[發明專利]一種動態概率和空頻域復合的圖像選擇性加密和解密方法

有效

• 申請號: 201610102071.1
• 申請日: 2016-02-24
• 公開（公告）號: CN105761198B
• 公開（公告）日: 2019-03-05
• 發明（設計）人: 邵利平;唐子龍
• 申請（專利權）人: 陜西師范大學
• 主分類號: G06T1/00
• 分類號: G06T1/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 陸萬壽

本發明提供一種動態概率和空頻域復合的圖像選擇性加密和解密方法，將待加密圖像MD5值和SHA?1值復合以提高單Hash特征的抗沖撞能力，通過和用戶密鑰緊耦合來生成中間密鑰參數用于概率區間劃分、概率生成、待加密像素塊篩選以及確定概率加密事件和變換參數。所設計的加密事件包括空域和頻域置換操作以提高加密效率和避免頻域系數溢出對恢復圖像視覺質量的影響，所提方法對待加密圖像的加密特征和用戶密鑰都進行了更新，使得不同加密次數下的密鑰參數有很大不同同時又與待加密圖像特征和用戶密鑰緊密關聯，同時又可通過預先設定的加密閾值進行圖像視覺質量和頻域溢出篩選控制。在解密時，需首先恢復中間密鑰集，再對篩選出的像素塊執行逆向解密操作。

技術領域

本發明屬于信息安全和數字圖像信號處理交叉研究領域，涉及一種圖像加密和解密方法，特別涉及一種動態概率和空頻域復合的圖像選擇性加密和解密方法。

背景技術

傳統圖像加密通常針對的是整幅圖像，用于將整幅圖像轉換為面目全非的隨機密圖，不僅帶來了高昂的計算代價，也掩蓋了待加密圖像幾乎除大小以外的所有特征。在很多實際應用中，往往不需對整幅圖像進行加密，而僅需對圖像選定的比特位面、區域和部分像素進行加密，并且在加密的同時需提供原始圖像的部分特征來給潛在的用戶以更多體驗，從而換取更大的商業利益，而這些加密圖像所保留的圖像特征，還可進一步用于圖像分類、檢索和識別等，從而相對于傳統圖像加密，具備更多的使用價值。這種僅對圖像選定的比特位面、區域和部分像素加密的方法，被稱為選擇性加密。

針對選擇性圖像加密，目前比較典型的選擇性圖像加密方法主要有：

①對選取的部分比特位面或比特位進行選擇性加密。例如，Rehman A U,2015.(Rehman A U,Liao X,Kulsoom A,et al.Selective encryption for gray images basedon chaos and DNA complementary rules[J].Multimedia Tools and Applications,2015,74(13):4655-4677)對待加密圖像的高低位比特位面通過不同的DNA序列加密。Kulsoom A,2016.(Kulsoom A,Xiao D,Aqeel-ur-Rehman,et al.An efficient and noiseresistive selective image encryption scheme for gray images based on chaoticmaps and DNA complementary rules[J].Multimedia Tools and Applications,2016,75(1):1-23.)進一步引入圖像的MD5值來提高Rehman A U,2015所述策略的抗選擇明文攻擊能力。Moon D,2006.(Moon D,Chung Y,Pan S B,et al.An efficient selectiveencryption of fingerprint images for embedded processors[J].ETRI journal,2006,28(4):444-452.)將像素的LSB作為隨機密鑰流與高位比特位進行異或加密來掩蓋待加密圖像特征，并通過保密LSB來提高所述策略的安全性。Vanogenbroeck M,2002.(Vanogenbroeck M,Benedett R.Techniques for a selective encryption ofuncompressed and compressed images[C]//in Proceedings of Advanced Conceptsfor Intelligent Vision Systems(ACIVS)2002.2002:90-97.)利用與密圖等大的2值隨機密鑰對選定的比特位面進行逐位異或加密。鐘鳴,2008.(鐘鳴,廖曉峰,周慶.一種基于四叉樹的空域圖像選擇加密算法[J].計算機工程,2008,34(18):174-178.)將圖像選定的比特位面劃分為8×8小塊，通過改變小塊的位置關系和交換8×8小塊4叉樹同層分解結點的位置順序來對選定的比特位面進行加密。Xiang T,2007.(Xiang T,Wong K,LiaoX.Selective image encryption using a spatiotemporal chaotic system[J].Chaos:An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science,2007,17(2):415-427.)采用基于斜帳篷映射的1維耦合映射格子對選中的比特位面進行選擇性加密，并通過調整待加密的顯著比特位面數量在安全性和加密性能上進行折中。Hoang T,2014.(Hoang T,Tran,D.Cryptanalysis and security improvement for selective image encryption[J].European Physical Journal Special Topics,2014,223(8):1635-1646.)對Xiang T,2007的安全性進行了分析，通過改變每個像素參與加密的顯著比特位數來提高所述策略的安全性。Rehman A U,2015，Kulsoom A,2016，Moon D,2006，Vanogenbroeck M,2002，鐘鳴,2008，Xiang T,2007和Hoang T,2014都是基于比特位面或比特位的選擇性圖像加密。不同的是Rehman A U,2015和Kulsoom A,2016對高低位比特位面采用了不同的加密策略；MoonD,2006是將低位比特位面作為對高位比特位面異或加密的密鑰；Vanogenbroeck M,2002，鐘鳴,2008和Xiang T,2007是對選中的比特位面進行加密；Hoang T,2014對不同的像素進行不同數量的比特位加密。基于比特位面和比特位的選擇性加密策略可通過調整加密的比特位面和加密比特位的數量來調整待加密圖像的視覺質量，若加密數量過多，則趨于傳統圖像加密，若僅對顯著位或顯著位面進行加密，則喪失圖像的辨識特征，若僅對不顯著比特位面加密，則無法有效地降低圖像的視覺質量。若將LSB作為密鑰，則在傳輸過程中易于破壞，導致加密圖像無法恢復。對于灰度或彩色圖像，僅有有限個可供選擇的比特位面，通過選擇不同的比特位面來對圖像加密代價和加密圖像的視覺質量進行調控，所能起到的調控作用十分有限。