一種有效的圖像壓縮和加密融合的方法
2023-05-25 08:27:06 2
專利名稱：一種有效的圖像壓縮和加密融合的方法
技術領域：
本發明涉及網絡圖像通信技術領域，特別是涉及一種能減少圖像加密和解密運算量的圖像壓縮和加密融合的方法。主要針對網絡環境中圖像信息的安全傳輸應用。
背景技術：
隨著網絡技術的飛速發展，為信息的網上傳播開闢了道路，大量的信息可以迅速方便地在網上發布和傳輸，但同時這也帶來了網絡信息的安全隱患問題。據統計，目前全世界幾乎每20秒鐘就有一起黑客入侵事件發生。現在，網絡信息安全技術不但關係到個人通信的隱私問題，關係到一個企業的商業機密和生存問題(僅美國每年由於信息安全問題所造成的經濟損失就超過100億美元)，因而也關係到一個國家的安全問題。因此，網絡信息安全技術正日益受到全社會的普遍關注。由於圖像信息形象生動，因而被人類廣為利用，成為人類表達信息的最重要手段之一。現在，圖像數據的擁有者可以在Internet上發布和拍賣他所擁有的圖像數據，這種方式不但方便快捷，不受地域限制，而且可以為數據擁有者節約大量的費用。但同時這也為不法分子利用網絡獲取未授權數據提供了渠道。圖像發行者為了保護自身利益，就需要可靠的圖像數據加密技術。而且，在某些情況下，對於某些圖像數據必須要採用可靠的加密技術，例如，醫院裡病人的病例數據(包括病人的照片)，按照法律規定就必須在加密之後才能在網上傳輸，這方面的應用在遠程醫療系統中是比較常見的。針對圖像/視頻實時安全傳輸的關鍵技術研究，近來得到了許多科技工作者的關注。我們知道，相對於文本，數字圖像/視頻有著巨大的數據量，這決定了對圖像和視頻進行實時網絡安全傳輸不僅要求有一定的網絡帶寬，也對壓縮和解壓，加密和解密及傳輸等的運算量提出了適度要求。特別是針對日益增加的各種無線通信設備及嵌入式系統，設計應用時，運算量是個必須考慮的因素。通過創新提出更高性能的算法或通過改進現有算法的性能都有助於解決上述問題。
1.小波圖像變換方法小波分析是傅立葉分析與調和分析發展史上的一個裡程碑。小波變換解決了很多傅立葉變換不能解決的困難問題。小波變換用於圖像編碼的基本思想就是把圖像進行多解析度分解，分解成不同空間、不同頻率的子圖像(子圖像有四個水平、垂直、對角線和低頻(平滑版本)，低頻(平滑版本)集中了圖像大部分能量(信息)，低頻(平滑版本)部分還可以繼續分解)，然後再對子圖像進行係數編碼。詳見文獻《實用小波分析》(秦前清等，西安電子科技大學出版社，1993.)及文獻《視頻編碼與低速率傳輸》(沈蘭蓀等，北京電子工業出版社，2001).
