一种图像确定性加密双盲保密匹配方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及数据非稳性度量及图像匹配技术，特别设及一种图像确定性加密双盲 保密匹配技术方法。该技术在身份认证，信息安全等领域中有着广泛的应用前景。
【背景技术】
[0002] 大数据时代，数据安全是一个非常重要的问题。特别是最近美国微软停止XP服务 后，黑客们有可能恶意入侵电脑，窃取各类数据，该势必会给国家，企业等部口或个人，造成 不可挽回的损失。图像作为重要数据类型之一，对其内容如何保密，如何在保密的情况下 进行匹配，是一个非常具有挑战性的研究课题。综合国内外的研究成果来看，目前，图像匹 配识别方法可W主要分为=类；（1)第一类是基于特征点的匹配识别方法：彭进业等人提 出了一种在图像的反对称双正交小波分解数据域中，实现多尺度对称变换的方法，并将 它应用于脸部图像中主要特征点的定位（彭进业等.多尺度对称变换及其应用于定位人脸 特征点[J].电子学报，2002,（3))，陈超等人在分析当前主要的图像配准方法的基础上， 提出一种改进的基于点特征的遥感图像配准方法（陈超等，一种改进的遥感图像配准方法 [J].北京大学学报（自然科学版）.2010,（4)) ;(2)第二类是基于灰度信息的图像匹配识 别方法，如；Viola等人把互信息引入图像匹配的领域（Viola P and Wells W M. Alignment by maximization of mutual information. In:Proceedings of the 5th International Conference on Computer Vision. Los Alamitos, CA:IEEE Press,1995:16-23.)， Rosenfeld等利用互相关法来进行图像匹配（A Rosenfeld and A. C.Kak. Digital Pierre Processing Vol. I and II, Academic Press, Orlando, FL 1982.);吴强等提出了一种基于 Sobel边缘特征和小波变换的递推多模板快速匹配算法（吴强等，融合图像灰度信息与边 缘特征的快速匹配算法[J].信号处理，2013,（02)) ; (3)第S类是基于变换域的图像匹配 的方法，如；张锐娟等人结合四元数理论，提出一种基于四元数傅里叶变换的亚像素相位相 关法，能够稳定快速的实现匹配（张锐娟.图像配准理论及算法研究巧].西安：西安电子 科技大学，2009.)。但是，在使用上述方法进行都没有对图像像素位置置乱加密后，再进行 识别。也就是说，使用该些方法，无法对保密后的图像直接进行匹配，使用该些图像匹配技 术的普通用户可W在匹配图像的输入和匹配结果的输出过程中，通过自身肉眼辨识出图片 上所表示的人和物，从而无法对图像内容进行保密。
[0003] 图像加密技术实际操作中一般先将二维图像转换成一维数据，再采用传统加密算 法进行加密。与普通的文本信息不同，图像和视频具有时间性、空间性、视觉可感知性，还可 进行有损压缩，该些特性使得为图像设计更加高效、安全的加密算法成为可能。自上世纪90 年代起，研究者利用该些特性提出了多种图像加密算法。总结起来图像加密技术可分为两 类；即空域图像加密技术和压缩图像加密技术。前者在未压缩的图像上进行加密，将图像看 作二维数据进行操作，典型方法是采用离散混浊加密技术；后者则基于某种压缩格式或压 缩技术进行加密，如JPEG、算术编码、小波压缩技术等。
[0004] 在实际生活和工作中，人们通常通过云计算的方式来充分利用各部口的计算资源 和数据资源，该对信息安全带来了巨大的隐患。例如，敏感人物的出入境限制，需要各口岸 工作人员的配合，被限制人的信息（护照）将被发送到各地，由出境出的计算机进行排查。 由于接触信息的人员太多，容易出现泄密，造成负面影响。出于个人隐私保护、国家安全、犯 罪追查等因素的考虑，常常需要对图像保密匹配，即把图像加密后进行自动匹配（不让操 作人员看到图像的真实内容），该样可W防止无关人员拥有读取大众敏感信息源的权限，可 W杜绝泄密等事件的发生。如何在保障信息安全的情况下进行云计算，是一个重要的研究 课题。
