一种新的基于混沌的图像无损压缩加密联合算法
【技术领域】
[0001] 本发明属于多媒体信息安全技术领域，具体设及一种基于混浊的图像无损压缩加 密联合算法。
【背景技术】
[0002] 随着网络技术的发展和普及，网络信息数量呈指数形式增长。面对数量庞大的图 像文件的存储，图像压缩成为必不可少的一个解决方法。但是在某些领域，例如医疗，航空 航天，国家安全部口等还是希望图像在压缩后能够无损恢复出来，因此无1损压缩具有十分 重要的意义。在网络的普及后，网络安全问题变得十分严重，病毒、蠕虫、木马等恶意程序乘 机泛滥EU,为了保证图像传输过程和存储过程中的安全，在压缩的同时进行图像的加密是 一种比较安全的做法。
[0003] 压缩加密过程不应该孤立地进行:传统的做法是将加密和压缩分两步来完成，一 般是先对图像进行压缩再加密，反过来则不会取得很好的压缩比W，另一个问题就是如果 孤立地进行，攻击者在对图像进行破译时可W完全无视压缩环节直接对加密进行攻击W。 目前比较主流的研究思路有W下两个:结合图像编码过程进行加密，在图像压缩过程中无 缝嵌入加密算法，使得压缩加密同步进行；第二种就是选择加密，针对某种特定格式的图 像，选择一部分关键数据加密就可W加密整幅图像W。邓家先、任玉莉，将改进零树编码加 入对小波子带的算术编码，完成了对不同的小波分辨率系数进行选择性加密W ;王姊等首 先在利用改进型零树编码后进行赌编码产生的压缩码流与超混浊Chen系统产生的密钥流 进行加密，实现了加密和明文相关，实现了压缩和加密的联合^eWang等利用Logistic混浊 方程首先将原图像进行加密，然后进行算术编码，将编码后的文件再进行一次加密，运样实 质上没有在压缩的过程中进行加密，并且在压缩前加密影响了图像的压缩比等讨论 了在无线传感器网络中应用的图像压缩加密方法，利用四叉树(Qua化ree)分别在空间域和 频率域进行图像压缩，考虑到无线传感器网络的特殊性，加密方式选择了重要部分加密W 节省网络工作负载W。然而在大部分的图像压缩加密联合算法中，很少研究图像的无损压 缩加密联合算法，杨华千，廖晓峰W采用的虽然是基于SPIHT的图像压缩算法，但是运是有 损压缩算法，对小波系数的选择性加密，加密过程并没有参与到SPIHT编码过程，使得压缩 和加密的关联性不大。
[0004] 本发明采用了基于整数小波变换的SPIHT无损图像压缩加密联合算法，选择了部 分重要小波系数、SPIHT编码过程中和SPIHT编码后产生的码流运S个地方进行混浊方程 加密，使得加密真正融入到了压缩的过程中，在压缩码流生成的过程中进行多次嵌套加密， 增大了破译难度，保证了压缩序列的安全性。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于保证无损图像压缩的算法的安全性的不足，提出了一种针对 SPIHT的基于混浊的图像无损压缩的加密联合算法，该算法在损失极小的压缩效率和压缩 比的情况下，设计选用多种混浊系统产生伪随机序列流，选择多处编解码过程中的关键数 据进行加密，使得加密算法在保证实时性的同时提供了更高的安全性，其应用领域极其广 泛。
[0006] 其中，本发明针对SPIHT无损编解码格式的基于多种混浊的图像加密算法，包括其 具体算法内容及【具体实施方式】，在算法设计上，本发明采用了Lorenz ,Henon和Logistic混 浊方程作为发明中用于加密的伪随机序列生成模型，消除混浊方程迭代影响，生成了随机 性、安全性足够高的伪随机序列流；同时，本发明在SPIHT图像无损压缩算法中选择了压缩 率表现较好的CDF(4-2)整数小波变换，并在编码之前利用生成的密钥流对小波系数进行置 乱和局部扩散，在编码过程中对序列进行多轮加密，保证了无损压缩算法的高安全性和可 操作性。
[0007] 本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：
[0008] 设计基于混浊的图像无损压缩加密联合算法
[0009] 本发明设及两个主要模块，分别是编码前密钥流的生成和编码前的小波系数加密 操作模块和无损编码过程中的和加密联合模块，算法的整体设计流程图如图1。
