联合信源信道与安全的JPEG2000算术码的双向编译码方法技术

为了提高JPEG2000的抗差错性和安全性，本发明专利技术提出一种联合信源信道与安全的JPEG2000算术码的双向编译码方法。该方法在算术码编码模型中保留多个冗余符号，实现检错；用混沌系统控制冗余符号的比例，增强算术码编码的安全性，然后在位平面编码中生成安全双向码流，将信道编码检错、纠错与安全混沌加密相结合；在译码端针对算术码错误扩散的问题，采用双向译码的方法，提升算术码的纠错能力，同时通过计算相应的阈值，采用阈值控制的软、硬判决相结合方法进行算术码译码降低译码复杂度。

Bidirectional Coding and Decoding of JPEG2000 Arithmetic Code with Joint Source Channel and Security

In order to improve the error resistance and security of JPEG2000, the invention proposes a bidirectional encoding and decoding method of JPEG2000 arithmetic code combining source channel and security. This method retains multiple redundant symbols in the arithmetic code coding model to realize error detection; uses chaotic system to control the proportion of redundant symbols to enhance the security of arithmetic code coding, and then generates a secure bidirectional code stream in bit plane coding, which combines channel coding error detection, error correction and secure chaotic encryption; at the decoder end, bidirectional decoding is adopted to solve the problem of arithmetic code error diffusion. Methods To improve the error correction ability of arithmetic codes, and reduce the decoding complexity by calculating the corresponding thresholds, using the combination of soft and hard decision of threshold control.

