本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)信息技術(shù)領(lǐng)域，具體地涉及圖像壓縮領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

圖像壓縮分為無損壓縮和有損壓縮，各自有不同的應(yīng)用領(lǐng)域，因?yàn)闊o損壓縮能夠更好的保存原始圖像信息，無損壓縮或者近無損壓縮在一些場(chǎng)合下，比有損壓縮更具運(yùn)用意義，同時(shí)，為了提高圖像在傳輸過程中的安全性，需要對(duì)圖像進(jìn)行加密處理。同時(shí)加密處理還能避免圖像在傳輸過程中造成的數(shù)據(jù)丟失或者改變，所以，現(xiàn)在圖像無損壓縮或近無損壓縮與加密技術(shù)結(jié)合逐漸成為一個(gè)新研究方向。

現(xiàn)今圖像的無損壓縮有很大的缺點(diǎn)，一是不能得到較高的壓縮比，造成了高精密圖像傳輸?shù)膲毫Γ欢?，圖像在傳輸和交換過程中，圖像信息容易丟失或者被改變，重建圖像誤差大，失去了無損壓縮的初衷，所以保持良好的圖像重建質(zhì)量和傳輸過程中的安全性并實(shí)現(xiàn)圖像高壓縮比，是現(xiàn)在研究的方向。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述不足之處，本發(fā)明要解決的問題是提出一種無損壓縮加密算法，對(duì)JPEG-LS壓縮比控制的圖像近無損壓縮加密算法。

本發(fā)明的目的是：防止圖像信息在解壓或壓縮過程中由于外部干擾等信息造成圖像數(shù)據(jù)的損失。

本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的所采取的技術(shù)方案是一種基于可控參數(shù)壓縮加密算法的圖像無損壓縮方法，該方法的實(shí)現(xiàn)過程如下：首先，將圖像I(x，y)進(jìn)行一維小波變換分解為高頻子帶和低頻子帶，對(duì)兩個(gè)子帶進(jìn)行邊緣自適應(yīng)處理，圖像經(jīng)過處理后合成圖像I`(x，y)。按JPEG-Ls算法對(duì)圖像的第一行進(jìn)行編碼，在對(duì)上一圖像塊壓縮過程中，收集當(dāng)前圖像塊的壓縮比，調(diào)整失真參數(shù)，從而對(duì)下一圖像子塊進(jìn)行調(diào)整，使壓縮收斂到既定的壓縮比，實(shí)現(xiàn)以壓縮比控制壓縮過程。對(duì)碼流采生成隨機(jī)序列，然后處理隨機(jī)序列生成隨機(jī)秘鑰流，以此秘鑰流對(duì)圖像子塊壓縮碼流進(jìn)行加密，循環(huán)往復(fù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)圖像的加密壓縮。

本發(fā)明的有益效果是：本方法實(shí)現(xiàn)的圖像的壓縮比控制，提高了高壓縮率，并且保證了圖像在傳播過程中的安全性，能夠抵御熵、差分等造成的誤差，而且 由于加密過程不是獨(dú)立的，與編碼一并完成，并不影響壓縮效率。相對(duì)于現(xiàn)在的無損壓縮方法，該方法能夠得到更高的安全性，保證了重建圖像的質(zhì)量，并且節(jié)省存儲(chǔ)空間和不影響壓縮效率。

附圖說明

圖1：本發(fā)明的詳細(xì)流程圖

圖2：傳統(tǒng)的JPEG-LS算法壓縮過程圖

圖3：一維小波變換分解合成示意圖

圖4：JPEG-LS融合一維小波變換示意圖

圖5：壓縮比控制模塊植入后流程圖

圖6：加密編譯模式流程圖

具體實(shí)施方式

本發(fā)明將圖像先經(jīng)過一維小波變換分解為高低頻圖像子帶，然后對(duì)各子帶進(jìn)行邊緣自適應(yīng)預(yù)測(cè)處理得到連續(xù)性更好的模擬圖像，此模擬圖像按JPEG-Ls算法對(duì)圖像的第一行進(jìn)行編碼，然后通過壓縮比控制，在對(duì)上一圖像塊壓縮過程中，收集當(dāng)前圖像塊的壓縮比，用此精細(xì)的調(diào)整失真參數(shù)，從而對(duì)下一圖像子塊進(jìn)行調(diào)整，使壓縮收斂到既定的壓縮比，實(shí)現(xiàn)以壓縮比控制壓縮過程。對(duì)碼流采生隨機(jī)序列，然后處理隨機(jī)序列生成隨機(jī)秘鑰流，以此秘鑰流對(duì)圖像子塊壓縮碼流進(jìn)行加密，循環(huán)往復(fù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)圖像的加密壓縮。