[0010] 原始图像在进行进入编码器前需要进行=步操作:第一步，输入混浊方程的初始 值然后生成安全的密钥流序列;第二步，对图像进行6级CDF(4-2)整数小波变换，形成图像 的小波变换矩阵;第=步，将小波变换矩阵进行局部扩散和整体置乱操作形成加密后的小 波系数矩阵。在编码过程中，充分利用SPIHT的位平面编码性质，对每次压缩写入矩阵的码 流进行加密操作，运样就可W对压缩码流进行多轮加密操作，保证了 SPIHT图像无损压缩文 件的安全性。
[0011] 1.图像SPIHT编码之前的预操作
[0012] 1.1安全密钥流的设计和产生
[0013] 在该模块中，我们选择了3个混浊方程生成伪随机序列流，方程涵盖了高维混浊方 程到一维混浊方程，分别为Lorenz方程，Henon方程和logistic方程各生成和其维数个数相 同的伪随机序列流。消除暂态效应后，得到若干实数级伪随机序列流。
[0014] 生成的实数级混浊序列用在图像加密中必须经过量化操作形成整数，量化方式不 同所设及量化方式不同，根据方程具体阐述实数混浊序列和量化混浊序列的生成方法，如 下所示：
[0015] (I)Lorenz 方程：
(1)
[0017]方程在a= 10, b = 8/3，C = 28时处于混浊状态，在输入函数初值XO，yo，Z日后进行迭 代，在迭代3000次消除暂态效应后进行迭代，产生混浊序列的个数为需要加密的小波系数 个数。
[0018]实数化3个混浊序列分别记为X，Y，Z，分别对X，Y，Z量化，量化成的序列为E，F，G，其 中，E，F，G被量化到0到255之间的整数，公式如(2)所示： E(n)二 mod(Y(n)*1000,256);
[0019] F(n)=mod(Z(n)* 1000,256); (2) G(n)=mod(X(n)^ 1000,256);
[0020] 然后根据生成的E，F，G序列进行符合成量化序列T，该序列的生成方法如(3)所示： T(m)二 bibcorfEiOrO'FXm)) irmoti(m，3)==:0
[0021 ] !(m^bibcottFXmXGOn) if mod(m,3)==l (3) T(m)二 bitxor(G(m)，E(!")) i f mod(m，3)二二 2
[0022] 其中m为需要加密的小波系数的个数，bitxor为按位异或函数。
[0023] (2)Henon 方程： .，.T,"l =1. +姆。-任嫁
[0024] 一 (4) JW=义。
[0025] 化non映射如公式(4)所示。该映射在a = 1.4，b = 0.3时，系统进入混浊状态。
[0026] 利用混浊方程生成的实数序列在本发明中用于下一步的小波系数矩阵的置乱操 作。
[0027] (3)Logistic 方程：
[002引 Xn+l=]iXn(l-Xn)巧）
[0029] Logistic方程如公式(5)所示。在= [3.571488,4]时方程处于混浊态。在消除 暂态效应后产生的实数化序列进行量化，量化为0和1两个数，量化方法如公式(6)所示：
[0030] Y(n)=mod(X(n)*1000,2) (6)
[0031] Logistic方程生成的密钥流在SPIHT编码过程中进行码流的多轮加密，在本发明 中，为了节省联合压缩和加密的时间，将生成的码流与Logistic方程生成的量化序列Y(n) 进行异或操作形成扩散码流，从而对码流进行加密。
[0032] 安全伪随机序列的产生是可W独立于编解码程序预先出来的，即在程序编解码之 前就可W生成量化密钥流。
[0033] 1.2图像的整数小波变换
[0034] 基于SPIHT图像无损压缩算法是位平面编码的一种，因此在编码前，必须进行小波 变换。而在小波变换的过程中，必须将图像进行小波变换后的小波系数完整地保存下来，但 是在传统的小波变换过程中，小波系数会出现小数，在进行下一步编码之前会对图像进行 "舍入"处理，在近似过程中就会出现小波系数能量损失，再进行小波反变换就不会还原成 原图像。如果把X变成[.V + 作用于提升步骤中的因子Ui(Z)和Pi(Z),就可W进行整数小波 变换。运种非线性变换使得图像数据进行滤波后也是整数，对图像的无损压缩提供了基础。
[0035] 本发明所用的是CDFW(4-2)差分整数小波，W(N1，N2)分别表示其分解滤波器和 合成滤波器的消失矩。在文献[10]中可W看出CDF(4-2)差分小波在图像使用的众多无损压 缩小波中表现较好。CDF(4-2)差分小波变换的整数形式如下公式(7)所示E1U。
[0037]将读入的图像矩阵进行6级整数(4-2)小波变换，为图像的SP