基于小波變 換的多級樹集合分裂(The Set Partitioning in Hierarchical IYees,SPIHT)把圖像編 碼為一個(gè)可擴(kuò)展的比特位流，是一種高效的圖像有損壓縮編碼。
[0003] 可擴(kuò)展編碼的加密需求導(dǎo)致了加密SPIHT編碼技術(shù)的發(fā)展。H化eng等提出的算法 只加密金字塔的前兩級和初始量化闊值。大小為512 X 512的灰度圖像比特率為0. Sbpp，只 需加密編碼碼流的2%。然而，預(yù)定義重要位的密碼系統(tǒng)比較易于攻擊。S Lian等將3D-SPIHT編碼的視頻通過立方體內(nèi)和立方體間的小波系數(shù)置亂來加密。低頻系數(shù)的符號通過 混濁流密碼來加密。當(dāng)小波變換小于等于4級，立方體小于等于32 X 32 X 32時(shí)，只需加密編 碼的10% DMadin等提出加密前K次排序的重要位LIP和LIS系數(shù)，比特率為0.Sbpp的測試圖 像，平均只需加密0.40%。安全形狀紋理SPIHT(SecST-SPIHT)加密LIP和LIS系數(shù)中表示形 狀的K-測試位，占編碼位流的5%。該方案可W用于監(jiān)視系統(tǒng)的隱私保護(hù)，只有擁有解密密 鑰的授權(quán)用戶才能獲得加密可視對象。N化neja等采用Logistic映射加密隨機(jī)選擇的比特 位。如果指定位的前一位是0,則加密當(dāng)前位。運(yùn)項(xiàng)技術(shù)只需加密圖像編碼碼流的0.5%。然 而，隨機(jī)確定重要位是不合理的。極端情況下，只有很少甚至沒有重要位被加密，很難保證 加密效果。
[0004] 本發(fā)明提出一種新的有效的CSPIHT(Color-SPIHT)編碼的彩色圖像的部分加密。 經(jīng)過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，我們找到CSPIHT編碼碼流的最重要位，再通過PWLCM來加密。本發(fā) 明提出的方案可W抵抗各種攻擊，占用最小的計(jì)算資源，并保持了可擴(kuò)展特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引CSPIHT算法通過修改SPIHT的空間方向樹結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對真彩色圖像的高效編碼。首 先，把圖像從RGB彩色空間轉(zhuǎn)換到Y(jié)CbCr,然后對每個(gè)分量進(jìn)行離散小波變換?？蒞看到，亮度 分量(Y)的小波系數(shù)大于色差分量(Cb和Cr)的系數(shù)值。色差分量的化子帶節(jié)點(diǎn)作為亮度分量 化子帶節(jié)點(diǎn)的后代，如圖IdCSPIHT算法使用S個(gè)有序列表：不重要系數(shù)列表化ist Of Insi即ificantPixels，LIP)，不重要集合列表化istofInsi即ificantSets，LIS)，和重 要系數(shù)列表化ist of Significant Pixels，LSP)。
[0006] CSPIHT 編碼會產(chǎn)生 6 種比特位，即 8、11。-318、8、11。-38。、8、115-1318、8、115-318、8、115-3即、 Bk,LSP，它們分別表示第k次掃描LIP的系數(shù)重要位、符號位、第k次掃描LIS的子樹重要位、系 數(shù)重要位、符號位、第k次掃描LSP的重要位。為了驗(yàn)證運(yùn)6種比特位在圖像重構(gòu)中所起作用 的重要程度，我們在比特率為I的情況下，修改運(yùn)些位的值再重構(gòu)圖像，如果修改之后仍能 重構(gòu)圖像，說明運(yùn)一位對重構(gòu)圖像作用不是很大，如果修改之后不能重構(gòu)圖像，說明運(yùn)一位 對重構(gòu)圖像作用很大。測試圖像Lena如圖2所示。圖3~圖8分別為對測試圖像的W上6種比 特位修改后的重建圖像，其中的(a)圖為該位值由0/1改為1/0,（b)圖為該位值由0/1改為1/ 1，（C)圖為該位值由0/1改為0/0。由實(shí)驗(yàn)我們可W看出Bk,LIP-Sig對重構(gòu)圖像的作用最大，我 們選擇加密Bk, LIP-Sig來保護(hù)圖像不被非法獲得。
[0007] 本發(fā)明的加密算法描述如下，流程圖參見圖9，CSPIHT編碼過程不再寶述。
[0008] 步驟1:大小為MXN的源圖像進(jìn)行n級離散小波變換化WT)轉(zhuǎn)換為小波系數(shù)矩陣，其 中2<n< log(max(M，N))，系數(shù)矩陣由CSPIHT進(jìn)行編碼。排序掃描LIP得到的位流集合 Bk,LIP-Sig中第i位表不為bi，其中bi = 0或 1，i = l ,2,... ,Nk,LIP-SigoNk,LIP-Sig是集合Bk,LIP-Sig的 元素總數(shù)。為了防止破譯者通過選擇明文攻擊確定加密位置，小波分解級數(shù)n也需要保密。
