基于顯著性區域的自適應選擇加密方法

基于顯著性區域的自適應選擇加密方法
【專利摘要】本發明涉及圖像選擇加密技術領域，提供一種于顯著性區域的自適應選擇加密方法，該方法包括：對圖像進行顯著性檢測并標注顯著性區域；生成混沌序列P；轉換明文圖像色彩空間至YCbCr，對圖像進行分塊擴散置亂；執行DCT變換和量化過程；生成DC系數矩陣MDC和AC系數矩陣MAC；對MDC和MAC執行自適應加密；分別對Y、Cb、Cr三個分量加密；完成剩余編碼步驟。本發明提出的技術方案通過顯著性檢測確定圖像的顯著性區域，然后選擇顯著性區域進行重點加密。該加密方式相較于邊緣檢測而言可以更好的確保圖像重點部分的保密性，提高了圖像的抗攻擊性。
【專利說明】
基于顯著性區域的自適應選擇加密方法
技術領域
[0001] 本發明屬于圖像選擇加密技術領域，特別涉及一種基于顯著性區域的自適應選擇 加密方法。
【背景技術】
[0002] 近年來，隨著計算機、移動終端以及互聯網技術的飛速發展，高清多媒體圖像成為 目前最流行的多媒體形式之一。因此多媒體圖像的安全傳輸和存儲就變得尤為重要了。加 密是一個非常有效的解決方案，目前主流的研究思路有空域圖像加密技術和壓縮圖像加密 技術兩種。
[0003] 空域圖像加密將圖像看作是二維數據進行操作，在不進行壓縮的基礎上加密，基 本的空域加密思想可以分為三類:像素位置變換、改變像素灰度值以及兩者的結合。目前影 響較大的空域加密方案有基于樹結構的加密方法、基于混沌的方法和基于二維細胞自動機 的方法。H.Cheng，X.Li .Partial encryption of compressed images and videos[J], IEEE Transactions on Signal Processing.2000,48(8) :2439-2451 中米用四叉樹結構進 行加密，具有可減少加密和解密處理時間的優點，但其只適用于四叉樹壓縮算法，而四叉樹 壓縮算法并不是一個國際標準。因為混沌系統具有隨機性、敏感性、簡潔性、遍歷性等特性， 因此基于混沌系統的圖像加密算法可以達到很高的性能。混沌系統加密的典型迭代過程是 替換和混淆，但多輪的替換與混淆或者迭代會使整體加密速度變慢。而且，在一些基于混沌 的加密中仍舊有一些安全弱點。C.Cokal，E.Solak.Cryptanalysis of a chaos-based image encryptionalgorithm[J] .Physics Letters Α·2009,373:1357-1360已經徹底破解 了已有的基于混沌的圖像加密算法。
[0004] G. Chen ,Χ. Υ. Zhao . A self-adaptive algorithm on image encryption!! J]， Journal of Software,2005,19(11) :1975-1974中第一次把自適應的思想和圖像加密結合 起來，提出了一種圖像自適應加密算法，先對圖像進行分塊，然后從塊中提前圖像信息并用 其加密另一圖像塊。該算法具有操作簡單、運算速度快、能有效抵抗已知明文攻擊和選擇明 文攻擊等優點。