2.嵌入式零樹小波量化編碼方法嵌入式零樹小波編碼算法是目前效率較高的小波係數處理算法。零樹編碼的基本思想是，對小波變換係數的編碼分解為兩部分一是對用來表明係數特性的係數重要性圖進行編碼；二是對重要係數的幅度進行編碼。利用不同尺度的小波係數間存在較強的相關性，將多數的零係數組織成一種樹型結構，從而提高了總體編碼效率。具體算法請見文獻(Shapiro JM.，EmbeddedImage Coding Using Zerotree of Wavelet Coefficients.IEEETrans on Signal Processing，1993，41(12)3445~3462.)。
3.Huffman熵編碼方法Huffman編碼是一種建立在圖像統計特性基礎上的無損壓縮編碼方法。該編碼方法採用一種可變長編碼方式，是二叉樹的一種特殊轉化形式。編碼的基本原理是將使用次數多的代碼轉換成長度較短的代碼，而使用次數少的可以使用較長的編碼，並且保持編碼的唯一可解性。Huffman算法的最根本的原則是權值(字符的出現概率*字符的編碼長度)的和最小。具體算法請見文獻《實用數字圖像處理》(劉榴娣等，北京北京理工大學出版社，2001)。
4.三重DES加密算法DES加密算法是1977年由美國國家標準局頒布的數據加密標準。其作為ANSI的數據加密算法和ISO的DEA-1，成為一個世界範圍內的標準已經20多年了。隨著時代的發展，DES加密算法的56bit密鑰長度已經難以抵抗窮舉式攻擊等。現在許多基於Internet的應用採用了三個密鑰的三重DES加密算法，其中包括PGP和S/MIME等。三個密鑰的三重DES加密算法具有168bit的密鑰長度。具體算法請見文獻《應用密碼學協議、算法與C源程序》([美]BruceSchneier，北京機械工業出版社，2002)。
針對上述需求，本發明的目的在於提出一種在網絡環境中能有效減少圖像加密和解密運算量的圖像壓縮和加密融合的方法。
發明內容
本發明針對數字圖像經過小波變換後的能量高度集中於平滑版本(低頻子帶)，且該平滑版本對應的係數對重構圖像質量的影響起決定性作用的特點，提出了不必對整幅圖像，而只須對平滑版本經過量化編碼及熵編碼後對應的數碼採取三重DES算法加密和解密處理的方案，從而在安全性能滿足應用需求的基礎上，顯著地減少了圖像加密和解密的運算量。另外，該方案可通過改變小波變換級數等參數，容易實現對加密運算量的靈活調節，或者針對不同的應用場合做到自適應處理。
本方案把加密算法加在熵編碼之後而不加在小波變換或量化之後，具有兩個優點A.不會影響壓縮編碼效果，保證了小波圖像壓縮和解壓的性能與質量；B.經過熵編碼後再加密，從某種角度上說提高了整個方案的加密強度，因為編碼本身可以理解為一定程度的加密。
本方案的實現流程是模塊化的。這對於不同的圖像安全傳輸應用或同一應用的不同場合，小波變換算法、量化編碼算法、熵編碼算法及加密算法可方便靈活地替換與組合，甚至於達到自適應處理。這進一步提高了方案的實用性。
下面結合附圖對本發明進一步說明。
圖1是原始圖像(256×256×8的Lena圖，此圖像為圖像處理和圖像加密的國際標準用例之一)。
圖2是本發明對原始圖像進行1級小波分解得到的小波圖像。
圖3是本發明對原始圖像進行2級小波分解得到的小波圖像。
圖4是本發明方法的實現流程圖。
圖5為對實際圖像(圖1)經小波變換後，平滑版本經過加密後不作解密的重構圖像[已達到充分加密(置亂)的效果]。
圖6是對實際圖像(圖1)經小波變換後，平滑版本經過加密後也作解密的重構圖像。
具體實施例方式