[0009] 步驟2:由分段線性混濁映射(PWLCM)產(chǎn)生密鑰流，公式如下：
(1)
[0011] 其中Xi e [0，1)。當(dāng)控制參數(shù)Pe (0，0.5)時(shí)，公式（1)進(jìn)入混濁狀態(tài)。PWLCM具有均 勻分布性W及非常好的遍歷性、混淆性和確定性，可W提供完美的適用于加密系統(tǒng)的隨機(jī) 序列。
[0012] 接著，公式(2)把[0，1)之間的隨機(jī)數(shù)轉(zhuǎn)換為隨機(jī)二進(jìn)制數(shù)。 1, if 0.5
[圓]巧=Othcrwi化 巧
[0014]在本算法中，控制參數(shù)P和初值XO都是密鑰，采用一次一密來抵抗選擇明文攻擊。 [001引步驟3:加密變換如下：
[0016] bi'= (bi+bi'-i)mod2 ? xbi (3)
[0017] 擴(kuò)散初值W為密鑰。符號?表示異或操作。迭代PWLCM直至加密所有的bi。
[0018] 步驟4:加密級數(shù)k = k+l。如果k小于K，則執(zhí)行步驟2，其中K不大于SPIHT的分裂次 數(shù)，分裂次數(shù)不大于彩色分量的小波系數(shù)最大值的對數(shù)。K為密鑰。
[0019] 本發(fā)明的解密過程即為加密的逆過程，具體算法描述如下，流程圖參見圖10。
[0020] 步驟1:解碼并解密位流。排序掃描LIP得到的位流集合Bk,LIP-Sig中第i位表示為 bi，其中bi 二0或 1 , i 二 1,2 , . . . ,Nk,LIP-sig〇Nk,LIP-sig是集合I3k,LIP-sig的兀素總數(shù)。
[0021] 步驟2:用同樣的參數(shù)和初值通過公式(1)和公式(2)產(chǎn)生二進(jìn)制隨機(jī)數(shù)xbi。
[0022] 步驟3:用和加密過程一樣的擴(kuò)散初值b(/通過公式(4)解密b/。
[002引 bi= I (bi'宙 xbi-bi'-i) |mod2. (4)
[0024]步驟4:解密級數(shù)k = k+l。如果k小于K，則執(zhí)行步驟2,其中K和加密級數(shù)一樣。解密 和解碼得到的n級小波系數(shù)矩陣再經(jīng)過離散小波反變換(IDWT)重建彩色圖像。
[002引本發(fā)明的優(yōu)勢：
[0026]本發(fā)明提出的部分加密方案采用基于混濁的流密碼，只加密CSPIHT前K次排序掃 描產(chǎn)生的最重要位。PWLCM因其具有完美的遍歷性和混淆性而適用于產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)序列。加密 最重要信息保證了圖像數(shù)據(jù)的機(jī)密性。本發(fā)明創(chuàng)新地選擇加密位，并設(shè)計(jì)了混濁加密方案。 通過性能和安全性分析，可W看出本發(fā)明不僅在較低計(jì)算量的情況下有很好的加密效果， 而且能夠抵抗各種常見的密碼分析攻擊。本方案的原理可W應(yīng)用于資源有限的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中 其它內(nèi)嵌的圖像和視頻編碼器。
【附圖說明】
[0027]圖巧CSPIHT算法的空間方向樹結(jié)構(gòu)；
[002引圖2為測試圖像Lena;
[0029] 圖3(a)(b)(c)分別為把8、11。-318位的值0/1修改為1/0、1/1和0/0后重建圖像；
[0030] 圖4(a)(b)(c)分別為把化,LIP-Sgn位的值0/1修改為1/0、1/1和0/0后重建圖像；
[0031] 圖5(a)(b)(c)分別為把化,LIS-Tsig位的值0/1修改為1/0、1/1和0/0后重建圖像；
[0032] 圖6(a)(b)(c)分別為把化,Lis-Sig位的值0/1修改為1/0、1/1和0/0后重建圖像；
[0033] 圖7(a)(b)(c)分別為把化,LIP-Sig位的值0/1修改為1/0、1/1和0/0后重建圖像；
[0034] 圖8(a) (b) (C)分別為把Bk,LSP位的值0/1修改為1/0、IA和0/0后重建圖像；
[003引圖9為加密流程圖；
[0036]圖10為解密流程圖；
[0037 ]圖11為明文圖像和它們的加密結(jié)果；
[003引圖12為分別用10% ,15% ,25% ,75%的編碼/加密位流解密/解碼的結(jié)果圖像。
【具體實(shí)施方式】
[0039] W測試圖像Lena為實(shí)施例