[發明專利]基于壓縮感知和變形耦合映像格子的彩色圖像加密方法

有效

• 申請號: 202010068676.X
• 申請日: 2020-01-21
• 公開（公告）號: CN111327900B
• 公開（公告）日: 2022-03-01
• 發明（設計）人: 武相軍;朱凱歌;王慧;李海平;程錦麗;孔凱
• 申請（專利權）人: 河南大學
• 主分類號: H04N19/176
• 分類號: H04N19/176;H04N19/18;H04N19/182;H04N19/186;H04N19/46;H04N19/86;H04L9/00
• 代理公司: 鄭州大通專利商標代理有限公司 41111
• 代理人: 周艷巧

本發明屬于信息安全技術領域，特別涉及一種基于壓縮感知和變形耦合映像格子的彩色圖像加密方法，包含：分離彩色明文圖像的三基色分量，得到分量矩陣；結合初始密鑰，通過SHA?256函數更新變形耦合映像格子的參數和初始值，通過迭代時空混沌系統獲取測量矩陣、密鑰流；將分量矩陣分割并獲取新的圖像矩陣；針對新的圖像矩陣生成稀疏字典；利用測量矩陣測量新的圖像，獲取中間圖像；將中間圖像轉化為系數矩陣，在頻域執行置亂和擴散操作獲取置亂擴散矩陣；利用密鑰流矩陣，將置亂擴散矩陣執行像素級擴散運算，得到最終密文圖像。本發明有效抵抗統計、已知和選擇明文、選擇密文攻擊等，提高安全性和加密效果，具有較好的應用前景。

技術領域

本發明屬于信息安全技術領域，特別涉及一種基于壓縮感知和變形耦合映像格子的彩色圖像加密方法，針對彩色圖像利用壓縮感知技術、時空混沌系統和頻域變換實現數字圖像加密。

背景技術

隨著計算機網絡和多媒體技術的普及，手機、計算機、平板等電子設備已普及到人們生產生活的各個領域，各種數據信息借助網絡在這些電子設備上傳輸與存儲，這些信息以數字圖像居多，這是因為數字圖像能以生動、直觀、形象的特點展示出信息的內容。但是在傳輸和存儲過程中，數字圖像信息可能遭遇偶發的或有意的非授權泄露、修改和破壞等安全性問題，因此數字圖像的隱私保護問題引起了人們極大的關注。現有的圖像加密算法有基于空域加密算法、基于頻域加密算法、基于DNA編碼的加密算法、基于混沌理論的加密算法等。這些大多數的加密算法在解密過程中必須保證密文的完整性，造成了計算量和存儲量加大，很難有效地滿足實時通信的要求。

近年來，壓縮感知作為新的信號采集理論，以遠小于Nyquist采樣定理所規定的樣本數目完成對信號的采樣和壓縮，不僅大大降低了采樣率和計算成本，而且它在采樣的同時，還可以同時對數據進行壓縮和加密，最終得到的測量值是壓縮的密文。這為傳統安全機制不能滿足的實時傳輸、安全性和抗丟包要求提供了新的解決思路，因此，壓縮感知技術成為我們解決互聯網圖像安全問題的有效工具。然而，現有的大多數基于壓縮感知的圖像算法對圖像的稀疏表示方法是采用離散余弦變換(DCT)、離散小波變換(DWT)以及固定字典等。這種稀疏變換雖然計算量小，轉換方便，但對所有不同的圖像都采用相同的轉換方法，缺乏自適應性。而且有些算法的測量矩陣是采用高斯隨機矩陣、伯努利矩陣、Toeplitz測量矩陣或圓形測量矩陣等構成，在存儲和傳輸過程中占用了大量的空間。因此，有必要研究基于壓縮感知的彩色圖像加密方法。

發明內容

針對現有技術中的不足，本發明提供一種基于壓縮感知和變形耦合映像格子的彩色圖像加密方法，能夠有效抵抗統計攻擊、已知和選擇明文攻擊、選擇密文攻擊等，安全性高、加密效果好。

按照本發明所提供的設計方案，提出一種基于壓縮感知和變形耦合映像格子的彩色圖像加密方法，包含：

分離出彩色明文圖像的三基色分量，得到三個分量矩陣；并結合初始密鑰，通過SHA-256函數更新變形耦合映像格子的參數和初始值，迭代時空混沌系統，獲取測量矩陣以及密鑰流；

將分量矩陣分割成不重疊塊，并把每個圖像塊轉化為一維列向量，從中獲得KSVD算法初始字典；然后合并列向量，得到三個相同大小的新的圖像矩陣；并利用KSVD算法稀疏表示新的圖像矩陣，獲得三個稀疏字典；

利用構造的測量矩陣測量新的圖像矩陣，得到三個壓縮矩陣；將獲取到的壓縮矩陣通過2D-DWT變換轉化為系數矩陣，并在頻域執行置亂和擴散操作，得到三個置亂擴散的矩陣；

利用密鑰流矩陣，將頻域加密后的矩陣執行像素級的擴散運算，得到最終的密文圖像。

利用壓縮感知技術、2D-DWT變換、圖像處理技術和時空混沌實現的針對彩色圖像的數字密碼方案，結合混沌密碼學理論、壓縮感知和圖像處理的相關知識，抵抗統計攻擊、已知和選擇明文攻擊、選擇密文攻擊等，提高圖像處理的安全性和加密效果。

上述的該加密方法實現如下：