一种分形和混沌相结合的图像压缩加密方法,属于多媒体信息安全技术领域。本发明专利技术针对分形编码良好的图像压缩特性,却没有考虑安全性的问题,设计了一种与混沌结合的安全的图像压缩加密方法。该方法设计选用ICMIC混沌映射产生伪随机序列,根据分形编码的特点,设计基于混沌的高效加密方法,以保证其压缩性能和安全性能。理论分析和实验结果表明,本发明专利技术所提出的方法安全性高,对压缩比没有影响,同时保证了有损压缩良好的重构效果,具有广泛的应用前景和实用价值。前景和实用价值。
【技术实现步骤摘要】
一种分形和混沌相结合的图像压缩加密方法
[0001]本专利技术属于多媒体信息安全
,具体涉及一种分形和混沌相结合的图像压缩加密方法。
技术介绍
[0002]随着多媒体信息和社交网络快速发展,图像数据已成为重要的网络信息载体。公共网络安全传输图像数据的需求也急剧增加,图像的压缩和加密引起了大家的关注,通过这种方式希望既能够提高传输效率,又能保护多媒体内容的安全性。
[0003]分形图像编码是一种有效的图像压缩技术,其利用图像块间的局部自相似性,来消除图像数据中存在的冗余,达到了高压缩比和高质量重构图像的效果
[1]。分形参数控制迭代变换的细节,这种只存储或者传输参数的方法可以得到很高的压缩比。
[0004]研究人员采用多种不同类型的技术来保护图像安全,如数据隐藏
[2]、水印
[3]和加密
[4,5]等。其中,图像加密是最直接的方法,它将有意义的图像转换为不可识别的类似噪声的图像
[6]。混沌系统是一种描述混沌行为的数学模型或方程,具有随机、不可预测、非线性等特性,可以满足图像加密
[7]的要求,因此混沌理论是研究人员最关注的技术之一。
[0005]本专利技术基于分形编码技术和混沌理论,设计了一种新型图像压缩加密方法,以满足目前对图像数据安全性、传输效率、存储成本等问题的需求,本专利技术在安全方面和压缩方面都达到了较好的效果。
技术实现思路
[0006]本专利技术基于分形压缩良好的压缩特性,结合了混沌理论的加密方法。这种新型的图像处理方法,既保证了数据的安全性,又提高了数据的存储和传输效率,满足了数字图像在公共网络中传输的需求,应用领域极其广泛。
[0007]其中,本专利技术针对分形编码的特点,对压缩后的数据进行了有效的加密。选用ICMIC混沌映射产生伪随机序列,在此基础上设计了一种高效的加密方法,能够快速加解密,这也正好补偿了分形编码中时间消耗大的问题。本专利技术保证了分形压缩编码的良好的安全性、压缩性和可操作性。
[0008]本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案是:设计分形和混沌相结合的图像压缩加密方法。
[0009]本专利技术涉及三个主要模块,分别是分形压缩模块、伪随机序列产生模块和混沌加密模块。
[0010]1.ICMIC混沌映射与伪随机序列产生
[0011]ICMIC映射(无限折叠迭代混沌映射)是定义如式(2)所示
[8]。当控制参数a∈(0,∞)时,系统处于混沌状态。
[0012]x
i+1
=sin(α/x
i
)
ꢀꢀꢀ
(1)
[0013]李雅普诺夫指数LE是评价混沌的一个普遍接受的度量。对于动力系统x
i+1
=F
(x
i
),当F(x)可微,可以定义为如式(2)所示。
[0014][0015]LE表示描述了一个动力系统的两个轨迹发散的快慢。当LE大于0时,表示混沌系统的两条轨迹在每次迭代中呈指数发散。因此,如果一个动力系统能获得一个正LE,那么它就表现出混沌行为。LE越大,轨迹发散得越快,表明混沌性能越好。图1绘制了ICMIC混沌映射的LE指数,可以看出其具有复杂的混沌行为。
[0016]分叉图是一种直观观察混沌行为的绘图技术,它为每个采样参数部分地呈现出一个轨道可以很容易地判断系统是否混沌。ICMIC混沌映射的分叉图如图2所示。
[0017]通过给定的系统初值,利用ICMIC映射得到两组混沌序列{x
n
}、{y
n
}(n=1,2,
…
)。归一化{x
n
}混沌序列,并进行排序,保存排序索引用于坐标置乱,混沌序列{y