[0005] 與空域加密不同，壓縮圖像加密可以降低加密數量減少冗余從而提高了加密效 率，更符合現代人們對于圖像時時傳輸的要求。所以近年來壓縮圖像加密逐漸稱為研究熱 點，目前主流的研究思路有壓縮編碼和選擇加密兩種。壓縮編碼，在圖像壓縮的過程中無縫 嵌入加密算法，使得加密和壓縮同時進行，并且格式兼容;選擇加密則是利用圖像的特性， 僅選擇圖像中人類視覺信息較為敏感的重要信息進行加密但仍能保證對圖像的內容起到 保密作用的加密方式。選擇加密能使需要加密的數據大大減少，加密所需時間大大縮短，從 而能夠滿足多媒體的傳輸需求。選擇加密雖然加密速度快，但加密后的數據無法進行壓縮。 但如果將加密研究和壓縮編碼過程結合起來，則可以在保證較高安全性的情況下達到良好 的壓縮率。目前提出的大部分結合壓縮編碼的加密方案基本都采用了選擇加密的思路，既 降低了加密數據量又達到了將加密過程嵌入到壓縮過程的目的。
[0006] -般的，衡量選擇加密技術的性能主要包括兩個指標：（1)安全性:加密后的文件 應能達到應用所需的保密程度，并能抵抗各種惡意攻擊。（2)時效性:在保證安全性的前提 下應盡量減少加密的數據量，從而提高計算速度。所以目前大多數的選擇加密技術大多遵 循一個相似的執行流程:首先，采用特定加密方式生成密鑰;其次，對明文圖像進行邊緣檢 測，找出圖像中邊緣信息豐富的圖像快標記為重要塊進行重點加密;再次，對邊緣圖像進行 分塊擴散得到邊緣擴散圖像;最后根據邊緣擴散圖像利用開始的得到的密鑰對明文圖像進 行加密。
[0007] 圖像的邊緣是指圖像局部區域變化最顯著的地方，其集中了圖像的大部分信息， 對于整個圖像場景的識別與理解是非常重要的。但圖像邊緣并不能完全代表目標本身，所 以后來人們更傾向于研究顯著性檢測，即檢測圖像的顯著性區域而不僅僅是邊緣。為了在 復雜背景下準確的檢測重要性目標，Kim W,Kim C.Atexture-aware salient edge model for image retargeting[J]. Signal Processing Letters, IEEE,2011,18(11):631-634提 出了一種顯著性邊檢測模型(TASE算法），通過計算圖像在擴散空間的高階統計量(HOS)檢 測顯著性邊。因此本發明采用基于顯著性區域的方式進行圖像選擇加密。
[0008] 現有的選擇加密技術多是通過邊緣檢測的手段找出邊緣信息較為豐富的圖像塊 標記為重要塊進行重點加密。但邊緣檢測對于紋理敏感所以一些非重要性區域的不穩定邊 緣塊也會被重點加密從而造成加密冗余，另一方面只通過邊緣塊一般不能囊括全部重要性 區域，所以會出現相對光滑的重要性區域塊不能被重點加密從而造成安全性不穩定。

【發明內容】

[0009] 【要解決的技術問題】
[0010] 針對現有技術的不足，本發明提供一種基于顯著性區域的自適應選擇加密方法， 能同時具有運算速度快、不失真、保密好的特性。
[0011] 【技術方案】
[0012] 本發明是通過以下技術方案實現的。
[0013]本發明涉及一種基于顯著性區域的自適應選擇加密方法，包括：
[0014] 步驟A、對原始圖像進行顯著性檢測得到顯著性地圖，并根據顯著性地圖標記原始 圖像的顯著性區域；
[0015] 步驟B、初始化初始密鑰K，利用初始密鑰K使RC5算法迭代128輪并取該輪密文前 8bit作為Ka，再繼續迭代至第129輪并取該輪密文前64bit作為K!、后64bit作為K 2,以心和心 作為參數通過混沌序列的生成器生成混沌序列Ρ;
[0016] 步驟C、轉換明文圖像色彩空間至YCbCr，并標記屬于圖像顯著性區域的8X8分塊， 生成混沌序列(x，Y)并利用混沌序列(x，Y)對圖像進行分塊擴散置亂；
[0017] 步驟D、執行DCT變換和量化過程；
