[发明专利]一种基于ChaCha20和CCSDS的选择性卫星图像压缩加密方法

摘要

本发明提供一种基于ChaCha20和CCSDS的选择性卫星图像压缩加密方法，针对卫星图像特点，首先利用CCSDS图像压缩算法中9/7整型小波对图像进行三级二维离散小波变换，得到变换后的DC系数和AC系数。其次，通过编码选项中的头信息与512位初始密钥，采用ChaCha20哈希运算产生ChaCha20初始字节流；混沌初始密钥和明文图像归一化均值，通过分段线性混沌映射(Piecewise Linear Chaotic Map，PWLCM)迭代产生的字节流与ChaCha20初始字节流求和取模生成ChaCha20字节流。然后，将ChaCha20字节流与DC系数和部分AC系数(每个block中的父、子系数)、所有AC系数符号位进行异或加密。最后，将加密过的DC、AC系数编码压缩，完成卫星图像压缩加密。ChaCha20字节流的产生与待加密卫星图像、压缩编码参数相关，可增强加密的自适应性。

主权项

1.一种基于ChaCha20和CCSDS的选择性卫星图像压缩加密方法，其特征在于包括下述步骤：步骤1：小波变换对大小为M×N的输入图像进行三级二维整型9/7离散小波变换，产生与输入图像像素数量相同的变换系数，其中DC系数占总系数的1/64，AC系数占总系数的63/64；步骤2：ChaCha20字节流生成ChaCha20的每个状态共16个状态字，每个32位，分别为4个常数constant，8个输入密钥key，2个块计数器counter，2个随机数nonce，ChaCha20状态的排列方式如公式(1)所示；扩充ChaCha20的256位输入密钥key到512位，把密钥key与constant、counter、nonce共同作为ChaCha20的输入密钥，扩充后状态的排列方式如公式(2)所示；为了增强图像加密的自适应性，本加密方法采用ChaCha20流密码结合明文图像像素总和、编码选项参数头信息产生初始字节流，其中编码选项参数头信息包括子带加权系数、一个segment容许的最大字节数SegByteLimit，再与PWLCM映射共同作用生成ChaCha20字节流；1)输入512位输入密钥，按照w0,w1,w2,w3,w4,w5,w6,w7,w8,w9,w10,w11,w12,w13,w14,w15顺序，依次将输入密钥以小端字节序方式，赋给ChaCha20状态字作为初始值，每个32位，得到ChaCha20初始态Initial state；将子带加权系数组s[i],i＝0,1,...9按照公式(3)合并成20比特的整数number；2)为增强加密方法的自适应性，将ChaCha20初始态中的w12与明文图像P像素总和sum(P)、number、SegByteLimit进行异或，如公式(4)所示；异或处理后的初始态称为基准状态，作为扩散操作的起点；式中，表示异或操作；3)以基准状态为基础进行20轮ChaCha20扩散操作，产生ChaCha20最终状态；从上到下逐行读取最终状态的每个状态字，依据小端字节序方式将其转换成字节流，连接成512位哈希密钥流；8位一组分割成长度为64的ChaCha20初始字节流key0；每次将上一次的状态字w12加1，其它状态字保持不变，进行20轮扩散过程，每次产生64个字节，如此重复M*N/256次，拼接产生长度为M*N/4的初始字节流bytestream0；4)计算明文图像归一化均值x0＝mean(P)/256，mean(P)表示对明文图像P中的像素求均值，将归一化均值x0和输入初值l0作为公式(5)中PWLCM映射参数xn,l的初值，迭代k1+M*N/4次，产生长度为k1+M*N/4的混沌序列，舍弃前k1项避免暂态效应，生成长度为M*N/4的混沌序列c；其中，xn表示第n次迭代值，l表示控制参数；5)采用公式(6)将序列c转换成整数序列O＝{o1,…,ov,…,oM*N/4},ov∈[0,255]，ov＝floor(mod(cv*1015,256)),v＝1,2,…M*N/4     (6)根据公式(7)构建ChaCha20字节流bytestream；bytestream(i)＝mod(bytestream0(i)+O(i),256),i＝1,2,…M*N/4     (7)其中，mod(x,y)表示x对y取模；步骤3：加密小波变换系数设一个segment由S个block组成，每个block包括一个DC系数；1)加密DC系数第t个segment的DC系数序列表示为DCbytest(j),j＝1,2,…S；图像变换后的DC系数占全部系数总数的1/64，而且8位深度图像变换后的系数值为(0,255)之间的整数；本加密方法将生成的ChaCha20字节流bytestream前M*N/64个字节与DC系数逐个进行异或操作，并且使用明文图像像素总和加密首个segment的第一个DC系数；为了增强DC系数间的扩散性能，将前一个加密后的DC系数作为反馈来影响当前DC系数加密；同时，为了增强segment间的扩散性能，将一个segment中最后一个已加密DC系数反馈到下一个segment中的第一个DC系数加密过程；(1)获得异或初值a0；初值a0＝mod(sum(P),256)，sum(P)表示明文图像像素总和；a0用来加密第一个segment中的第一个DC系数，如公式(8)所示，得到加密后的第一个DC系数DCbytes′1(1)；(2)加密第t个segment的DC系数；如公式(9)、(10)所示，得到第t个segment加密后的DC系数DCbytes′t(j),j＝1,2,...S；2)加密AC系数在对AC系数的加密中选取每个block中的父系数和子系数作为加密对象，并根据所在block的最大幅值对父、子系数进行自适应处理，避免系数因加密而导致编码压缩性能大幅度下降；此外，将ChaCha20字节流转换为比特流来加密AC系数的符号位，进一步保障图像的安全性；(1)AC系数中父、子系数加密本部分的系数加密均是对幅值进行操作；以第t个segment中第r个block的父、子系数加密为例，r∈[1，S]；设当前block中的父系数幅值序列为Parent0(m),m＝1,2,3,子系数幅值序列为Son0(n)，n＝1,2,...12；求出父系数序列中最大幅值Pmax＝max(Parent0(m))，m＝1,2,3，子系数序列中最大幅值Sonmax＝max(Son0(n)),n＝1,2,...12，其中max表示求最大值；将父系数、子系数与ChaCha20字节流bytestream逐个进行异或操作，并对相应的最大系数幅值取模，得到加密后的父系数序列Parent、子系数序列Son，如公式(11)、(12)所示；式(11)(12)中，S表示组成一个segment的block数量；按照如上方式对每个block中的父、子系数进行加密处理；(2)AC系数符号位加密用二进制数“0”表示AC系数中的正号“+”，二进制数“1”表示将负号“‑”，0的符号位表示为二进制“0”，以父、子、孙系数顺序对AC系数按行进行扫描得到符号位序列Sign0(l),l＝1,2,...M*N*63/64；取ChaCha20字节流ByteStream的前M*N*63/512个字节，将每个字节转换为8比特的二进制数，拼接形成长度为M*N*63/64的比特流bitstream；将符号位序列Sign0与比特流bitstream进行异或，得到加密后的符号位序列Sign，如公式(13)所示；步骤4：压缩编码在对每个segment进行编码时，编码选项的头信息中包含了编码需要的各种选项字段参数值，本加密方法需要的选项参数包括：每个segment中最大的字节容量SegByteLimit，各子带加权系数组s[i],i＝0,1,…9；另外，S表示组成一个segment的block数量，DCStop、BitPlaneStop、StageStop这三个参数表示对编码质量进行控制，当DCStop＝0、BitPlaneStop＝0、StageStop＝3时，表示对图像进行无损编码；设置好以上选项参数后，以segment为单位对加密后的系数进行编码，然后将每个segment编码后的码流组合起来，形成明文图像的加密编码码流，该码流解码后进行小波逆变换得到加密图像。