[0005] 所谓的图像的保密匹配就是研究经过加密后的图像的匹配识别问题，使用该一图 像匹配技术的普通用户，无法通过自身人眼或其它方法在匹配图像的输入和匹配结果的输 出过程中辨识出图片上所表示的人和物，从而满足特殊场合下的保密需求。现有的图像加 密方法目标是为了图像在传输过程中的安全，存在基于密钥的解密的算法，从而保证图像 在传输过程中的安全和解密后的图像质量。由于解密算法的存在，总存在泄密的可能。本 发明中提出的图像保密匹配不同于的图像加密技术和图像匹配技术。它与现有的图像加密 技术最大的区别是；只加密，不解密，图像加密只是起掩盖目标图像的作用；与当前的图像 匹配的显著区别在于，现有的图像匹配方法主要基于相似性，而我们处理的是置乱加密后 的图像，待匹配图像的外表完全无法识别。因此，本发明的技术只对完全相同的图像有效。 如果待匹配的图像是证件登记照，就可W用于解决敏感人员出入境限制问题。图像的保密 匹配是一个具有挑战性的问题，目前国内外没有公开发表过该方面的工作。
[0006] 本发明从数据流非平稳性度量的角度来处理图像保密匹配问题，即；我们融合 粗粒化方法、遍历论、信息论的观点，研究了数据流的非平稳程度的比较问题。我们通过 频率序列的稳定性的来定义稳定集合，W此来提取该时间序列的稳定信息结构，然后用 化annon信息滴来衡量稳定信息结构中信息量的大小，再经过适当的归一化就得到了非平 稳性度量。早期的想法发表在2003年（了义明、范文涛、粪小庆，建立系统科学基础理论 框架的一种可能途径与若干具体思路（之走）一一离散动力系统的密度演化与序列的信息 结构.系统工程理论与实践.2003. 1-14)，后来完成硕±论文（吴克坤，数据流的非平稳 性度量，硕±学位论文（导师；了义明），中国科学院武汉物理与数学研究所，2008)，较完 整的理论和方法发表于2010年（了义明等，数据流的非平稳性度量，数学物理学报，Vol. (30)，No. 5, 2010, 1364-1376)。我们提出的非平稳性度量的理论基础、算法、应用方面的新 进展包含在已经公开的博±论文之中（谭秋衡，时间序列的非平稳性度量及其应用，博± 学位论文（导师了义明），中国科学院武汉物理与数学研究所，2013年5月），文中对国内外 与非平稳性衡量有关的研究进行了综述和比较，在此不寶述。2014年发表了非平稳性度量 在彩票数据中的应用工作（谭秋衡、了义明，基于非平稳性度量的彩票数据实证分析，数学 物理学报，2014, 207-216)。一个数据流的非平稳性度量值是0到1之间的实数，它与噪声 的分布无关，只与依赖于数据的平稳程度；其值越接近0,说明数据流越平稳；越接近于1， 说明数据流越不平稳。
[0007] 如果用Y表示目标图像，则Y的像素随机置换位置后，就可得到被加密的目标图像 Y〇。位于捜索图像库中浮动图像记为{Yj，k= 1，2,…，N。残差Rk=Y广Yk，含有反映目标 图像和浮动图像差异的信号（Y-Yk)。若目标图像和浮动图像相同，则非平稳性度量的值为 0,否则为0?1之间的数值。该样我们便可实现图像的保密识别。
[000引一些术语；
[0009] 图像匹配；图像匹配是指通过一定的匹配算法在两幅或多幅图像（目标图像和浮 动图像）之间识别同名点，其实质是在基元相似性的条件下，运用匹配准则的最佳捜索问 题。
[0010] 数据加密、解密：数据加密是指通过加密算法和加密密钥将明文转变为密文，而解 密则是通过解密算法和解密密钥将密文恢复为明文。
[0011] 图像加密：利用数字图像的特性设计加密算法，W提高加密的安全性和运算效率， 由于解密算法的存在，其安全性取决于加密算法和拥有密钥的人的安全程度。主要方法有： 像素置乱，秘密分割，混浊加密等。
[0012] -次一密（one time padding);指在流密码当中使用与消息长度等长的随机密 钥，密钥本身只使用一次。具体而言，首先选择一个随机位串作为密钥，然后将明文转变成 一个位串，比如使用明文的ASCII表示法。最后，逐位计算该两个串的异或值，结果得到的 密文不可能被破解，因为即使有了足够数量的密文样本，每个字符的出现概率都是相等的， 每任意个字母组合出现的概率也是相等的。最大优点在于它使用与消息等长的随机密钥， 产生与原文没有任何统计关系的随机输出，按照化annon的理论，一次一密的加密算法是 绝对安全的，不可破解；其缺陷密钥在传递和分发上存在很大困难。
[0013] 图像保密匹配：有图像被掩盖的情况下