專利名稱：一種有效的圖像壓縮和加密融合的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及網(wǎng)絡(luò)圖像通信技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種能減少圖像加密和解密運算量的圖像壓縮和加密融合的方法。主要針對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中圖像信息的安全傳輸應(yīng)用。
背景技術(shù)：
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，為信息的網(wǎng)上傳播開辟了道路，大量的信息可以迅速方便地在網(wǎng)上發(fā)布和傳輸，但同時這也帶來了網(wǎng)絡(luò)信息的安全隱患問題。據(jù)統(tǒng)計，目前全世界幾乎每20秒鐘就有一起黑客入侵事件發(fā)生?，F(xiàn)在，網(wǎng)絡(luò)信息安全技術(shù)不但關(guān)系到個人通信的隱私問題，關(guān)系到一個企業(yè)的商業(yè)機密和生存問題(僅美國每年由于信息安全問題所造成的經(jīng)濟損失就超過100億美元)，因而也關(guān)系到一個國家的安全問題。因此，網(wǎng)絡(luò)信息安全技術(shù)正日益受到全社會的普遍關(guān)注。由于圖像信息形象生動，因而被人類廣為利用，成為人類表達信息的最重要手段之一?，F(xiàn)在，圖像數(shù)據(jù)的擁有者可以在Internet上發(fā)布和拍賣他所擁有的圖像數(shù)據(jù)，這種方式不但方便快捷，不受地域限制，而且可以為數(shù)據(jù)擁有者節(jié)約大量的費用。但同時這也為不法分子利用網(wǎng)絡(luò)獲取未授權(quán)數(shù)據(jù)提供了渠道。圖像發(fā)行者為了保護自身利益，就需要可靠的圖像數(shù)據(jù)加密技術(shù)。而且，在某些情況下，對于某些圖像數(shù)據(jù)必須要采用可靠的加密技術(shù)，例如，醫(yī)院里病人的病例數(shù)據(jù)(包括病人的照片)，按照法律規(guī)定就必須在加密之后才能在網(wǎng)上傳輸，這方面的應(yīng)用在遠程醫(yī)療系統(tǒng)中是比較常見的。針對圖像/視頻實時安全傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)研究，近來得到了許多科技工作者的關(guān)注。我們知道，相對于文本，數(shù)字圖像/視頻有著巨大的數(shù)據(jù)量，這決定了對圖像和視頻進行實時網(wǎng)絡(luò)安全傳輸不僅要求有一定的網(wǎng)絡(luò)帶寬，也對壓縮和解壓，加密和解密及傳輸?shù)鹊倪\算量提出了適度要求。特別是針對日益增加的各種無線通信設(shè)備及嵌入式系統(tǒng)，設(shè)計應(yīng)用時，運算量是個必須考慮的因素。通過創(chuàng)新提出更高性能的算法或通過改進現(xiàn)有算法的性能都有助于解決上述問題。
1.小波圖像變換方法小波分析是傅里葉分析與調(diào)和分析發(fā)展史上的一個里程碑。小波變換解決了很多傅里葉變換不能解決的困難問題。小波變換用于圖像編碼的基本思想就是把圖像進行多分辨率分解，分解成不同空間、不同頻率的子圖像(子圖像有四個水平、垂直、對角線和低頻(平滑版本)，低頻(平滑版本)集中了圖像大部分能量(信息)，低頻(平滑版本)部分還可以繼續(xù)分解)，然后再對子圖像進行系數(shù)編碼。詳見文獻《實用小波分析》(秦前清等，西安電子科技大學(xué)出版社，1993.)及文獻《視頻編碼與低速率傳輸》(沈蘭蓀等，北京電子工業(yè)出版社，2001).