圖1，2，3給出了對實際圖像進行小波分解的實例。揭示了數字圖像經過小波變換後能量高度集中於平滑版本(低頻部分或稱亮度子圖像)的特性。另外，由於文章排版需要，圖1，2，3，5，6為採用WINDOWS畫圖工具對其長寬各縮小一倍的結果圖，均帶來了少量失真，但均不礙說明問題。
下面結合圖4對本發明方法的具體實現步驟作詳細說明。
步驟1為原始圖像輸入，可輸入各種圖像採集設備採集來的數字圖像(如BMP格式圖像)。本發明方法的實驗圖像為如圖1所示256×256×8的Lena圖，為圖像處理實驗標準用例。
步驟2小波變換算法採用離散緊支雙正交小波變換算法。我們實驗採用的是Daubechies小波變換算法。當然，在具體應用時可採用JPEG2000標準算法。
步驟3量化算法我們實驗採用嵌入式零樹小波量化編碼算法。
步驟4熵編碼算法我們採用相對簡單的Huffman編碼算法(當然也可採用更好的編碼算法，如算術編碼算法等)。
步驟5對平滑版本經量化及熵編碼後對應的數碼塊加密，實現過程如下(1)小波圖像變換級數置初值(不妨設為TN，TN＝3)；(2)依原始圖像的長寬屬性及小波圖像變換級數TN，確定平滑版本 經過量化編碼及熵編碼後對應的數碼的起點和終點，由起點和終點決定的部份數碼為待加密數碼塊；(3)對(2)確定的待加密數碼塊採用三重DES算法進行加密，並計算加密運算所需時間(不妨設為ST)；
(4)若加密運算所需時間ST不大於具體應用要求，則轉至(7)；否則，若加密運算所需時間ST大於具體應用要求，則轉至(5)；(5)若TN不大於小波圖像變換級數可能的上限，則TN＝TN+1，轉至(2)；若TN大於小波圖像變換級數可能的上限，轉至(6)；(6)出系統報告當前環境無法滿足」加密運算時間量」要求；(7)把上述參數TN，ST等打包進通信傳輸包中，轉下述步驟6。
步驟6為經壓縮和加密處理的圖像比特流輸出。輸出的圖像比特流經過步驟7的網絡傳輸。然後對步驟8輸入的圖像比特流作步驟9，10，11，12，13的相對於步驟5，4，3，2，1的逆過程處理(步驟10，11，12的說明見步驟4，3，2的說明)。
步驟9對加密數碼塊解密，實現過程如下(1)從通信傳輸包中得到小波圖像變換級數TN；(2)通信組包後，依圖像的長寬屬性及小波圖像變換級數TN，確定平滑版本經過量化編碼，熵編碼及加密後對應的數碼的起點和終點，由起點和終點決定的部份數碼為待解密數碼塊；(3)對(2)確定的待解密數碼塊採用三重DES算法進行解密，並計算解密運算所需時間(不妨設為ET)；(4)若解密運算所需時間ET不大於具體應用要求，則轉至(6)；否則，若解密運算所需時間ET大於具體應用要求，則轉至(5)；(5)出系統報告當前環境無法滿足「解密運算時間量」要求；(6)轉步驟10。
依上述實現步驟，我們在Visual C++6.0編程平臺上進行編程實驗。圖5為對標準圖像(圖1)，採用Daubechies緊支雙正交小波濾波器，2級小波分解，濾波器長度為12，平滑版本經過加密後不作解密的恢復圖像(達到加密效果)，此時圖面呈黑色，看不到圖像。圖6是作解密的恢復圖像。由於文章排版需要，這兩幅圖像為採用WINDOWS畫圖工具對其長寬各縮小一倍的結果圖，帶來了一些失真，但均不礙說明問題。
表1為上述原始圖像(圖1)經1級和2級小波分解，再經過量化編碼及熵編碼(Huffman編碼)後其平滑版本對應的數碼量(即需加密的數碼量)與整幅圖像數碼量的對照表。從表中發現，經Huffman編碼後，平滑版本的數碼量沒有減少，反而有所增加。然而，整幅圖像的數碼量有所壓縮。這從面上考慮是因為平滑版本能量高度集中，已很難再被壓縮。其實，這正符合Huffman編碼理論。從表中還可發現，相對於對整幅圖像加密，採用本發明方法在達到加密效果的基礎上較大地減少了加密和解密數碼量。