[0018]步驟Ε、將原始圖像每個分塊的DC系數取出，組成一個ΜΧΝ的DC系數矩陣Mdc，然后 將顯著性區域各分塊的AC系數按照Zig-Zag順序取出前16個，組成一個mXnX 16的AC系數 矩陣MAC，其中M、N分別為原始圖像的高度和寬度，m=M/8，n = N/8;
[0019]步驟F、掃描密碼流Ka，對DC系數矩陣Mdg和AC系數矩陣Mag執行自適應加密過程，并 利用混沌序列P對DC系數矩陣Mdc中DC系數的符號進行加密；
[0020]步驟G、分別對Y、Cb、Cr三個分量重復執行步驟C~步驟F的操作；
[0021] 步驟H、完成剩余編碼步驟，得到加密的JPEG文件。
[0022]作為一種優選的實施方式，所述步驟A中采用TASE顯著性檢測方法對圖像進行顯 著性檢測得到顯著性地圖，具體包括：
[0023] 步驟A1、根據全變差流對圖像進行非線性擴散，所述擴散方程為：
[0024]
[0025]其中，k表示迭代次數，g( ·)代表擴散率函數，客:為全變差擴散 流，ε是正常數；
[0026] 步驟Α2、計算非線性擴散圖像/在每個像素位置Χ=(Χ1，Χ2)的高階統計量：
[0027]
[0028] 其中，Β(χ)代表X的鄰域像素集，u(y)表示Β(χ)中屬于非線性擴散圖像中的像 素，Ν為Β(χ)內包含元素的個數，以(4 = (1作）2#啦)11(7)表示樣本集以4的均值；
[0029 ]步驟A3、計算圖像第k列的高階統計量為：
[0030]
[0031]其中m表示圖像第k列的像素個數，H0S(x，k)表示第k列的每個像素 X的H0S;
[0032]步驟A4、取前1個高階統計量最大的列作為顯著列；
[0033]步驟A5、確定屬于顯著性區域的顯著列，設顯著列的最小、最大列坐標分別為w和 W，則圖像中的顯著性區域為圖像的[w，W]列。
[0034]作為另一種優選的實施方式，所述步驟A1中設置的鄰域半徑為11。
[0035]作為另一種優選的實施方式，所述步驟B中引用分段線性混沌映射PWLCM作為混沌 序列的生成器，生成混沌序列P。
[0036]作為另一種優選的實施方式，所述步驟F中對DC系數矩陣MDC和AC系數矩陣Mac執行 自適應加密的方法為:掃描信息流，當密鑰比特為"0"時，則對DC系數矩陣MDdi行上下分塊， 然后先用上面部分加密下面部分，再用下面部分加密上面部分；當密鑰比特流為"Γ時，則 對顯著性區域的AC系數矩陣Μ/di行左右分塊，然后先用左邊部分加密右邊部分再用右邊部 分加密左邊部分;當掃描完所有密鑰流比特則完成自適應加密。
[0037]作為另一種優選的實施方式，所述步驟F中對自適應加密完成后的DC系數進行符 號加密的方法為:利用混沌序列P，逐個掃描DC系數，對第i個DC系數，如果對P[i]四舍五入 的結果等于〇,則該DC系數符號不變;如果對P[i]四舍五入的結果等于1，則該DC系數的符號 取反。
[0038]作為另一種優選的實施方式，所述步驟C利用Henon映射生成的混沌序列(X，Y)對 圖像進行分塊擴散置亂。
[0039]【有益效果】
[0040]本發明提出的技術方案具有以下有益效果：
[0041] (1)本發明通過顯著性檢測確定圖像的顯著性區域，然后選擇顯著性區域進行重 點加密。該加密方式相較于邊緣檢測而言可以更好的確保圖像重點部分的保密性，提高了 圖像的抗攻擊性。
[0042] (2)本發明將自適應加密與JPEG編碼以及選擇加密相融合，算法格式兼容，操作簡 單并降低了加密數量以及運算量。而且因為自適應加密具有的當明文發生極小改變密文也 會發生很大變化的特性，使得該方法可以更好的應用于各種圖像安全傳輸領域。
【附圖說明】
