基于喷泉码和自适应资源分配的图像安全传输方法
【技术领域】：
[0001] 本发明设及一种在无线多媒体图像传输系统中保障图像安全性的机制，特别设及 一种基于喷泉码和自适应资源分配的图像安全传输方法，其利用喷泉码技术和自适应资源 分配降低图像无线传输过程中的安全违反概率W及传输时延，实现对图像中的感兴趣区域 的重点保护。
【背景技术】：
[0002] 随着无线通信的飞速发展，静态多媒体图像的无线传输也变得越来越频繁。但是 由于无线环境本身具有的开放性，图像传输也面临着严峻的安全性问题。传统的无线图像 传输中使用基于密钥的加密技术和数字水印技术来保障安全性，加密技术的核屯、是不断提 高解密的复杂度，但是计算机的性能在急剧提高，运种使用加密技术的安全性也受到极大 挑战。而且，密钥分配和交换的安全性也难W保证。数字水印是图像安全传输中最常用的技 术之一，它通过将私密消息作为水印植入到图像等多媒体数据中。然而，加密和数字水印都 是在网络协议找的上层采用的方法。
[0003] 近年来，一种利用无线信道衰落特性来实现安全性传输的物理层安全为无线安全 传输开辟了一个新的方向。目前，针对物理层安全的研究工作主要集中在私密容量上，并通 过施加人工噪声、协作中继和波束成形等方法W期提高私密容量。然而，私密容量指的是窃 听者不能正确解码任何消息时最大的数据速率。在实际图像传输中，往往不需要达到运种 完全的私密传输，因为如果发送的数据包之间具有相关性，则收端需要收到一定数量的数 据包才可W完全恢复原始图像。
[0004] 医学图像往往由感兴趣区域(ROI)和背景区域(BG)两部分组成，与背景区域相比， 感兴趣区域包含重要的诊断信息，因此运部分数据具有更高的安全性要求。
【发明内容】
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[000引本发明的目的是在考虑时延约束的条件下，保障医学图像(尤其是图像中感兴趣 区域)在无线传输中的安全性，提供了一种基于喷泉码和自适应资源分配的图像安全传输 方法。
[0006] 为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予W实现的：
[0007] 基于喷泉码和自适应资源分配的图像安全传输方法，该方法采用的通信系统模型 包括:发送端Al ice、合法接收端Bob W及窃听端Eve，其中发送端Al ice在给定时延约束T下， 将一幅图像安全地传给合法接收端Bob,且优先保证图像感兴趣区域的安全性。
[0008] 本发明进一步的改进在于，具体步骤如下：
[0009] 1)将图像进行区域分割，提取出感兴趣区域和背景区域，得到KrDi个感兴趣区域原 始包和Kbg个背景区域原始包；
[0010] 2)发送端Alice根据合法接收端Bob反馈的信息，即合法链路的信道状态信息W及 两类包接收状态标识，决定待传的数据包类型，其中，两类包接收状态标识分别为flag_roi 和flag_bg;
[0011] 3)发送端Alice根据合法接收端Bob反馈的信道状态信息进行自适应的资源分配， 决定发送功率和采用的调制方式；
[0012] 4)对待传类型的感兴趣区域原始包或背景区域原始包进行喷泉编码得到编码包；
[0013] 5)对步骤4)中所得的编码包进行调制，之后通过无线信道传输，在接收端被合法 接收端Bob和窃听端Eve接收，在进行下一次传输之前，合法接收端Bob向发送端Al ice反馈 此次接收完成时的信道状态信息W及两类编码包接收状态标识；
[0014] 6)重复步骤1)至5)，根据时延约束T和合法接收端Bob反馈的两类包接收状态标识 信息判断是否终止传输，传输终止的条件是传输次数达到时延约束T或者在给定时延约束T 内，合法接收端Bob正确接收到足够多的两类编码包，能够恢复原始图像，其中，时延约束T 表示的是允许传输数据包的最大次数。
[0015] 本发明进一步的改进在于，步骤2)的具体实现方法如下：
[0016] 设定如下四个口限值Y 0, Y 1，Y 2和Y 3,当前第n个时隙合法接收端Bob反馈回来 的信道状态信息记作丫 [n];感兴趣区域编码包接收状态标识f lag_roi取值为0或1，1表示 合法接收端Bob没有收到足够多的感兴趣区域编码包，0表示合法接收端Bob已经收到足够 多的感兴趣区域编码包，背景区域编码包接收状态标识flag_bg取值及含义同flag_roi;