2.嵌入式零樹小波量化編碼方法嵌入式零樹小波編碼算法是目前效率較高的小波系數(shù)處理算法。零樹編碼的基本思想是，對小波變換系數(shù)的編碼分解為兩部分一是對用來表明系數(shù)特性的系數(shù)重要性圖進行編碼；二是對重要系數(shù)的幅度進行編碼。利用不同尺度的小波系數(shù)間存在較強的相關(guān)性，將多數(shù)的零系數(shù)組織成一種樹型結(jié)構(gòu)，從而提高了總體編碼效率。具體算法請見文獻(Shapiro JM.，EmbeddedImage Coding Using Zerotree of Wavelet Coefficients.IEEETrans on Signal Processing，1993，41(12)3445~3462.)。
3.Huffman熵編碼方法Huffman編碼是一種建立在圖像統(tǒng)計特性基礎(chǔ)上的無損壓縮編碼方法。該編碼方法采用一種可變長編碼方式，是二叉樹的一種特殊轉(zhuǎn)化形式。編碼的基本原理是將使用次數(shù)多的代碼轉(zhuǎn)換成長度較短的代碼，而使用次數(shù)少的可以使用較長的編碼，并且保持編碼的唯一可解性。Huffman算法的最根本的原則是權(quán)值(字符的出現(xiàn)概率*字符的編碼長度)的和最小。具體算法請見文獻《實用數(shù)字圖像處理》(劉榴娣等，北京北京理工大學(xué)出版社，2001)。
4.三重DES加密算法DES加密算法是1977年由美國國家標準局頒布的數(shù)據(jù)加密標準。其作為ANSI的數(shù)據(jù)加密算法和ISO的DEA-1，成為一個世界范圍內(nèi)的標準已經(jīng)20多年了。隨著時代的發(fā)展，DES加密算法的56bit密鑰長度已經(jīng)難以抵抗窮舉式攻擊等?，F(xiàn)在許多基于Internet的應(yīng)用采用了三個密鑰的三重DES加密算法，其中包括PGP和S/MIME等。三個密鑰的三重DES加密算法具有168bit的密鑰長度。具體算法請見文獻《應(yīng)用密碼學(xué)協(xié)議、算法與C源程序》([美]BruceSchneier，北京機械工業(yè)出版社，2002)。
針對上述需求，本發(fā)明的目的在于提出一種在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中能有效減少圖像加密和解密運算量的圖像壓縮和加密融合的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對數(shù)字圖像經(jīng)過小波變換后的能量高度集中于平滑版本(低頻子帶)，且該平滑版本對應(yīng)的系數(shù)對重構(gòu)圖像質(zhì)量的影響起決定性作用的特點，提出了不必對整幅圖像，而只須對平滑版本經(jīng)過量化編碼及熵編碼后對應(yīng)的數(shù)碼采取三重DES算法加密和解密處理的方案，從而在安全性能滿足應(yīng)用需求的基礎(chǔ)上，顯著地減少了圖像加密和解密的運算量。另外，該方案可通過改變小波變換級數(shù)等參數(shù)，容易實現(xiàn)對加密運算量的靈活調(diào)節(jié)，或者針對不同的應(yīng)用場合做到自適應(yīng)處理。
本方案把加密算法加在熵編碼之后而不加在小波變換或量化之后，具有兩個優(yōu)點A.不會影響壓縮編碼效果，保證了小波圖像壓縮和解壓的性能與質(zhì)量；B.經(jīng)過熵編碼后再加密，從某種角度上說提高了整個方案的加密強度，因為編碼本身可以理解為一定程度的加密。
本方案的實現(xiàn)流程是模塊化的。這對于不同的圖像安全傳輸應(yīng)用或同一應(yīng)用的不同場合，小波變換算法、量化編碼算法、熵編碼算法及加密算法可方便靈活地替換與組合，甚至于達到自適應(yīng)處理。這進一步提高了方案的實用性。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步說明。
圖1是原始圖像(256×256×8的Lena圖，此圖像為圖像處理和圖像加密的國際標準用例之一)。
圖2是本發(fā)明對原始圖像進行1級小波分解得到的小波圖像。
圖3是本發(fā)明對原始圖像進行2級小波分解得到的小波圖像。
圖4是本發(fā)明方法的實現(xiàn)流程圖。
圖5為對實際圖像(圖1)經(jīng)小波變換后，平滑版本經(jīng)過加密后不作解密的重構(gòu)圖像[已達到充分加密(置亂)的效果]。
圖6是對實際圖像(圖1)經(jīng)小波變換后，平滑版本經(jīng)過加密后也作解密的重構(gòu)圖像。
具體實施例方式
圖1，2，3給出了對實際圖像進行小波分解的實例。揭示了數(shù)字圖像經(jīng)過小波變換后能量高度集中于平滑版本(低頻部分或稱亮度子圖像)的特性。另外，由于文章排版需要，圖1，2，3，5，6為采用WINDOWS畫圖工具對其長寬各縮小一倍的結(jié)果圖，均帶來了少量失真，但均不礙說明問題。