[0043]圖1為本發明的實施例一提供的基于顯著性區域的自適應選擇加密方法的原理 圖。
【具體實施方式】
[0044]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將對本發明的【具體實施方式】 進行清楚、完整的描述。
[0045]圖1為本發明實施例一提供的基于顯著性區域的自適應選擇加密方法的原理圖。 如圖1所示，該方法包括以下步驟(一)至步驟(八），下面分別對上述步驟進行詳細說明。 [0046](一)對圖像進行顯著性檢測并標注顯著性區域。
[0047]該步驟對原始圖像進行顯著性檢測得到顯著性地圖，并根據顯著性地圖標記原始 圖像的顯著性區域，具體地，本步驟采用TASE顯著性檢測方法對圖像進行顯著性檢測得到 顯著性地圖，該方法首先根據全變差流對圖像進行非線性擴散，然后通過計算擴散空間上 的每一像素點位置上的高階統計量(H0S)得到圖像的顯著性地圖，然后利用該顯著性地圖 標記圖像的顯著性區域，具體步驟如下：
[0048] 步驟(1 )、根據全變差流對圖像進行非線性擴散，擴散方程為：
[0049]
[0050] 其中，k表示迭代次數，g( ·)代表擴散率函數，= + ^為全變差擴散 流，ε是正常數，因為擴散方程對所有亮度變化的懲罰是一致的，所以可以保證在對一些復 雜的小紋理進行平滑時保留圖像的邊緣；
[0051] 步驟⑵、計算非線性擴散圖像/在每個像素位置Χ=(Χ1，Χ2)的高階統計量：
[0052]
[0053]其中，Β(χ)代表X的鄰域像素集，u(y)表示Β(χ)中屬于非線性擴散圖像中的像 素，Ν為Β(χ)內包含元素的個數，以(1) = (1作。^〇〇11(5〇表示樣本集以1)的均值；
[0054]步驟(3)、計算圖像第k列的高階統計量為：
[0055]
[0056]其中m表示圖像第k列的像素個數，H0S(x，k)表示第k列的每個像素 X的H0S，H0S(k) 越大，第k列越顯著；
[0057]步驟(4)、取前1個高階統計量最大的列作為顯著列，1具體根據圖像內容人為設 置；
[0058]步驟(5)、根據顯著性區域是一個局部連續整體的性質，確定屬于顯著性區域的顯 著列：假設前L列已經確定的屬于顯著性區域的顯著列的中心為no,則對第L+1個顯著列來 說，倘若它的位置坐標與no的差小于等于w，則認為第L+1個顯著列屬于顯著性區域，w具體 根據源圖像內容設置，其中，no初始化設置為最顯著列，即HOS最大的列的坐標；
[0059]步驟(6)、在確定了屬于顯著性區域的顯著列后，設顯著列的最小、最大列坐標分 別為w和W，則圖像中的顯著性區域為圖像的[w，W ]列。
[0060] (二）生成混沌序列P
[0061] 具體包括:初始化初始密鑰K，利用初始密鑰K使RC5算法迭代128輪并取該輪密文 前8bit作為Ka，再繼續迭代至第129輪并取該輪密文前64bit作為K!、后64bit作為K 2,以心和 Κ2作為參數通過引用分段線性混沌映射PWLCM作為混沌序列的生成器生成混沌序列Ρ。
[0062](三)轉換明文圖像色彩空間至YCbCr，對圖像進行分塊擴散置亂
[0063]該步驟首先轉換明文圖像色彩空間至YCbCr，并標記屬于圖像顯著性區域的8X8 分塊。然后，利用Henon映射生成混沌序列(X，Y)并利用混沌序列(X，Y)對圖像進行分塊擴散 置亂，具體地，首先將圖像每行分塊向右循環移位，每行分塊移動的距離不同；然后每列分 塊向下循環移位，每列移動的距離不同，令Ν，Μ分別為圖像的寬度和高度，則m=M/8，n = N/8 分別表示分塊的行數和列數，利用Henon映射生成長度為m的混沌序列X以及長度為η的混沌 序列Υ，然后使Xi= (xixl〇〇〇〇〇〇)mod h(XieX)，且yi= (yixlOOOOOO)mod w(yiGY)，此時X和 Y分別表示行列的移動距離，經過多輪行列擴散操作就可以將分塊完全擴散。
