基于混沌的SPIHT编码彩色图像部分加密方法技术

提出一种基于混沌的内嵌的压缩彩色图像部分加密技术。修改SPIHT编码彩色图像不同类型的比特位的值导致图像不同程度的退化降质。这意味着编码时的六种比特位在解码时有不同程度的贡献。只要加密贡献最大的比特位，就可以保证信息不被泄露，并且计算量最小。分段线性混沌映射(The Piecewise Linear Chaotic Map，PWLCM)有非常好的遍历性和混乱性，适用于密码系统的随机数序列生成。通过实验进行了详细的性能和安全性分析，以确保能够抵抗各种攻击，计算量小于0.49%，并且保持了编码的可扩展性。

Chaos based SPIHT coding method for color image encryption

This paper presents a partially compressed color image encryption technique based on chaos. Modifying the value of different bits of the SPIHT encoded color image results in degraded images with different degrees of degradation. This means that the six bits of the encoding have different degrees of contribution in decoding. As long as the contribution of the largest bit encryption, you can ensure that the information is not compromised, and the smallest amount of computation. Piecewise linear chaotic map (The Piecewise Linear Chaotic Map, PWLCM) have very good ergodicity and chaos, random sequence generation for cryptographic system. The performance and security analysis are carried out through experiments to ensure that it is able to resist various attacks, the computation is less than 0.49%, and the scalability of the coding is maintained.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及通信传输中数字图像加密方法以及混沌控制和同步技术,属于信息安全领域。
技术介绍
当代，随着多媒体的大量应用，多媒体数据的安全性变得越来越重要了。这些数据量大，图像像素间相关性高的多媒体数据通过有限带宽信道传输，压缩和加密就变得非常必要了。为了节省计算时间和系统资源，压缩编码和加密可以集成在一起完成。基于小波变换的多级树集合分裂(TheSetPartitioninginHierarchicalTrees，SPIHT)把图像编码为一个可扩展的比特位流，是一种高效的图像有损压缩编码。可扩展编码的加密需求导致了加密SPIHT编码技术的发展。HCheng等提出的算法只加密金字塔的前两级和初始量化阈值。大小为512×512的灰度图像比特率为0.8bpp，只需加密编码码流的2％。然而，预定义重要位的密码系统比较易于攻击。SLian等将3D-SPIHT编码的视频通过立方体内和立方体间的小波系数置乱来加密。低频系数的符号通过混沌流密码来加密。当小波变换小于等于4级，立方体小于等于32×32×32时，只需加密编码的10％。Martin等提出加密前K次排序的重要位LIP和LIS系数，比特率为0.8bpp的测试图像，平均只需加密0.40％。安全形状纹理SPIHT(SecST-SPIHT)加密LIP和LIS系数中表示形状的∝-测试位，占编码位流的5％。该方案可以用于监视系统的隐私保护，只有拥有解密密钥的授权用户才能获得加密可视对象。NTaneja等采用Logistic映射加密随机选择的比特位。如果指定位的前一位是0，则加密当前位。这项技术只需加密图像编码码流的0.5％。然而，随机确定重要位是不合理的。极端情况下，只有很少甚至没有重要位被加密，很难保证加密效果。本专利技术提出一种新的有效的CSPIHT(Color-SPIHT)编码的彩色图像的部分加密。经过对实验结果的分析，我们找到CSPIHT编码码流的最重要位，再通过PWLCM来加密。本发明提出的方案可以抵抗各种攻击，占用最小的计算资源，并保持了可扩展特性。
技术实现思路
CSPIHT算法通过修改SPIHT的空间方向树结构实现对真彩色图像的高效编码。首先，把图像从RGB彩色空间转换到YCbCr，然后对每个分量进行离散小波变换。可以看到，亮度分量(Y)的小波系数大于色差分量(Cb和Cr)的系数值。色差分量的LL子带节点作为亮度分量LL子带节点的后代，如图1。CSPIHT算法使用三个有序列表：不重要系数列表(ListofInsignificantPixels，LIP)，不重要集合列表(ListofInsignificantSets，LIS)，和重要系数列表(ListofSignificantPixels，LSP)。CSPIHT编码会产生6种比特位，即Bk,LIP-sig、Bk,LIP-sgn、Bk,LIS-Tsig、Bk,LIS-sig、Bk,LIS-sgn、Bk,LSP，它们分别表示第k次扫描LIP的系数重要位、符号位、第k次扫描LIS的子树重要位、系数重要位、符号位、第k次扫描LSP的重要位。为了验证这6种比特位在图像重构中所起作用的重要程度，我们在比特率为1的情况下，修改这些位的值再重构图像，如果修改之后仍能重构图像，说明这一位对重构图像作用不是很大，如果修改之后不能重构图像，说明这一位对重构图像作用很大。测试图像Lena如图2所示。图3～图8分别为对测试图像的以上6种比特位修改后的重建图像，其中的(a)图为该位值由0/1改为1/0，(b)图为该位值由0/1改为1/1，(c)图为该位值由0/1改为0/0。由实验我们可以看出Bk,LIP-sig对重构图像的作用最大，我们选择加密Bk,LIP-sig来保护图像不被非法获得。本专利技术的加密算法描述如下，流程图参见图9，CSPIHT编码过程不再赘述。步骤1：大小为M×N的源图像进行n级离散小波变换(DWT)转换为小波系数矩阵，其中2≤n≤log(max(M,N))，系数矩阵由CSPIHT进行编码。排序扫描LIP得到的位流集合Bk,LIP-sig中第i位表示为bi，其中bi＝0或1，i＝1,2,...,Nk,LIP-sig。Nk,LIP-sig是集合Bk,LIP-sig的元素总数。为了防止破译者通过选择明文攻击确定加密位置，小波分解级数n也需要保密。步骤2：由分段线性混沌映射(PWLCM)产生密钥流，公式如下：xi+1=xi/p,0≤xi<p(xi-p)/0.5-p,p≤xi<0.5(1-xi-p)/0.5-p,0.5≤xi<1-p(1-xi)/p,1-p≤xi≤1---(1)]]>其中xi∈[0,1)。当控制参数p∈(0,0.5)时，公式(1)进入混沌状态。PWLCM具有均匀分布性以及非常好的遍历性、混淆性和确定性，可以提供完美的适用于加密系统的随机序列。接着，公式(2)把[0,1)之间的随机数转换为随机二进制数。xbi=1,ifxi>0.50,otherwise---(2)]]>在本算法中，控制参数p和初值x0都是密钥，采用一次一密来抵抗选择明文攻击。步骤3：加密变换如下：bi′＝(bi+bi′-1)mod2⊕xbi(3)扩散初值b0′为密钥。符号⊕表示异或操作。迭代PWLCM直至加密所有的bi。步骤4：加密级数k＝k+1。如果k小于K，则执行步骤2，其中K不大于SPIHT的分裂次数，分裂次数不大于彩色分量的小波系数最大值的对数。K为密钥。本专利技术的解密过程即为加密的逆过程，具体算法描述如下，流程图参见图10。步骤1：解码并解密位流。排序扫描LIP得到的位流集合Bk,LIP-sig中第i位表示为bi′，其中bi′＝0或1，i＝1,2,...,Nk,LIP-sig。Nk,LIP-sig是集合Bk,LIP-sig的元素总数。步骤2：用同样的参数和初值通过公式(1)和公式(2)产生二进制随机数xbi。步骤3：用和加密过程一样的扩散初值b0′通过公式(4)解密bi′。bi＝|(bi′⊕xbi-bi′-1)|mod2.(4)步骤4：解密级数k＝k+1。如果k小于K，则执行步骤2，其中K和加密级数一样。解密和解码得到的n级小波系数矩阵再经过离散小波反变换(IDWT)重建彩色图像。本专利技术的优势：本专利技术提出的部分加密方案采用基于混沌的流密码，只加密CSPIHT前K次排序扫描产生的最重要位。PWLCM因其具有完美的遍历性和混淆性而适用于产生随机数序列。加密最重要信息保证了图像数据的机密性。本专利技术创新地选择加密位，并设计了混沌加密方案。...