以下，結(jié)合圖1到圖6對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明

一、JPEG-LS算法

JPEG-LS算法壓縮過程，如圖2所示，是針對(duì)連續(xù)色調(diào)圖像的無損/近無損壓縮標(biāo)準(zhǔn)(ISO-14495-1/ITU-T.87)，該標(biāo)準(zhǔn)是基于LOCO-I算法。由預(yù)測(cè)器和編碼器組成，預(yù)測(cè)器由中值邊緣預(yù)測(cè)、殘差計(jì)算和量化器組成，編碼器由游長(zhǎng)編碼和Golomb組成，待編碼像素局部梯度為D₁、D₂、D₃(D₁＝R_d-R_b，D₂＝R_b-R_c，D₃＝R_c-R_a，其中R為點(diǎn)位置的像素估計(jì)值)與失真控制參數(shù)u的關(guān)系決定后續(xù)編碼，若像素局部梯度在失真控制參數(shù)u范圍內(nèi)，則進(jìn)入流程模式，否則進(jìn)入常規(guī)模式。

常規(guī)模式：

1)為減少上下文的數(shù)據(jù)數(shù)量，對(duì)梯度進(jìn)行量化，合并為Q(Q為區(qū)間[0，364]內(nèi)的整數(shù))。

2)計(jì)算殘差e＝sign(I_x-P_x)-β，sign＝{-1,1}。

3)對(duì)殘差進(jìn)行Golomb編碼。

4)更新記錄上下文的4個(gè)統(tǒng)計(jì)參數(shù)A[Q]、B[Q]、C[Q]、N[Q]。

游程模式：

1)游長(zhǎng)掃描。

2)對(duì)游長(zhǎng)長(zhǎng)度進(jìn)行編碼，若非行結(jié)束，則進(jìn)入3)；否則進(jìn)入4)。

3)采用類似于Golomb編碼的終止采樣編碼。

4)更新記錄上下文的4個(gè)統(tǒng)計(jì)參數(shù)A[Q]、B[Q]、C[Q]、N[Q]。

其中：A[Q]為預(yù)測(cè)誤差幅度累計(jì)值、B[Q]為偏差值、C[Q]為預(yù)測(cè)校正值、N[Q]為上下文出現(xiàn)頻次的計(jì)數(shù)值。

二、一維小波變換和邊緣自適應(yīng)處理

結(jié)合圖3一維小波變換過程，圖像信號(hào)首先通過包含低通和高通濾波器的濾波器組分解為低頻子帶和高頻子帶。然后，再經(jīng)過2倍下采樣得到了與原信號(hào)樣本數(shù)相同的小波變換系數(shù)。不同的采樣方法能夠得到兩組不同相位的變換系數(shù)；偶相位位采樣得到的高、低頻子帶可記為D⁰和S⁰，奇相位采樣得到的高、低頻子帶為D¹和S¹，在分解過程中采用的是完全重構(gòu)濾波器組，所以這兩組子帶都可以重構(gòu)出原信號(hào)。

圖像可以認(rèn)為是由許多一維信號(hào)組成的二維信號(hào)，圖像里面的邊緣可以認(rèn)為是帶一維奇異點(diǎn)組成的，奇數(shù)單位平移再經(jīng)過小波變換得到的結(jié)果等價(jià)于原信號(hào)小波變換后奇相位采樣的結(jié)果，而偶數(shù)單位平移再小波變換的結(jié)果等價(jià)于原信號(hào)小波變換后偶相位采樣的結(jié)果。而奇、偶相位的小波系數(shù)存在著相當(dāng)大的差別。因此圖像進(jìn)行一次小波變換后，高頻子帶在邊緣區(qū)域?qū)a(chǎn)生大小系數(shù)交替的現(xiàn)象。

所以在進(jìn)行進(jìn)入編碼模式前，先將圖像I(x，y)使用一維小波提升模式處理每一列樣本，得到偶相位系數(shù)組，即低頻子帶S⁰和高頻子帶D⁰，對(duì)高頻子帶和低頻子帶分別進(jìn)行邊緣自適應(yīng)預(yù)測(cè)處理，然后將高低頻子帶合成圖像，最終獲得二維小波變化相同的低分辨率圖像I`(x，y)和預(yù)測(cè)殘差Δ＝{Δ<sub>1</sub>···Δ<sub>n</sub>}。圖像經(jīng)過邊緣自適應(yīng)預(yù)測(cè)處理后，原圖像上高離散度、內(nèi)部聯(lián)系低的點(diǎn)被預(yù)測(cè)值所代替，圖像內(nèi)部聯(lián)系更加連續(xù)和更加緊密，在后續(xù)處理中減小了殘差，提高編碼效率和壓縮效率；而預(yù)測(cè)殘差Δ進(jìn)入編碼，與I`(x，y)圖像的編碼數(shù)據(jù)合并成圖像整 體的編碼。