[0064](四）執行DCT變換和量化過程
[0065](五)生成DC系數矩陣Mdg和AC系數矩陣Mac
[0066] 該步驟將原始圖像每個分塊的DC系數取出，組成一個MXN的DC系數矩陣MDC，然后 將顯著性區域各分塊的AC系數按照Zig-Zag順序取出前16個，組成一個mXnX 16的AC系數 矩陣MAC，其中M、N分別原始圖像的高度和寬度，m=M/8，n = N/8。
[0067] (六)對Mdc和Mac執行自適應加密
[0068]掃描密碼流Ka，對DC系數矩陣MDC和AC系數矩陣Mac執行自適應加密過程，并利用混 沌序列P對DC系數矩陣MDC中DC系數的符號進行加密。
[0069]具體地，該步驟對DC系數矩陣Mdg和AC系數矩陣Mag執行自適應加密，具體包括:首 先掃描信息流，當密鑰比特為"〇"時，則對DC系數矩陣MDdi行上下分塊，然后先用上面部分 加密下面部分，再用下面部分加密上面部分；當密鑰比特流為"Γ時，則對顯著性區域的AC 系數矩陣MAdi行左右分塊，然后先用左邊部分加密右邊部分再用右邊部分加密左邊部分。 當掃描完所有密鑰流比特，自適應加密即完成。
[0070] 該步驟對自適應加密后的DC系數矩陣進行符號加密，具體包括:得到混沌序列P 后，逐個掃描DC系數，對第i個DC系數，如果對P[ i ]四舍五入的結果等于0，則該DC系數符號 不變;如果對P[ i ]四舍五入的結果等于1，則該DC系數的符號取反。
[0071] (七)分別對Y、Cb、Cr三個分量重復執行步驟C~步驟F的操作
[0072] 具體地，針對Y、Cb、Cr中的每個分量，均執行一次步驟C~步驟F的操作。
[0073](八)完成剩余編碼步驟
[0074] 通過該步驟，完成剩余編碼步驟，得到加密的JPEG文件。
[0075]從以上實施例可以看出，本發明實施例通過顯著性檢測確定圖像的顯著性區域， 然后選擇顯著性區域進行重點加密。該加密方式相較于邊緣檢測而言可以更好的確保圖像 重點部分的保密性，提高了圖像的抗攻擊性;另外，本發明實施例將自適應加密與JPEG編碼 以及選擇加密相融合，算法格式兼容，操作簡單并降低了加密數量以及運算量。而且因為自 適應加密具有的當明文發生極小改變密文也會發生很大變化的特性，使得該方法可以更好 的應用于各種圖像安全傳輸領域。
[0076]需要說明，上述描述的實施例是本發明的一部分實施例，而不是全部實施例，也不 是對本發明的限制。基于本發明的實施例，本領域普通技術人員在不付出創造性勞動前提 下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種基于顯著性區域的自適應選擇加密方法，其特征在于包括： 步驟A、對原始圖像進行顯著性檢測得到顯著性地圖，并根據顯著性地圖標記原始圖像 的顯著性區域； 步驟B、初始化初始密鑰K，利用初始密鑰K使RC5算法迭代128輪并取該輪密文前8bit作 為Ka，再繼續迭代至第129輪并取該輪密文前64bit作為Κι、后64bit作為K2，WKi和拉作為參 數通過混濁序列的生成器生成混濁序列P; 步驟C、轉換明文圖像色彩空間至YCbCr，并標記屬于圖像顯著性區域的8X8分塊，生成 