[发明专利]一种新的基于混沌的图像无损压缩加密联合方法

摘要

一种基于多种混沌的图像无损压缩加密联合算法，属于多媒体信息安全技术领域。本发明针对图像无损压缩算法SPIHT高安全性的需求，设计了一种基于多种混沌的图像无损压缩加密联合算法。该算法设计生成更为安全的不易被攻破的加密伪随机序列，并且通过设计局部扩散和整体置乱的方式对小波变换系数矩阵进行加密，并且在SPIHT编码进行的过程中，对排序扫描部分进行了多轮加密。理论分析和实验结果表明,本发明算法加密速度快,安全性高,对压缩比影响小,同时做到了保持图片文件的无损性，具有广泛的应用前景和实用价值。

主权项

1.一种新的基于混沌的图像无损压缩加密联合方法，其特征在于：该方法分为以下三步进行实现：第一步，输入混沌方程的初始值然后生成安全的密钥流序列；安全密钥流序列的产生是独立于编解码程序预先出来的，即在程序编解码之前就可以生成量化密钥流；使用3个混沌方程生成伪随机序列流，方程涵盖了高维混沌方程到一维混沌方程，分别为Lorenz方程，Henon方程和logistic方程各生成和其维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；生成的实数级混沌序列用在图像加密中必须经过量化操作形成整数，不同的方程采用不同的量化方法；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，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；其扩散方法是根据实验结果选择了小波系数矩阵左上方64*64块，以达到压缩比和安全性的平衡；基于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，方法采用的是CDF(4‑2)差分整数小波，以(N1,N2)分别表示其分解滤波器和合成滤波器的消失矩；CDF(4‑2)差分小波变换的整数形式如下公式(1)所示；小波系数局部扩散采用的是Lorenz映射产生的量化伪随机序列进行加密，加密方式为OFB(输出反馈模式)，即前一个小波系数加密的密文作为输入参与到下一个小波系数加密的算法中，具体步骤如公式(2)所示：其中t是一个在0到255之间的一个整数，用于加密第一个小波系数，B(m)为需要加密的小波系数；C(m)为异或的中间变量，R(m)为最终生成的小波系数加密序列，T(m)为Lorenz 方程生成的量化序列；第三步，将加密后的小波系数输入加密与压缩联合的SPIHT编码；加密与压缩联合的SPIHT编码是在SPIHT编码过程的排序扫描操作中实现加密操作；在方法实现中，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，以对压缩码流进行多轮加密，保证了SPIHT图像无损压缩文件的安全性，其操作如下：(1)扫描不重要系数表LIP，在输出矩阵中输出小波系数的重要性判断和符号位；(2)扫描不重要子集表LIS，将其分为D型表项和L型表项，分别对D型表项和L型表项进行操作；如果是D型表项则处理D型表项，在重要系数表LSP中输出重要系数，并且将其产生的L型表项放入LIS的末端，然后将处理信息输出到最后的输出矩阵OUTPUT中；用Logistic混沌方程产生的密钥流对OUTPUT进行加密操作；如果是L型表项那么处理L型表项，将扫描的重要系数放入LSP中，并将产生的D型表项放入LIS的末端，然后将处理信息输出到输出矩阵OUTPUT中，采用初始输入参数不同的Logistic混沌方程产生的密钥流对OUTPUT进行加密操作；具体实现时，图像压缩基本信息的位置为OUTPUT[1～5]，在压缩过程中依次记录分块压缩写入OUTPUT数组中的码流数组最后一位的所在位置locate，迭代加密OUTPUT[6～locate]的01序列，实现对码流的多次加密，从而对码流实现了最大程度上的加密；码流的locate选择的是程序中对D型表项和L型表项进行重要性扫描时将扫描结果存入OUTPUT矩阵里的最后一位；在每次加密的过程中，都要修改Logistic方程的初始值，扩充了密钥空间，保证算法的安全性；通过第一步的密钥产生、第二步的小波系数加密和第三步的加密与压缩联合的SPIHT编码之后，完成图像的无损压缩加密操作。