下面結(jié)合圖4對本發(fā)明方法的具體實現(xiàn)步驟作詳細說明。
步驟1為原始圖像輸入，可輸入各種圖像采集設(shè)備采集來的數(shù)字圖像(如BMP格式圖像)。本發(fā)明方法的實驗圖像為如圖1所示256×256×8的Lena圖，為圖像處理實驗標準用例。
步驟2小波變換算法采用離散緊支雙正交小波變換算法。我們實驗采用的是Daubechies小波變換算法。當(dāng)然，在具體應(yīng)用時可采用JPEG2000標準算法。
步驟3量化算法我們實驗采用嵌入式零樹小波量化編碼算法。
步驟4熵編碼算法我們采用相對簡單的Huffman編碼算法(當(dāng)然也可采用更好的編碼算法，如算術(shù)編碼算法等)。
步驟5對平滑版本經(jīng)量化及熵編碼后對應(yīng)的數(shù)碼塊加密，實現(xiàn)過程如下(1)小波圖像變換級數(shù)置初值(不妨設(shè)為TN，TN＝3)；(2)依原始圖像的長寬屬性及小波圖像變換級數(shù)TN，確定平滑版本 經(jīng)過量化編碼及熵編碼后對應(yīng)的數(shù)碼的起點和終點，由起點和終點決定的部份數(shù)碼為待加密數(shù)碼塊；(3)對(2)確定的待加密數(shù)碼塊采用三重DES算法進行加密，并計算加密運算所需時間(不妨設(shè)為ST)；
(4)若加密運算所需時間ST不大于具體應(yīng)用要求，則轉(zhuǎn)至(7)；否則，若加密運算所需時間ST大于具體應(yīng)用要求，則轉(zhuǎn)至(5)；(5)若TN不大于小波圖像變換級數(shù)可能的上限，則TN＝TN+1，轉(zhuǎn)至(2)；若TN大于小波圖像變換級數(shù)可能的上限，轉(zhuǎn)至(6)；(6)出系統(tǒng)報告當(dāng)前環(huán)境無法滿足”加密運算時間量”要求；(7)把上述參數(shù)TN，ST等打包進通信傳輸包中，轉(zhuǎn)下述步驟6。
步驟6為經(jīng)壓縮和加密處理的圖像比特流輸出。輸出的圖像比特流經(jīng)過步驟7的網(wǎng)絡(luò)傳輸。然后對步驟8輸入的圖像比特流作步驟9，10，11，12，13的相對于步驟5，4，3，2，1的逆過程處理(步驟10，11，12的說明見步驟4，3，2的說明)。
步驟9對加密數(shù)碼塊解密，實現(xiàn)過程如下(1)從通信傳輸包中得到小波圖像變換級數(shù)TN；(2)通信組包后，依圖像的長寬屬性及小波圖像變換級數(shù)TN，確定平滑版本經(jīng)過量化編碼，熵編碼及加密后對應(yīng)的數(shù)碼的起點和終點，由起點和終點決定的部份數(shù)碼為待解密數(shù)碼塊；(3)對(2)確定的待解密數(shù)碼塊采用三重DES算法進行解密，并計算解密運算所需時間(不妨設(shè)為ET)；(4)若解密運算所需時間ET不大于具體應(yīng)用要求，則轉(zhuǎn)至(6)；否則，若解密運算所需時間ET大于具體應(yīng)用要求，則轉(zhuǎn)至(5)；(5)出系統(tǒng)報告當(dāng)前環(huán)境無法滿足“解密運算時間量”要求；(6)轉(zhuǎn)步驟10。
依上述實現(xiàn)步驟，我們在Visual C++6.0編程平臺上進行編程實驗。圖5為對標準圖像(圖1)，采用Daubechies緊支雙正交小波濾波器，2級小波分解，濾波器長度為12，平滑版本經(jīng)過加密后不作解密的恢復(fù)圖像(達到加密效果)，此時圖面呈黑色，看不到圖像。圖6是作解密的恢復(fù)圖像。由于文章排版需要，這兩幅圖像為采用WINDOWS畫圖工具對其長寬各縮小一倍的結(jié)果圖，帶來了一些失真，但均不礙說明問題。
表1為上述原始圖像(圖1)經(jīng)1級和2級小波分解，再經(jīng)過量化編碼及熵編碼(Huffman編碼)后其平滑版本對應(yīng)的數(shù)碼量(即需加密的數(shù)碼量)與整幅圖像數(shù)碼量的對照表。從表中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)Huffman編碼后，平滑版本的數(shù)碼量沒有減少，反而有所增加。然而，整幅圖像的數(shù)碼量有所壓縮。這從面上考慮是因為平滑版本能量高度集中，已很難再被壓縮。其實，這正符合Huffman編碼理論。從表中還可發(fā)現(xiàn)，相對于對整幅圖像加密，采用本發(fā)明方法在達到加密效果的基礎(chǔ)上較大地減少了加密和解密數(shù)碼量。

表1數(shù)碼量對照表上述具體實驗表明(1)僅對平滑版本經(jīng)過量化編碼及熵編碼后對應(yīng)的數(shù)碼采取三重DES加密的方案達到了加密效果，其加密強度由三重DES算法作保證，且由于是在壓縮編碼后加密，其加密強度在三重DES算法基礎(chǔ)上有所加強(2)由于是在壓縮編碼后加密，不影響圖像的壓縮編碼性能(3)僅對平滑版本經(jīng)過量化編碼及熵編碼后對應(yīng)的數(shù)碼進行加密，在達到加密效果的基礎(chǔ)上，需加密和解密的數(shù)碼量有較為顯著地減少，從而也較大地減少了加密和解密運算量。
