[发明专利]一种基于图小波变换的图像加密方法

说明书

本发明的一种基于图上小波变换的图像加密方法，属于图像处理和图像加密技术领域。利用图上小波变换对图像进行多尺度分解，得到包含低频信息的近似子带和高频信息的细节子带，此处的低频和高频是指信号图表示中的图频率，对低频近似子带采用基于空时混沌的置乱和扩散，对高频细节子带进行置乱，图像重建后，将图像像素值变换到区间[0,255]，最后再对重建图像进行扩散运算。本发明可以改变图像的像素值，同时打乱图像间的关系，从而加密明文图像。该技术具有较大的密钥空间和较强的密钥敏感性，同时可有效抵抗各种统计方法攻击、已知明文攻击和选择明文攻击、噪声攻击和剪切攻击。

技术领域

本发明涉及基于一种基于图上小波变换的图像加密方法，属于图像处理和图像加密技术领域。

背景技术

图像加密是图像安全保护的核心技术，是保护图像安全的一种直接有效的手段。随着计算机网络和信息技术的迅猛发展，图像和视频等数据量大的多媒体数字信息可以在网络上方便、快捷地传输。但是，数字图像带给人们生活便利的同时也存在着诸多的安全隐患。譬如，涉及到国家秘密、商业数据或个人隐私的一些图像信息，通过网络传播时很容易被恶意攻击者轻易地窃取、浏览、篡改、非法复制与利用。因此，图像信息的安全问题是信息安全中的关键问题之一。

图像加密是在加密密钥和加密方法的共同作用下将一幅图像变成杂乱无章的加密图像(类似于噪声)，使其所要表达的真实图像信息无法直接利用。基于混沌的图像加密技术利用混沌系统具有内随机性、不可预测性、宽带特性、遍历性以及对初始条件和系统参数的极端敏感性等优势，大大提高了图像加密性能，具有极大的应用前景，且已成为图像信息加密的重要技术之一。

基于混沌的图像加密技术主要通过置乱过程和扩散过程来实现，置乱过程改变明文图像中像素(变换系数)的排列位置，以此打乱像素间的关系来实现加密，扩散过程的主要目的就是利用密钥来改变明文图像的像素值。从作用域上，混沌图像加密技术可分为空域加密算法和变换域加密算法。由于变换系数包含原始图像中的整体或某个局部区域的信息，那么，变换域每个系数的变化，都会对整个图像数据或图像中某个区域产生影响(或者在变换过程中引入随机变化因素，达到加密图像的目的)，从而达到扩散的目的，同时，对变换系数的置乱运算会从整体上打乱图像的结构以及像素间的关系，以此达到更好的加密效果。

图是一种可以表示数据及其复杂关系的数据表示形式，图包含顶点及描述顶点关系的边，赋予边的权值表示所连接两个顶点间的关系，对于图像的图表示而言，像素即为图的顶点，同时用边描述顶点的局部邻域关系。Moumen(A.Moumen,M.Bouye,H.Sissaoui,Newsecure partial encryption method for medical images using graph coloringproblem.Nonlinear Dyn.(2015)pp.1-8.)提出了基于图论的医学图像加密，该技术利用图着色算法选择图像中的像素，再利用AES算法进行加密，由此证明图论在图像加密中的应用前景。

传统基于小波变换的图像加密技术，仅利用了变换的多尺度特性，通过置乱和扩散小波系数，从而达到加密的目的，然而，由于小波变换仅考虑图像的像素值，并没有充分挖掘相邻像素间的相互关系，而图像的图表示可以充分考虑像素间的相互关系。近年来，图上信号处理(Signal Processing on Graph)作为信号处理领域新兴的研究方向(B.Ricauda,P.Borgnatb,N.Tremblayc,P.P.Vandergheynsta,Fourier couldbe a data scientist:From graph Fourier transform to signal processing ongraphs.Comptes Rendus Physique.20(2019)pp.474–488.)，图小波变换(graph wavelettransform)结合图表示和小波变换的优势，既考虑信号间的关系，又形成多尺度信号表示，因此，图小波域加密可有效改变图像像素值及像素间的关系。基于此原理，本发明提出基于图小波变换和混沌映射的图像加密。

发明内容