[發(fā)明專利]一種基于壓縮感知的彩色圖像壓縮加密方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011464455.0
• 申請日: 2020-12-14
• 公開（公告）號: CN112637441B
• 公開（公告）日: 2022-07-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 孫舒舒;呂偉杰
• 申請（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號: H04N1/32
• 分類號: H04N1/32;H04N1/44;H04L9/00;H04L9/08
• 代理公司: 天津創(chuàng)智天誠知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 12214
• 代理人: 王秀奎

本發(fā)明提供了一種基于壓縮感知的彩色圖像壓縮加密方法。該方法首先將彩色明文圖像分解為R、G、B三個分量，其次分別對其進(jìn)行二維離散小波變換得到三個稀疏系數(shù)矩陣，接著采用Arnold映射對稀疏系數(shù)矩陣進(jìn)行位置置亂，然后對置亂后的矩陣進(jìn)行壓縮感知和量化，對量化后的矩陣進(jìn)行正反兩次擴(kuò)散，最后得到密文圖像。利用未量化的壓縮感知結(jié)果更新Lorenz混沌系統(tǒng)的初始值，利用Lorenz混沌系統(tǒng)生成的偽隨機(jī)序列對量化后圖像進(jìn)行像素值擴(kuò)散。本發(fā)明使密文圖像的灰度值分布均勻，克服了壓縮感知明文敏感度不夠的缺點，增強(qiáng)抵抗選擇明文攻擊的能力，具有較強(qiáng)的安全性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種數(shù)字圖像加密技術(shù)領(lǐng)，特別是涉及一種基于壓縮感知的彩色圖像壓縮加密方法。

背景技術(shù)

隨著信息和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的革命性進(jìn)步，產(chǎn)生、傳輸和存儲了大量的數(shù)字圖像、視頻等信息載體。與此同時，越來越多的政府部門、企業(yè)和個人出于不同的目的關(guān)注著隱私權(quán)的保護(hù)。因此，在此背景下，圖像密碼系統(tǒng)在軍事安全、醫(yī)學(xué)圖像處理、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)阮I(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。最近的研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的傳統(tǒng)加密方式，如數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)(DES)，國際數(shù)據(jù)加密算法(IDEA)和高級加密標(biāo)準(zhǔn)(AES)都不適合圖像加密。所以一些研究人員開發(fā)了一些用于圖像加密的新的算法。

信息安全系統(tǒng)一般分為兩大類，一類是加密，另一類是隱寫或信息隱藏。它們可以根據(jù)密文的表示來區(qū)分。圖像加密算法可以將有意義的明文圖像轉(zhuǎn)換為類噪聲或類紋理的密碼圖像，如果沒有正確的密鑰，黑客就無法獲得原始圖像。一些研究人員開發(fā)了基于DNA編碼、細(xì)胞自動機(jī)、量子計算、混沌理論等的各種加密方案。

近年來，壓縮感知(CS)被用于圖像加密。利用這種方法，可以同時對普通圖像進(jìn)行采樣、壓縮和加密。例如有研究設(shè)計了一種基于超混沌和2D壓縮感知的圖像壓縮加密算法，首先，對原始圖像進(jìn)行稀疏變換得到稀疏系數(shù)矩陣，然后利用部分哈達(dá)瑪矩陣構(gòu)造測量矩陣，通過測量矩陣在兩個方向上對原始圖像進(jìn)行測量，然后通過超混沌系統(tǒng)控制的循環(huán)移位操作對測量值矩陣進(jìn)行擴(kuò)散，最后得到密文圖像。還有研究提出了一種基于壓縮感知和混沌系統(tǒng)的圖像加密方法，首先利用離散小波變換得到圖像的稀疏表示，其次利用logistic映射進(jìn)行像素位置置亂，然后利用提出的混沌映射生成測量矩陣，接著對置亂后的測量值矩陣進(jìn)行壓縮加密，最后得到密文圖像。上述兩項研究都是基于壓縮感知的圖像加密算法，可以同時實現(xiàn)圖像的壓縮和加密，但是這些方案忽略了壓縮感知的固有特性，即明文敏感性。本發(fā)明通過設(shè)計一種新的壓縮感知結(jié)構(gòu)，即利用未量化的測量值矩陣更新混沌系統(tǒng)的密鑰來解決這一問題，從而提高算法的安全性，增強(qiáng)抗選擇明文攻擊能力。

置亂是改變圖像的像素點位置，破壞相鄰像素間的相關(guān)性，而不改變像素值的一種操作。常用的置亂算法是對二維圖像矩陣進(jìn)行行置亂和列置亂，或交叉進(jìn)行行、列置亂；該方法中有的行(或列)會被多次就置換位置，而有的行(或列)可能保持不變，置亂效果不好。擴(kuò)散是改變像素點的位置，使任一點的像素值變化影響盡可能多的其他像素點的灰度值。大部分的算法采用的擴(kuò)散方法是混沌序列與明文圖像按照順序進(jìn)行逐一異或，但是在已知密鑰序列的情況下，可以通過后一個像素逐一解密得到前一個像素，安全性較低。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決目前基于壓縮感知的圖像壓縮加密算法中壓縮率有限，明文關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)，不能抵抗選擇明文攻擊的問題，本發(fā)明提供了一種基于壓縮感知的彩色圖像壓縮加密方法。

本發(fā)明提供的基于壓縮感知的彩色圖像壓縮加密方法，包括以下步驟：

步驟1：大小為M ×N的明文圖像分離成I_R,I_G和I_B，分別使用2D離散小波變換(DWT)對RGB三個分量進(jìn)行稀疏變換，得到同樣尺寸的稀疏系數(shù)矩陣和

步驟2：設(shè)logistic混沌系統(tǒng)初始值為y₁0為密鑰，生成尺寸為2*M*N的混沌序列S1。

步驟3：利用Arnold映射和所述混沌序列S1對所述稀疏系數(shù)矩陣和進(jìn)行隨機(jī)位置置亂，得到置亂后的三個圖像和