權(quán)利要求
1.一種有效的圖像壓縮和加密融合的方法，包括如下步驟步驟1輸入原始圖像，可輸入圖像采集設(shè)備，采集的數(shù)字圖像；步驟2小波變換算法；步驟3量化算法；步驟4熵編碼算法；步驟5對平滑版本經(jīng)量化及熵編碼后對應(yīng)的數(shù)碼塊加密；步驟6經(jīng)壓縮和加密處理的圖像比特流輸出；步驟7網(wǎng)絡(luò)傳輸；步驟8圖像比特流輸入；步驟9對加密數(shù)碼塊解密；步驟10反熵編碼；步驟11反量化；步驟12小波逆變換；步驟13恢復(fù)圖像輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，輸入的圖像可以為256*256*8的Lena圖。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，小波變換算法采用離散緊支雙正交小波變換算法，應(yīng)用時可采用JPEG2000標準算法。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，量化算法采用嵌入式零樹小波編碼算法。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，熵編碼算法采用Huffman編碼算法或算術(shù)編碼算法。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，步驟5對平滑版本經(jīng)量化及熵編碼后對應(yīng)的數(shù)碼塊加密，實現(xiàn)過程如下(1)小波圖像變換級數(shù)置初值；(2)依原始圖像的長寬屬性及小波圖像變換級數(shù)初值，確定平滑版本經(jīng)過量化編碼及熵編碼后對應(yīng)的數(shù)碼的起點和終點，由起點和終點決定的部份數(shù)碼為待加密數(shù)碼塊；(3)對(2)確定的待加密數(shù)碼塊采用三重DES算法進行加密，并計算加密運算所需時間；(4)若加密運算所需時間不大于具體應(yīng)用要求，則轉(zhuǎn)至(7)，否則，若加密運算所需時間大于具體應(yīng)用要求，則轉(zhuǎn)至(5)；(5)若初值不大于小波圖像變換級數(shù)可能的上限，轉(zhuǎn)至(2)，若初值大于小波圖像變換級數(shù)可能的上限，轉(zhuǎn)至(6)；(6)出系統(tǒng)報告當(dāng)前環(huán)境無法滿足“加密運算時間量”要求；(7)把上述參數(shù)初值，加密運算所需時間打包進通信傳輸包中。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，步驟9對加密數(shù)碼塊解密，實現(xiàn)過程如下(1)從通信傳輸包中得到小波圖像變換級數(shù)初值；(2)通信組包后，依圖像的長寬屬性及小波圖像變換級數(shù)初值，確定平滑版本經(jīng)過量化編碼，熵編碼及加密后對應(yīng)的數(shù)碼的起點和終點，由起點和終點決定的部份數(shù)碼為待解密數(shù)碼塊；(3)對(2)確定的待解密數(shù)碼塊采用三重DES算法進行解密，并計算解密運算所需時間；(4)若解密運算所需時間不大于具體應(yīng)用要求，則轉(zhuǎn)至(6)，否則，若解密運算所需時間大于具體應(yīng)用要求，則轉(zhuǎn)至(5)；(5)出系統(tǒng)報告當(dāng)前環(huán)境無法滿足“解密運算時間量”要求；
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，把加密算法加在熵編碼之后，而不是加在小波變換或量化之后。
全文摘要
本發(fā)明涉及網(wǎng)絡(luò)圖像通信，特別是能減少圖像加密和解密運算量的圖像壓縮和加密融合的方法。該方法不必對整幅圖像，而只對平滑版本經(jīng)過量化編碼和熵編碼后對應(yīng)的數(shù)碼采用三重DES算法作加密和解密處理。主要步驟小波變換，熵編碼，量化及熵編碼后的數(shù)碼塊加密，對加密數(shù)碼塊解密，反熵編碼，反量化，小波逆變換。在不影響圖像壓縮效果的情況下，達到強度較高的加密效果，顯著減少加密、解密運算量。
文檔編號G06F17/14GK1536532SQ0311010
公開日2004年10月13日 申請日期2003年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月10日
發(fā)明者鐘尚平, 高慶獅 申請人:中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所