【技术实现步骤摘要】
联合信源信道与安全的JPEG2000算术码的双向编译码方法
本专利技术涉及通信领域的一种联合编译码方法，具体涉及一种联合信源信道与安全的JPEG2000算术码的双向编译码方法
技术介绍
在传统的通信系统中，信源编码、信道编码与信息安全是按照香农的分离理论，通过将数据压缩、差错控制与加密分别最优化，使编译码总体性能达到最佳。分离算法设计简单、通用性好，但没有充分利用各自的先验信息、冗余信息和信道的状态信息，难以逼近信道容量和安全的最优性能。因此，把信源编码、信道编码和加密技术联合起来是很有必要的。JPEG2000作为新一代静态图像压缩标准，广泛应用于雷达遥感、多媒体、数据库、无线通信等领域，具有高压缩性、渐进式传输、感兴趣区域编码以及码流的随机访问等优点。但由于使用了算术码，JPEG2000对误码非常敏感，在有噪信道中出现的单个误码会使得整个码块被丢弃。针对误码扩散这个问题，Grangetto提出在算术码编码过程中添加单个冗余符号，使算术码具有检错能力，译码时通过输入序列的软信息，实现最大后验概率译码。然而这种方法仅增加了单个冗余符号，并且译码时采用软判决译码，译码复杂度较高。Gao提出对数据块中的编码数据进行错误检测和掩盖的方法解决误码扩散的问题，但该方法仅针对视频数据进行处理，并不适用于JPEG2000的码流结构。由于数据的可访问性，传输数据容易遭到窃听，保障信息的安全性显得尤为重要。由于混沌理论具有良好的特性，近年来混沌加密受到了研究者的广泛重视。不少研究成果将JPEG2000和混沌结合在一起，通过混沌映射控制算术码编码模型，实现了联合信源与安全编译码算法。综合已有的联合编译码方法，联合信源信道的编译码方法存在单冗余符号检错能力不足，无法纠错以及译码复杂度太大的问题；而联合信源与安全的编译码方法没有考虑信道噪声，不能进行实际应用。因此，针对JPEG2000标准，已有的联合编译码方法不能达到最优性能，无法保障传输图像的抗差错性和安全性。
技术实现思路
为了提高JPEG2000的抗差错性和安全性，本专利技术将信源编码、信道编码和加密技术联合起来，提出一种联合信源信道与安全的JPEG2000算术码的双向编译码方法。该方法在算术码编码模型中保留多个冗余符号，实现检错；用混沌系统控制冗余符号的比例，增强算术码编码的安全性，然后在位平面编码中生成安全双向码流，将信道编码检错、纠错与安全混沌加密相结合；在译码端针对算术码错误扩散的问题，采用双向译码的方法，提升算术码的纠错能力，同时通过计算相应的阈值，采用阈值控制的软、硬判决相结合方法进行算术码译码降低译码复杂度。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：在编码器端，原始图像预处理后进行离散小波变换，对产生的小波系数量化，以码块为单位，按照二进制位分层的方法，从最高有效位平面到最低有效位平面进行三个通道扫描建模。在每个位平面中，同时对每个条带进行三通道扫描，实现多条带的并行编码。每个条带单独进行熵编码，在MQ编码器中保留多个冗余符号，密钥通过Cat混沌映射生成混沌序列，控制MQ编码器中冗余符号的比例。位平面中每个条带编码后得到的数据经Logistic混沌映射控制进行平移、反转和异或，生成安全双向码流。译码器端是编码的逆过程，MQ译码器根据当前的信道条件和传输要求，通过计算相应的阈值，采用阈值控制的软、硬判决相结合方法进行算术码译码。位平面译码时，先进行正向译码，当正向译码出现错误时，对码流进行反向译码，纠正译码错误。本专利技术的有益效果是，将信源数据输入到添加了多个受控冗余符号的算术编码器中实现检错；通过混沌系统控制多个冗余符号的比例，增强算术码的安全性；采用阈值控制的软、硬判决相结合方法，实现译码性能和复杂度的折中；同时针对算术码错误扩散的问题，采用双向译码的方法，提升算术码的纠错能力。系统在实现高效压缩的同时，具有良好的抗差错性和安全性。附图说明图1.联合信源信道与安全的JPEG2000算术码的双向编译码方法流程图。图1中，1.预处理，2.离散小波变换，3.量化，4.位平面编码，5.生成安全双向码流，6.Logistic混沌映射，7.MQ编码，8.Cat混沌映射，9.码率控制和码流组装，10.有噪信道，11.码流拆分，12.MQ译码，13.阈值控制，14.位平面译码，15.双向译码，16.反量化，17.离散小波反变换，18.后处理，19.原始图像，20.压缩码流，21.重建图像。图2，生成安全双向码流过程。图2中，22.第1个条带编码后得到的码流(T1)，23.第n个条带编码后得到的码流(Tn)，24.判断混沌序列第一个数值是否大于等于0.5(z1≥0.5)，25.判断混沌序列第n个数值是否大于等于0.5(zn≥0.5)，26.设定第一个条带缓存码流(V1＝T1)，27.设定第一个条带缓存码流(V1＝T′1)，28.设定第n个条带缓存码流(Vn＝Tn)，29.设定第n个条带缓存码流(Vn＝T′n)，30.第1个缓存码流(V1)，31.第n个缓存码流(Vn)，32.平移w个比特，33.表示异或操作，34.生成的安全双向码流。具体实施方式1、加密抗差错算术码联合信源信道与安全的JPEG2000算术码的双向编译码方法流程图如图1所示：图中，原始图像19预处理1后进行离散小波变换2，对产生的小波系数量化3，按照二进制位分层的方法，从最高有效位平面到最低有效位平面依次进行MQ算术编码7，用Cat混沌映射8进行加密。JPEG2000中的MQ编码器是自适应的二进制算术编码，每次编码时将区间分割为大概率符号区间和小概率符号区间。在编码过程中，编码器首先根据输入信源符号判断其为大概率符号或小概率符号，接着通过信源符号的概率将编码区间进行划分，选择输入信源符号所对应的区间。如此反复进行，直到信源序列处理完，得到最终的编码序列。为了提高算术码的抗差错性能，在MQ编码器中添加三个受控冗余符号，分别放在编码区间的最左端、两个编码符号的中间和编码区间的最右端。三个冗余符号的概率分别为Qf1、Qf2和Qf3，概率之和为Qf。三个冗余符号在编码区间中所占用的区间总量是固定的，通过Cat映射生成两组密码流和控制三个冗余符号的比例：：Qf1＝Qf·x/2，Qf2＝Qf·y/2，Qf3＝Qf-Qf1-Qf2。该冗余符号在实际码流中是不会出现的，而一旦译码器译出了冗余符号，则检测到码流中出现了错误。在加入同等冗余度的条件下，多冗余符号算术码较单冗余符号算术码能够提高系统的检错功能，并增强安全性。2、基于JPEG2000标准的安全双向编译码方法在图1中，编码端的位平面编码4用Logistic映射6加密生成安全双向编译码流5，译码端的位平面译码14采用双向译码方法15对码流进行译码。为了减少错误扩散问题，本专利采用条带独立的位平面编码，即在每个位平面中，同时对每个条带进行三通道扫描，实现多条带的并行编码。每个条带单独进行熵编码，令Tn表示第n个条带编码后得到的码流，T′n表示单个条带码流的翻转。采用缓存器来生成安全双向可译码流，令Vn表示对应第n个条带的缓存器，Logistic映射生成混沌序列进行控制加密。生成安全双向码流过程如图2所示：当混沌序列zn≥0.5时，令第n个条带的缓存器保存第n个条带编码后得本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种联合信源信道与安全的JPEG2000算术码的双向编译码方法，其特征是：在编码器端，首先在算术码编码模型中保留多个冗余符号实现检错，用混沌系统控制冗余符号增加安全性，然后在位平面编码中生成安全双向码流，译码器端是编码的逆过程，对接收到的有噪信号在位平面译码中采用双向译码方法实现纠错，然后采用阈值控制的软、硬判决相结合方法进行算术码译码。

【技术特征摘要】
1.一种联合信源信道与安全的JPEG2000算术码的双向编译码方法，其特征是：在编码器端，首先在算术码编码模型中保留多个冗余符号实现检错，用混沌系统控制冗余符号增加安全性，然后在位平面编码中生成安全双向码流，译码器端是编码的逆过程，对接收到的有噪信号在位平面译码中采用双向译码方法实现纠错，然后采用阈值控制的软、硬判决相结合方法进行算术码译码。2.根据权利要求1所述的联合信源信道与安全的JPEG2000算术码的双向编译码方法，其特征还在于：在算术码编码器中添加三个受控冗余符号，分别放在编码区间的最左端、两个编码符号的中间和编码区间的最右端，三个冗余符号在编码区间中所占用的区间总量是固定的，通过混沌映射生成两组密码流，控...

【专利技术属性】
技术研发人员：凃国防，张灿，鄢懿，
申请(专利权)人：中国科学院大学，
类型：发明
国别省市：北京,11