三、建立壓縮比控制模塊

上文所述是JPEG-LS無損或近無損圖像壓縮的標(biāo)準(zhǔn)模式，由于失真控制參數(shù)u與圖像重建有如下函數(shù)關(guān)系：

PSNR＝αln(u)+γ，α＜0，u＞0，γ＞0，α，γ為系數(shù) (式1)

失真控制參數(shù)u與圖像壓縮比之間呈正比關(guān)系可以用如下函數(shù)表示：

D＝mu+n (式2)

D為壓縮比，m、n為系數(shù)m、n、u都大于零

以u(píng)作為媒介，將式1和式2結(jié)合起來，可以獲得失真控制參數(shù)的一個(gè)最優(yōu)集合U＝{u₁，u₂，···，u_n}為了實(shí)現(xiàn)對(duì)壓縮比的控制與調(diào)整，建立如下控制函數(shù)：

n_i+1＝d_i+st_j；i∈{1,2,···,N}，j∈{0,1,2} (式3)

其中：st_j為3種不同的步長(zhǎng)；將式3細(xì)化為：

其中：t₀，t₁，t₂為設(shè)置的門限；st₀，st₁，st₂為步長(zhǎng)；Bl為當(dāng)前圖像子塊的大小，Bl₁，Bl₂為兩種不同情況下圖像子塊的大小值，R_0為目標(biāo)壓縮比，R_c 為當(dāng)前壓縮比的值abs為絕對(duì)值運(yùn)算；d_i為失真控制參數(shù)的下標(biāo)值。

此時(shí)，編碼過程為：

1)按JPEG-Ls算法對(duì)圖像I`(x，y)的一行進(jìn)行編碼。

2)計(jì)算目標(biāo)壓縮比與當(dāng)前壓縮比的測(cè)度的絕對(duì)值abs(R_0—R_c)。若abs(R_0一R_c)>t2，

則進(jìn)入步驟3)；否則進(jìn)入步驟4)。

3)編碼塊Bl1，更新當(dāng)前壓縮比R_c。

4)編碼塊Bl2，更新當(dāng)前壓縮比R_c。

5)按式(4)更新下一個(gè)下標(biāo)值d_i+1，據(jù)此下標(biāo)值查找表中的u，用于下一塊編碼，返回步

驟2)

此壓縮比控制方案是根據(jù)目標(biāo)壓縮比與當(dāng)前壓縮比的測(cè)度與門限之間的關(guān)系，采用分段函數(shù)的形式來調(diào)整失真控制參數(shù)u的下標(biāo)值，進(jìn)而調(diào)整了u值。相比原壓縮比控制方案對(duì)失真控制參數(shù)u調(diào)整得更為精細(xì)，更好地利用預(yù)測(cè)誤差來判斷紋理的復(fù)雜度，使得在最終實(shí)時(shí)壓縮比收斂于目標(biāo)壓縮比的情況下，重建圖像質(zhì)量更好。

四、加密模式

為了不丟失數(shù)據(jù)，不改變壓縮性能，本方法在建模階段不進(jìn)行加密；因?yàn)樵诮ｋA段加密會(huì)破壞幾何殘差的分布。同樣，預(yù)測(cè)殘差也不用進(jìn)行加密處理。所以本方法只在編碼階段進(jìn)行加密。為了不增加計(jì)算的復(fù)雜度和提高安全性能，采用三維混沌系統(tǒng)生成三組隨機(jī)二進(jìn)制序列，基于這三組序列的鏈接以減少迭代的輪次，式5是創(chuàng)建的三維混沌系統(tǒng)數(shù)學(xué)表達(dá)式：

