基于混沌的spiht編碼彩色圖像部分加密方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及通信傳輸中數字圖像加密方法W及混濁控制和同步技術，屬于信息安 全領域。
【背景技術】
[0002] 當代，隨著多媒體的大量應用，多媒體數據的安全性變得越來越重要了。運些數據 量大，圖像像素間相關性高的多媒體數據通過有限帶寬信道傳輸，壓縮和加密就變得非常 必要了。為了節省計算時間和系統資源，壓縮編碼和加密可W集成在一起完成。基于小波變 換的多級樹集合分裂(The Set Partitioning in Hierarchical IYees,SPIHT)把圖像編 碼為一個可擴展的比特位流，是一種高效的圖像有損壓縮編碼。
[0003] 可擴展編碼的加密需求導致了加密SPIHT編碼技術的發展。H化eng等提出的算法 只加密金字塔的前兩級和初始量化闊值。大小為512 X 512的灰度圖像比特率為0. Sbpp，只 需加密編碼碼流的2%。然而，預定義重要位的密碼系統比較易于攻擊。S Lian等將3D-SPIHT編碼的視頻通過立方體內和立方體間的小波系數置亂來加密。低頻系數的符號通過 混濁流密碼來加密。當小波變換小于等于4級，立方體小于等于32 X 32 X 32時，只需加密編 碼的10% DMadin等提出加密前K次排序的重要位LIP和LIS系數，比特率為0.Sbpp的測試圖 像，平均只需加密0.40%。安全形狀紋理SPIHT(SecST-SPIHT)加密LIP和LIS系數中表示形 狀的K-測試位，占編碼位流的5%。該方案可W用于監視系統的隱私保護，只有擁有解密密 鑰的授權用戶才能獲得加密可視對象。N化neja等采用Logistic映射加密隨機選擇的比特 位。如果指定位的前一位是0,則加密當前位。運項技術只需加密圖像編碼碼流的0.5%。然 而，隨機確定重要位是不合理的。極端情況下，只有很少甚至沒有重要位被加密，很難保證 加密效果。
[0004] 本發明提出一種新的有效的CSPIHT(Color-SPIHT)編碼的彩色圖像的部分加密。 經過對實驗結果的分析，我們找到CSPIHT編碼碼流的最重要位，再通過PWLCM來加密。本發 明提出的方案可W抵抗各種攻擊，占用最小的計算資源，并保持了可擴展特性。
【發明內容】
[000引CSPIHT算法通過修改SPIHT的空間方向樹結構實現對真彩色圖像的高效編碼。首 先，把圖像從RGB彩色空間轉換到YCbCr,然后對每個分量進行離散小波變換。可W看到，亮度 分量(Y)的小波系數大于色差分量(Cb和Cr)的系數值。色差分量的化子帶節點作為亮度分量 化子帶節點的后代，如圖IdCSPIHT算法使用S個有序列表：不重要系數列表化ist Of Insi即ificantPixels，LIP)，不重要集合列表化istofInsi即ificantSets，LIS)，和重 要系數列表化ist of Significant Pixels，LSP)。
[0006] CSPIHT 編碼會產生 6 種比特位，即 8、11。-318、8、11。-38。、8、115-1318、8、115-318、8、115-3即、 Bk,LSP，它們分別表示第k次掃描LIP的系數重要位、符號位、第k次掃描LIS的子樹重要位、系 數重要位、符號位、第k次掃描LSP的重要位。為了驗證運6種比特位在圖像重構中所起作用 的重要程度，我們在比特率為I的情況下，修改運些位的值再重構圖像，如果修改之后仍能 重構圖像，說明運一位對重構圖像作用不是很大，如果修改之后不能重構圖像，說明運一位 對重構圖像作用很大。測試圖像Lena如圖2所示。圖3~圖8分別為對測試圖像的W上6種比 特位修改后的重建圖像，其中的(a)圖為該位值由0/1改為1/0,（b)圖為該位值由0/1改為1/ 1，（C)圖為該位值由0/1改為0/0。由實驗我們可W看出Bk,LIP-Sig對重構圖像的作用最大，我 們選擇加密Bk, LIP-Sig來保護圖像不被非法獲得。
[0007] 本發明的加密算法描述如下，流程圖參見圖9，CSPIHT編碼過程不再寶述。
