[發(fā)明專利]基于壓縮感知的視覺安全和數(shù)據(jù)安全的圖像加密、解密方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201611046541.3
• 申請日: 2016-11-23
• 公開（公告）號: CN106600518B
• 公開（公告）日: 2019-06-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 甘志華;韓道軍;朱長江;柴秀麗;路楊;符翔龍;鄭曉宇
• 申請（專利權(quán)）人: 河南大學(xué)
• 主分類號: G06T1/00
• 分類號: G06T1/00
• 代理公司: 鄭州大通專利商標(biāo)代理有限公司 41111
• 代理人: 周艷巧

本發(fā)明涉及一種基于壓縮感知的視覺安全和數(shù)據(jù)安全的圖像加密、解密方法，首先利用SHA 256哈希函數(shù)得到明文圖像的256位哈希值作為圖像秘鑰，并計(jì)算一維skew tent混沌映射和zigzag置亂的初始數(shù)值；對明文圖像進(jìn)行稀疏，對系數(shù)矩陣進(jìn)行zigzag置亂；然后利用一維skew tent混沌映射生成測量矩陣，對置亂矩陣進(jìn)行測量和量化，得到壓縮加密后的圖像，嵌入到視覺有意義的載體圖像中，得到最終視覺有意義的密文圖像。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)明文圖像的視覺安全和數(shù)據(jù)安全，秘鑰空間大，對明文高度敏感，具有更強(qiáng)的抵抗蠻力攻擊、選擇明文攻擊、已知明文攻擊的能力，不需要額外存儲空間，密文圖像可以被快速有效的傳輸和存儲。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及圖像加、解密技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于壓縮感知的視覺安全和數(shù)據(jù)安全的圖像加密、解密方法。

背景技術(shù)

隨著數(shù)字技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，越來越多的多媒體數(shù)據(jù)產(chǎn)生，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸和在云服務(wù)器等平臺進(jìn)行存儲。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)包含大量信息，例如，一張軍事油庫圖片不僅可以告訴我們它的尺寸和數(shù)量，而且還可以給出它的大概位置；一幅人臉照片不僅可以暴露他或她的長相，還可以給出大概的年齡和身體狀況。因此，在醫(yī)學(xué)圖像系統(tǒng)、軍事圖像系統(tǒng)和視頻會議中，保護(hù)圖像數(shù)據(jù)的安全引起了廣泛的關(guān)注，圖像加密是一種可以有效保護(hù)數(shù)據(jù)安全的方法。

目前，許多圖像加密算法被提出，它們使用了混沌系統(tǒng)、DNA計(jì)算、元胞自動機(jī)、光學(xué)變換、布朗運(yùn)動、波函數(shù)傳輸?shù)燃夹g(shù)。已知的大多數(shù)圖像加密算法的一個最重要的特點(diǎn)就是：明文圖像被轉(zhuǎn)化為一幅類噪聲密文，密文圖像的直方圖是平滑的，像素值在[0，255]之間均勻分布，密文圖像的信息熵接近8，密文圖像被發(fā)送方傳遞到接收方，網(wǎng)絡(luò)攻擊者通過分析密文很難得到秘鑰和相應(yīng)的明文。大多數(shù)加密算法都可以有效保護(hù)圖像數(shù)據(jù)的安全，其中一些算法由于秘鑰空間小或者算法和明文相關(guān)性小而被攻破。此外，這些算法有一個共同缺點(diǎn)，就是類噪聲的密文在傳輸和存儲中很容易引起攻擊者的注意，從而被發(fā)現(xiàn)和攻擊。基于此，如果我們設(shè)計(jì)一種視覺安全的密文，即密文圖像具有有意義的外觀，在它們被存儲和傳輸中，就很難被發(fā)現(xiàn)，從而避免了被攻擊的可能，保證了自身的安全。因此，設(shè)計(jì)具有視覺安全和數(shù)據(jù)安全的圖像加密算法是一件很有意義的工作。同時，考慮到傳輸帶寬、存儲空間和實(shí)時應(yīng)用的考慮，我們不希望圖像加密之后得到的密文圖像的尺寸大于相應(yīng)的明文圖像。

2006年，Candes和Donoho提出了壓縮感知的概念，其核心思想是利用信息空間結(jié)構(gòu)，將壓縮和采樣合并進(jìn)行，突破了香農(nóng)采樣定理的限制，可以大大減少采樣點(diǎn)數(shù)，在壓縮感知概念出現(xiàn)不久，就有研究者考慮將壓縮感知用于圖像加密中。例如，H.Fang等把zigzag置亂和壓縮感知用于圖像和視頻的壓縮加密中，發(fā)現(xiàn)zigzag置亂可以有效提高重建圖像和視頻的信噪比。張玉書等利用混沌系統(tǒng)和壓縮感知用于圖像的壓縮加密中，首先圖像的稀疏系數(shù)被混沌序列排序置亂，然后利用壓縮感知進(jìn)行測量加密，最后一個類噪聲的密文圖像被得到。周南潤等利用非線性分?jǐn)?shù)階梅林變換和二維壓縮感知技術(shù)設(shè)計(jì)了一種新的圖像壓縮加密算法，明文圖像被測量矩陣從兩個方向進(jìn)行測量，然后利用非線性分?jǐn)?shù)階梅林變換進(jìn)行二次加密。在這些加密算法中，置亂過程和壓縮感知過程的結(jié)合可以有效放松壓縮感知的有限等距限制，降低了算法的計(jì)算復(fù)雜度，同時增強(qiáng)了算法的壓縮和加密性能。但是，加密算法中，置亂過程和明文無關(guān)，這就意味著相同的置亂向量用于不同的明文圖像加密，算法抗選擇明文攻擊和已知明文攻擊性差。因此，增加算法和明文之間的關(guān)聯(lián)，有助于進(jìn)一步提升算法的安全性。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提出一種基于壓縮感知的視覺安全和數(shù)據(jù)安全的圖像加密、解密方法，高度依賴明文，提高加解密過程中的抗選擇明文和已知明文攻擊的能力，SHA 256哈希函數(shù)的使用使得秘鑰空間大大提高，增強(qiáng)圖像加解密技術(shù)抵抗暴力攻擊的能力。

按照本發(fā)明所提供的設(shè)計(jì)方案，一種基于壓縮感知的視覺安全和數(shù)據(jù)安全的圖像加密方法，包含如下步驟：