混濁序列(Χ，Υ)并利用混濁序列(Χ，Υ)對圖像進行分塊擴散置亂； 步驟D、執行DCT變換和量化過程； 步驟Ε、將原始圖像每個分塊的DC系數取出，組成一個ΜΧΝ的DC系數矩陣Mdc，然后將顯 著性區域各分塊的AC系數按照Zig-Zagll序取出前16個，組成一個mXnXie的AC系數矩陣 Mac,其中M、N分別為原始圖像的高度和寬度，m=M/8，n = N/8; 步驟F、掃描密碼流Ka，對DC系數矩陣Mdg和AC系數矩陣Mag執行自適應加密過程，并利用 混濁序列P對DC系數矩陣Mdc中DC系數的符號進行加密； 步驟G、分別對YXb、化Ξ個分量重復執行步驟C~步驟F的操作； 步驟H、完成剩余編碼步驟，得到加密的肝EG文件。2. 根據權利要求1所述的基于顯著性區域的自適應選擇加密方法，其特征在于所述步 驟A中采用TASE顯著性檢測方法對圖像進行顯著性檢測得到顯著性地圖，具體包括： 步驟A1、根據全變差流對圖像進行非線性擴散，所述擴散方程為：I! (、k 二 0)二 f .，. 其中，k表示迭代次數，g( ·)代表擴散率函數，g(|Vu|) = l/(|Vu|+e)為全變差擴散 流，ε是正常數； 步驟Α2、計算非線性擴散圖像每個像素位置χ=(χι，χ2)的高階統計量：其中，B(x)代表x的鄰域像素集，u(y)表示B(x)中屬于非線性擴散圖像u^中的像素，N為B (X)內包含元素的個數，μ(x) = (l/N)Σy卻ωu(y)表示樣本集B(x)的均值； 步驟A3、計算圖像第k列的高階統計量為：其中m表示圖像第k列的像素個數，冊S(x，k)表示第k列的每個像素 X的冊S; 步驟A4、取前1個高階統計量最大的列作為顯著列； 步驟A5、確定屬于顯著性區域的顯著列，設顯著列的最小、最大列坐標分別為W和W，則 圖像中的顯著性區域為圖像的[w，W]列。3. 根據權利要求2所述的基于顯著性區域的自適應選擇加密方法，其特征在于所述步 驟A1中設置的鄰域半徑為11。4. 根據權利要求1所述的基于顯著性區域的自適應選擇加密方法，其特征在于所述步 驟B中引用分段線性混濁映射PWLCM作為混濁序列的生成器，生成混濁序列P。5. 根據權利要求1所述的基于顯著性區域的自適應選擇加密方法，其特征在于所述步 驟F中對DC系數矩陣Mdc和AC系數矩陣Mac執行自適應加密的方法為：掃描信息流，當密鑰比 特為"0"時，則對DC系數矩陣Mdc進行上下分塊，然后先用上面部分加密下面部分，再用下面 部分加密上面部分；當密鑰比特流為"Γ時，則對顯著性區域的AC系數矩陣Mac進行左右分 塊，然后先用左邊部分加密右邊部分再用右邊部分加密左邊部分；當掃描完所有密鑰流比 特則完成自適應加密。6. 根據權利要求1所述的基于顯著性區域的自適應選擇加密方法，其特征在于所述步 驟F中對自適應加密完成后的DC系數進行符號加密的方法為:利用混濁序列P，逐個掃描DC 系數，對第i個DC系數，如果對P[i]四舍五入的結果等于0,則該DC系數符號不變;如果對P [i]四舍五入的結果等于1，則該DC系數的符號取反。7. 根據權利要求1所述的基于顯著性區域的自適應選擇加密方法，其特征在于所述步 驟C利用化non映射生成的混濁序列(Χ，Υ)對圖像進行分塊擴散置亂。
【文檔編號】H04L9/06GK105975869SQ201610313491
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月12日
【發明人】翟棟
【申請人】四川長虹電器股份有限公司