[0008] 步驟1:大小為MXN的源圖像進行n級離散小波變換化WT)轉換為小波系數矩陣，其 中2<n< log(max(M，N))，系數矩陣由CSPIHT進行編碼。排序掃描LIP得到的位流集合 Bk,LIP-Sig中第i位表不為bi，其中bi = 0或 1，i = l ,2,... ,Nk,LIP-SigoNk,LIP-Sig是集合Bk,LIP-Sig的 元素總數。為了防止破譯者通過選擇明文攻擊確定加密位置，小波分解級數n也需要保密。
[0009] 步驟2:由分段線性混濁映射(PWLCM)產生密鑰流，公式如下：
(1)
[0011] 其中Xi e [0，1)。當控制參數Pe (0，0.5)時，公式（1)進入混濁狀態。PWLCM具有均 勻分布性W及非常好的遍歷性、混淆性和確定性，可W提供完美的適用于加密系統的隨機 序列。
[0012] 接著，公式(2)把[0，1)之間的隨機數轉換為隨機二進制數。 1, if 0.5
[圓]巧=Othcrwi化 巧
[0014]在本算法中，控制參數P和初值XO都是密鑰，采用一次一密來抵抗選擇明文攻擊。 [001引步驟3:加密變換如下：
[0016] bi'= (bi+bi'-i)mod2 ? xbi (3)
[0017] 擴散初值W為密鑰。符號?表示異或操作。迭代PWLCM直至加密所有的bi。
[0018] 步驟4:加密級數k = k+l。如果k小于K，則執行步驟2，其中K不大于SPIHT的分裂次 數，分裂次數不大于彩色分量的小波系數最大值的對數。K為密鑰。
[0019] 本發明的解密過程即為加密的逆過程，具體算法描述如下，流程圖參見圖10。
[0020] 步驟1:解碼并解密位流。排序掃描LIP得到的位流集合Bk,LIP-Sig中第i位表示為 bi，其中bi 二0或 1 , i 二 1,2 , . . . ,Nk,LIP-sig〇Nk,LIP-sig是集合I3k,LIP-sig的兀素總數。
[0021] 步驟2:用同樣的參數和初值通過公式(1)和公式(2)產生二進制隨機數xbi。
[0022] 步驟3:用和加密過程一樣的擴散初值b(/通過公式(4)解密b/。
[002引 bi= I (bi'宙 xbi-bi'-i) |mod2. (4)
[0024]步驟4:解密級數k = k+l。如果k小于K，則執行步驟2,其中K和加密級數一樣。解密 和解碼得到的n級小波系數矩陣再經過離散小波反變換(IDWT)重建彩色圖像。
[002引本發明的優勢：
[0026]本發明提出的部分加密方案采用基于混濁的流密碼，只加密CSPIHT前K次排序掃 描產生的最重要位。PWLCM因其具有完美的遍歷性和混淆性而適用于產生隨機數序列。加密 最重要信息保證了圖像數據的機密性。本發明創新地選擇加密位，并設計了混濁加密方案。 通過性能和安全性分析，可W看出本發明不僅在較低計算量的情況下有很好的加密效果， 而且能夠抵抗各種常見的密碼分析攻擊。本方案的原理可W應用于資源有限的異構網絡中 其它內嵌的圖像和視頻編碼器。
【附圖說明】
[0027]圖巧CSPIHT算法的空間方向樹結構；
[002引圖2為測試圖像Lena;
[0029] 圖3(a)(b)(c)分別為把8、11。-318位的值0/1修改為1/0、1/1和0/0后重建圖像；
[0030] 圖4(a)(b)(c)分別為把化,LIP-Sgn位的值0/1修改為1/0、1/1和0/0后重建圖像；
[0031] 圖5(a)(b)(c)分別為把化,LIS-Tsig位的值0/1修改為1/0、1/1和0/0后重建圖像；
[0032] 圖6(a)(b)(c)分別為把化,Lis-Sig位的值0/1修改為1/0、1/1和0/0后重建圖像；
[0033] 圖7(a)(b)(c)分別為把化,LIP-Sig位的值0/1修改為1/0、1/1和0/0后重建圖像；
[0034] 圖8(a) (b) (C)分別為把Bk,LSP位的值0/1修改為1/0、IA和0/0后重建圖像；
[003引圖9為加密流程圖；
[0036]圖10為解密流程圖；
[0037 ]圖11為明文圖像和它們的加密結果；
[003引圖12為分別用10% ,15% ,25% ,75%的編碼/加密位流解密/解碼的結果圖像。
【具體實施方式】
[0039] W測試圖像Lena為實施例