n
}用于进行扩散操作,改变坐标值,改变坐标的统计特性。
[0018]2.压缩加密设计
[0019]2.1分形压缩编码
[0020]分形图像编码通过去除图像内部之间各部分的自相似冗余达到图像压缩的目的。分形图像编码就是找出一组仿射变换参数的过程,仿射变换参数指定了转换细节而不是像素值[9]。图像首先被分成许多块,每个块被编码为与另一块的相似度,通过对同一图像中的另一个相似块应用迭代收缩变换来重构每个块。因此,迭代函数系统是分形图像编码的基础。所以,只要找出图像中各种分形结构,并通过仿射变换进行表达就可以实现图像的压缩过程。
[0021]假设数字图像有一个矩阵空间M,d是一个失真度量,通过求解迭代压缩变换的逆问题构造压缩图像变换τ,经过迭代最终将图像从空间(M,d)移到一个近似不动点,这个不动点接近于μ
orig
。
[0022]当τ满足式(3)时,
[0023][0024]式中s是τ的收缩因子。τ的存储空间将小于μ
orig
的存储空间,从而实现压缩。
[0025]小块尺寸可以增加自相似的概率,所以分形压缩编码时,将每幅图像划分为多个W
×
H的范围块和 2W
×
2H的域块,W和H分别为范围块的宽度和高度,对于每个范围块将找到最匹配的域块。所以当域块在转换过程中收缩时,它的大小必须至少是范围块的两倍,编码时间与域块数量成正比。
[0026]压缩的迭代变换由式(4)得到,通过迭代式(4)中定义的直到τ达到不动点,即可重构该块。
[0027][0028]2.1加密方法设计
[0029]1.置乱方法
[0030]为了打破图像相邻像素之间的相关性,本专利技术在加密方法设计上,首先对混沌映射生成的随机矩阵进行排序,根据排序索引随机确定图像中不同位置的像素点,将所选的像素点组成环形圈进行移位置乱。
[0031]假设混沌序列为{x
n
},原图为P,置乱后图像为N,具体的像素置乱步骤如下:
[0032](1)将生成的混沌序列{x
n
}形成M
×
N的随机矩阵S1、S2,对每一列进行排序,得到排序后的矩阵S1';
[0033](2)将排序后的索引保存为矩阵I;
[0034](3)利用索引矩阵I的每一行来随机选取像素点。例如,第j次循环,选取的像素点为P(I
i,1
,1)、 P(I
i,2
,2)、...、P(I
i,N
,N),组成环形圈;
[0035](4)将环形圈中的相邻像素进行移位,N(i,1)=P(I
i,2
,2)、N(i,2)=P(I
i,3
,3)、...、N(i,N)=P(I
i,N
,N);
[0036](5)得到置乱后的图像矩阵N。
[0037]2.扩散方法
[0038]像素扩散运算能够改变原图像的统计特性,提高图像加密的安全性。它将微小的变化传播到整个图像上,有效地产生雪崩效应。
[0039]利用两组密钥得到两个M
...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种分形和混沌相结合的图像压缩加密方法,该方法分为以下八步进行实现:第一步,根据如下ICMIC混沌方程,输入参数和初始值作为初始密钥,产生伪随机序列{x
n
}、{y
n
},然后对其进行归一化,归一化的值在0到255之间,得到两个随机矩阵S1、S2;x
i+1
=sin(α/x
i
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)第二步,输入图像,根据分块大小对原始图像进行分形压缩编码,通过仿射变换不断迭代,保存仿射参数;第三步,根据仿射参数的特点,对压缩结果数据进行转换,将仿射参数矩阵转换为0到255之间的图像矩阵,进行可视化显示;第四步,读取归一化后的仿射参数矩阵,将随机矩阵S1的每一列数据进行排序,保存排序过程的索引;第五步,根据索引确定所选像素点的位置,将...
【专利技术属性】
技术研发人员:张淼,王佳琪,佟晓筠,王翥,
申请(专利权)人:哈尔滨工业大学威海,
类型:发明
国别省市:
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