[0017] 在选择待传输的数据包类型时，采用如下的方法：
[001引若丫 0 < 丫 [n] < 丫 1且f lag_b杯等巧，待发送的数据包为背景区域包；
[0019] 若丫1< Y[n]< 丫3且flag_:ro:L不等于0,待发送的数据包为感兴趣区域包；
[0020] 若丫 [n] > 丫 3且flag_:roi和flag_bg都不等于0, W叠加编码的方式同时传输感兴 趣区域和背景区域两类包，否则只传输不等于0的接收状态标识对应的那类包；
[0021] 其中，上述丫 0, 丫 1，丫 2和丫 3同五区域的可变功率和速率离散MQAM中相应的边界 值。
[0022] 本发明进一步的改进在于，步骤3)的具体实现如下:设定平均发送功率为P，在五 区域的可变功率和速率的离散MQAM基础上制定了如下的资源分配方法：
[0023] 若丫 [n]< 丫〇,不发送数据包；
[0024] 若丫 〇< 丫 [n]< Yi，WBPSK调制方式发送编码包，发送功率为iV(种时）；
[002引若丫1< Y[n]<Y2，WQPSK调制方式发送编码包，发送功率为3戸/(的小'I]);
[0026] 若丫 2< 丫 [n]< Y3，W16QAM调制方式发送编码包，发送功率为15P/(的4对）；
[0027] 若丫 [n] > 丫3, W叠加编码调制方式发送编码包，总发送功率为6:3P/(Kyi>l])， 按照功率分配因子a将总发送功率分配给待传编码包，发送感兴趣区域编码包和背景区域 编码包所用的功率占总发送功率的比值分别为a和1-曰；
[0028] 其中，戶为平均功率，K = -1.5/ln(5/Pb)，Pb为指定的误比特率。
[0029] 本发明进一步的改进在于，采用叠加编码传输时，步骤5)中a具体实现方法如下：
[0030] 当只传输感兴趣区域编码包时，Cl取值为1;
[0031] 当只传输背景区域编码包时，Cl取值为0;
[0032] 当同时传输感兴趣区域和背景区域两类编码包时，为了保证合法接收端Bob对感 兴趣区域编码包的接收性能，预留出满足只传输感兴趣区域编码包时所能获得的最高接收 信噪比所需的功率，剩余的功率用于传输背景区域编码包，此时，a取值为5/21。
[0033] 本发明进一步的改进在于，步骤4)的喷泉编码编码具体实现方法如下：
[0034] 4-1)将感兴趣区域原始数据和背景区域原始数据分别排列成LXKrDi和LXKbg的二 维矩阵，其中L为每个包包含的符号数；
[0035] 4-2)对矩阵的每行进行RS喷泉编码，两类喷泉编码的编码参数分别是(Ne，Krni)和 (NcKbg);
[0036] 4-3)对两类数据进行RS喷泉编码之后都得到一个LXNc的二维矩阵，表示共有Nc个 喷泉编码包。
[0037] 相对于现有技术，本发明具有如下的优点：
[0038] 1、对图像进行区域分割可W实现对不同区域的不等安全保护，能够在很大程度上 节省传输资源。
[0039] 2、利用喷泉编码传输时，只要在传输过程中合法接收端Bob先于窃听端Eve正确收 到足够多的编码包就可W实现安全传输，与传统的加密方法相比复杂度更低。
[0040] 3、在信道质量非常好时，利用叠加编码的方式同时传输两类包，能够有效地提高 传输效率，降低传输时延。
【附图说明】：
[0041] 图1是本发明所设及的医学图像传输系统模型图；
[0042] 图2是本发明中合法接收端Bob和窃听端Eve收到图片的实际效果图，其中，图2(a) 为窃听端Eve收到图片的实际效果图，图2(b)为合法接收端Bob收到图片的实际效果图；
[0043] 图3是本发明在不同时延约束下对应的安全违反概率曲线。
【具体实施方式】：
[0044] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方 式作进一步地详细描述。
[0045] 参考图1，本发明基于喷泉码和自适应资源分配的图像安全传输方法，该方法采用 的通信系统模型包括:发送端Alice、合法接收端BobW及窃听端Eve。发送端Alice期望将一 幅医学图像安全地发送给Bob,但是窃听端Eve也在试图窃听该图像。此网络中的信道服从 瑞利衰落，记发送端Al ice和合法接收端Bob间的信道系数为hAB，发送端Al ice和窃听端