其中：x，y，z為三組隨機(jī)二進(jìn)制序列對(duì)象的參量，p、s、q為系數(shù)。當(dāng)p＝10，s＝8/3，q＞24.74時(shí)，該系統(tǒng)處于混沌狀態(tài)，令步長(zhǎng)st(st₀，st₁，st₂)＝h，f₁(x_n，y_n)為與之對(duì)應(yīng)的微分方程式，x_n，y_n為自變參量，選擇下列迭代方法計(jì)算x，y，z，的普 通表達(dá)式：

y_n+1＝y(tǒng)_n+hf₁(x_n，y_n) 式6

n∈{1,2,···,N}，N為迭代次數(shù)，N∈N+

按照上式進(jìn)行迭代處理，則可以生成三組十進(jìn)制的數(shù)列：{x₁，x₂，···，x_r}，{y₁，y₂，···，y_r}，{z₁，z₂，···，z_r}，r∈N+，為了增強(qiáng)初始值的進(jìn)程的復(fù)雜度，對(duì)上述三列十進(jìn)制序列進(jìn)行一下處理：

x_r＝10^mlx_r-round(10^mlx_r) 式7

經(jīng)過處理，xyz三個(gè)序列從十進(jìn)制轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制序列，將xyz連接起來，就產(chǎn)生了編碼秘鑰(key)。秘鑰的值式隨著迭代次數(shù)N、xyz、q、m的初始值變化而變化的。

用生成的秘鑰key與壓縮比控制的編碼碼流D＝(d₁、d₂、···、d_n)進(jìn)行加密計(jì)算：

D₁＝g₁(D，key) 式8

其中g(shù)1(·)為一個(gè)可逆的自定義加密函數(shù)；D₁(d`<sub>1</sub>、d`₂、···、d`_n)為長(zhǎng)度為n的密文解密時(shí)，使用的秘鑰與編碼使用的秘鑰如果不同，則無法正確取得圖像信息。

五、圖像的重建

圖像的重建為壓縮的逆過程，首先對(duì)壓縮數(shù)據(jù)進(jìn)行解密，設(shè)解碼時(shí)使用的秘鑰為key₁，

D`1＝(d``1、d``2、···、d``n)為解碼流，進(jìn)行下列計(jì)算：

式9

其中(·)為式8的逆運(yùn)算，若key＝key1，則D＝D`<sub>1</sub>，解密正確，輸出解密后的碼流，輸出的碼流是I`(x，y)圖像，并與預(yù)測(cè)殘差Δ＝{Δ₁···Δn}一起邊緣自適應(yīng)預(yù)測(cè)的逆運(yùn)算，還原到高低頻的圖像子帶，在合成完整的圖像。

根據(jù)上述說明，本發(fā)明提出的一種基于可控參數(shù)壓縮加密算法的圖像無損壓縮方法，其實(shí)施步驟如下：

步驟1：圖像I(x，y)進(jìn)行一維小波變換，分解為高頻子帶D和低頻子帶S；

步驟2：分別對(duì)高低頻子帶進(jìn)行邊緣自適應(yīng)預(yù)測(cè)處理，處理后的圖像分為四部分：高頻子帶D⁰、低頻子帶S⁰、高頻預(yù)測(cè)殘差、低頻預(yù)測(cè)殘差；

步驟3：將殘差預(yù)測(cè)殘差集合Δ＝{Δ1，···，Δn}，對(duì)殘差進(jìn)行Golomb編碼，將處理后的高低頻圖像合成為圖像I`(x，y)；

步驟4：建立失真控制參數(shù)的一個(gè)最優(yōu)集合U＝{u₁，u₂，···，u_n}建立如下控制函數(shù)；

步驟5：按照以下流程進(jìn)行編碼：

步驟5.1：按JPEG-Ls算法對(duì)圖像I`(x，y)的一行進(jìn)行編碼；

步驟5.2：計(jì)算目標(biāo)壓縮比與當(dāng)前壓縮比的測(cè)度的絕對(duì)值abs(R_0—R_c)。若abs(R_0一R_c)>t2，

則進(jìn)入步驟3)；否則進(jìn)入步驟4)；

步驟5.3：編碼塊Bl1，更新當(dāng)前壓縮比R_c；

步驟5.4：編碼塊Bl2，更新當(dāng)前壓縮比R_c；

步驟5.5：按式(4)更新下一個(gè)下標(biāo)值d_i+1，據(jù)此下標(biāo)值查找表中的u，用于下一塊編碼，返回步驟5.2

步驟6：采用三維混沌系統(tǒng)對(duì)編碼碼流進(jìn)行加密處理，輸出密文和秘鑰并與步驟二的預(yù)測(cè)殘差的編碼碼流，得到完整的圖像壓縮數(shù)據(jù)；

步驟7：解碼，解碼過程為壓縮過程的逆運(yùn)算。

上述結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作了詳細(xì)描述，應(yīng)該理解上述只是示例性的，因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)由所附的權(quán)利要求書的內(nèi)容確定。