表1數碼量對照表上述具體實驗表明(1)僅對平滑版本經過量化編碼及熵編碼後對應的數碼採取三重DES加密的方案達到了加密效果，其加密強度由三重DES算法作保證，且由於是在壓縮編碼後加密，其加密強度在三重DES算法基礎上有所加強(2)由於是在壓縮編碼後加密，不影響圖像的壓縮編碼性能(3)僅對平滑版本經過量化編碼及熵編碼後對應的數碼進行加密，在達到加密效果的基礎上，需加密和解密的數碼量有較為顯著地減少，從而也較大地減少了加密和解密運算量。
權利要求
1.一種有效的圖像壓縮和加密融合的方法，包括如下步驟步驟1輸入原始圖像，可輸入圖像採集設備，採集的數字圖像；步驟2小波變換算法；步驟3量化算法；步驟4熵編碼算法；步驟5對平滑版本經量化及熵編碼後對應的數碼塊加密；步驟6經壓縮和加密處理的圖像比特流輸出；步驟7網絡傳輸；步驟8圖像比特流輸入；步驟9對加密數碼塊解密；步驟10反熵編碼；步驟11反量化；步驟12小波逆變換；步驟13恢復圖像輸出。
2.根據權利要求1的方法，其特徵在於，輸入的圖像可以為256*256*8的Lena圖。
3.根據權利要求1的方法，其特徵在於，小波變換算法採用離散緊支雙正交小波變換算法，應用時可採用JPEG2000標準算法。
4.根據權利要求1的方法，其特徵在於，量化算法採用嵌入式零樹小波編碼算法。
5.根據權利要求1的方法，其特徵在於，熵編碼算法採用Huffman編碼算法或算術編碼算法。
6.根據權利要求1的方法，其特徵在於，步驟5對平滑版本經量化及熵編碼後對應的數碼塊加密，實現過程如下(1)小波圖像變換級數置初值；(2)依原始圖像的長寬屬性及小波圖像變換級數初值，確定平滑版本經過量化編碼及熵編碼後對應的數碼的起點和終點，由起點和終點決定的部份數碼為待加密數碼塊；(3)對(2)確定的待加密數碼塊採用三重DES算法進行加密，並計算加密運算所需時間；(4)若加密運算所需時間不大於具體應用要求，則轉至(7)，否則，若加密運算所需時間大於具體應用要求，則轉至(5)；(5)若初值不大於小波圖像變換級數可能的上限，轉至(2)，若初值大於小波圖像變換級數可能的上限，轉至(6)；(6)出系統報告當前環境無法滿足「加密運算時間量」要求；(7)把上述參數初值，加密運算所需時間打包進通信傳輸包中。
7.根據權利要求1的方法，其特徵在於，步驟9對加密數碼塊解密，實現過程如下(1)從通信傳輸包中得到小波圖像變換級數初值；(2)通信組包後，依圖像的長寬屬性及小波圖像變換級數初值，確定平滑版本經過量化編碼，熵編碼及加密後對應的數碼的起點和終點，由起點和終點決定的部份數碼為待解密數碼塊；(3)對(2)確定的待解密數碼塊採用三重DES算法進行解密，並計算解密運算所需時間；(4)若解密運算所需時間不大於具體應用要求，則轉至(6)，否則，若解密運算所需時間大於具體應用要求，則轉至(5)；(5)出系統報告當前環境無法滿足「解密運算時間量」要求；
8.根據權利要求1的方法，其特徵在於，把加密算法加在熵編碼之後，而不是加在小波變換或量化之後。
全文摘要
本發明涉及網絡圖像通信，特別是能減少圖像加密和解密運算量的圖像壓縮和加密融合的方法。該方法不必對整幅圖像，而只對平滑版本經過量化編碼和熵編碼後對應的數碼採用三重DES算法作加密和解密處理。主要步驟小波變換，熵編碼，量化及熵編碼後的數碼塊加密，對加密數碼塊解密，反熵編碼，反量化，小波逆變換。在不影響圖像壓縮效果的情況下，達到強度較高的加密效果，顯著減少加密、解密運算量。
文檔編號G06F17/14GK1536532SQ0311010
公開日2004年10月13日 申請日期2003年4月10日 優先權日2003年4月10日
發明者鍾尚平, 高慶獅 申請人:中國科學院計算技術研究所