【技术保护点】
基于混沌的SPIHT编码彩色图像部分加密方法的加密算法，其特征在于加密位的选择以及置乱和扩散的方法，算法描述如下：步骤1：大小为M×N的源图像进行n级离散小波变换(DWT)转换为小波系数矩阵，其中2≤n≤log(max(M,N))；系数矩阵由CSPIHT进行编码，排序扫描LIP得到的位流集合Bk,LIP‑sig中第i位表示为bi，其中bi＝0或1，i＝1,2,...,Nk,LIP‑sig；步骤2：由分段线性混沌映射(PWLCM)产生密钥流，每个元素都是[0,1)之间的随机小数，再转换成随机二进制数0或1；步骤3：加密及扩散过程如下：bi′＝(bi+bi‑1′)mod2⊕xbi，扩散初值b0′为密钥，符号⊕表示异或操作，迭代PWLCM直至加密所有的bi；步骤4：加密级数k＝k+1，如果k小于K，则执行步骤2，其中K不大于SPIHT的分裂次数，分裂次数不大于彩色分量的小波系数最大值的对数，K为密钥。

【技术特征摘要】
1.基于混沌的SPIHT编码彩色图像部分加密方法的加密算法，其特征在于加密位的选
择以及置乱和扩散的方法，算法描述如下：
步骤1：大小为M×N的源图像进行n级离散小波变换(DWT)转换为小波系数矩阵，其中2
≤n≤log(max(M,N))；系数矩阵由CSPIHT进行编码，排序扫描LIP得到的位流集合Bk,LIP-sig中第i位表示为bi，其中bi＝0或1，i＝1,2,...,Nk,LIP-sig；
步骤2：由分段线性混沌映射(PWLCM)产生密钥流，每个元素都是[0,1)之间的随机小
数，再转换成随机二进制数0或1；
步骤3：加密及扩散过程如下：
bi′＝(bi+bi-1′)mod2⊕xbi，
扩散初值b0′为密钥，符号⊕表示异或操作，迭代PWLCM直至加密所有的bi；
步骤4：加密级数k＝k+1，如果k小于K，则执行步骤2，其中K不大于SPIHT的分裂次数，分
裂次数不大于彩色分量的小波系数最大值的对数，K为密钥。
2.根据权利要求1所述的基于混沌的SPIHT编码彩色图像部分加密方法，其特征在于选
择CSPIHT编码产生的6种比特位(Bk,LIP-sig、Bk,LIP-sgn、Bk,LIS-Tsig、Bk,LIS-sig、Bk,LIS-sgn、Bk,LSP)中
的哪些进行加密能够保证加密效果和计算量最小；我们通过实验验证Bk,LIP-sig对重构图像
的作用最大，因此选择加密Bk,LIP-sig来保护图像不被非...

【专利技术属性】
技术研发人员：张新君，李铁，彭晏飞，孙劲光，
申请(专利权)人：辽宁工程技术大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21