CN103002281B - 基于小波变换和sha-1的图像压缩加密方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于小波变换和SHA-1的图像压缩加密方法，在图像压缩过程中进行加密。该算法首先对图像进行4层小波分解，将分解后的系数分成低频和高频两部分；将低频系数、初始密钥及原图像像素和，通过SHA-1产生160位散列值，由散列值生成子密钥置乱高频系数，对置乱后高频系数进行SPIHT编码，然后由散列值扰动初始密钥对编码后数据流进行部分加密；将加密后部分高频系数和初始密钥作为SHA-1的输入消息，由散列值生成子密钥置乱低频系数，对置乱后低频系数进行Huffman编码，然后由散列值扰动初始密钥对编码后数据流进行加密，实现低频系数加密。在充分利用SHA-1散列算法对输入信息敏感的同时，使低频部分与高频部分相互加密，从而保证了图像信息的安全性。

Description

基于小波变换和SHA-1的图像压缩加密方法

技术领域

本发明属于图像压缩加密方法，具体涉及一种基于小波变换和SHA-1的图像压缩加密方法，是针对图像分层数集划分编码安全性问题的一种压缩加密算法，适用于压缩比较高场合。

背景技术

随着多媒体内容更加丰富以及在公共网络中安全传输的需求不断增加，数字图像压缩和加密技术日益受到人们的关注。在图像压缩领域，人们突破传统信源编码理论，充利用人的视觉、图像信源等特性，不断提高图像压缩性能。然而，这些算法在取得较好压缩效果的同时，却忽略考虑图像信息安全。而在图像加密领域，混沌系统因其具有对初值敏感、可完全重现及类随机等特性，特别适合图像通信和图像加密。近几年，基于混沌序列的图像加密算法不断提出，但这些算法大部分集中在对图像像素进行置乱和扩散，没有压缩能力。

针对这一问题，图像压缩和加密相结合的方法得到了越来越多的关注。现有算法中，将基于小波变换的压缩算法与加密算法相结合，在保障图像加密安全性的同时减少了加密数据量，但这种方法对明文图像不敏感。采用SHA-1可增加算法对明文的敏感性，基于DCT的图像压缩加密算法具有较好的掩密效果，但由于该方法采用基于块DCT变换，在压缩比较高情况下会出现明显方块效应。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于小波变换和SHA-1的图像压缩加密方法，针对现有压缩加密方法在较高压缩比下出现的不足，提高图像压缩加密质量。

技术方案

一种基于小波变换和SHA-1的图像压缩加密方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：设初始密钥Key为[x_0H、p_0H、x_0L、p_0L、c₀]，然后计算图像像素值和，其模256结果记为a；同时对原图像进行4层提升小波变换，得到低频子带LL₄，其系数按列扫描转化为序列L，L和a构成序列W，其余的小波系数按水平、垂直和对角三个方向分为HL、LH和HH三个部分，每个部分保持原有级间相似性；其中：下标H表示高频，L表示低频；

步骤2：将序列W和初始密钥Key作为SHA-1的输入消息，生成子密钥x′_0H、p′_0H和c′_0H；以为初始值对高频部分进行置乱，然后计算HL、LH、HH三个部分能量E₁、E₂和E₃；根据压缩比确定的总的码字N，按照i＝1,2,3为三个方向分配码字N₁、N₂和N₃；根据分配的码字，对三个方向分别进行SPIHT编码，将编码后的数据流记为序列HL′、LH′和HH′；其中：E为高频部分总能量，N₀为子频带LL₄安全编码所需码字；

步骤3：以序列HL′、LH′、HH′构成临时序列R₁，以x′_0H和p′_0H为Tent映射初始值和控制参数，c′_0H为初始密文块，对临时序列R₁进行加密，得到密文序列R′₁；再重新分配R′₁到序列HL′、LH′和HH′中，连接HL′、LH′和HH′三个序列构成高频系数的密文序列R″；

步骤4：将密文序列R′₁及密钥Key作为SHA-1函数输入信息，由Logistic映射公式生成子密钥x′_0L、p′_0L和c′_0L；令μ＝4，以为初始值迭代Logistic模型构造置乱表T_LL，以置乱表T_LL对序列W进行置乱；对置乱后的序列进行Huffman编码，得到序列W′；

步骤5：以x′_0L、p′_0L为Tent映射初值和控制参数，c′_0L为初始密文块，用Tent映射对W′进行混淆扩散加密，得到加密序列W″，得到由序列W″及R″组成密文图像，完成压缩加密。

所述步骤3中以序列HL′、LH′、HH′构成临时序列R₁时，选择提取序列HL′、LH′、HH′中的部分数据构成临时序列R₁。

解密过程是加密算法的逆运算：首先，分别提取序列HL″、LH″、HH″和密钥作为SHA-1输入信息，生成子密钥x′_0L、p′_0L、c′_0L，解密低频部分；然后将低频部分及密钥作为SHA-1输入信息，生成子密钥x′_0H、p′_0H、c′_0H，解密高频部分；重新排列小波系数后进行逆小波变换得到重构图像。

当步骤3选择提取序列HL′、LH′、HH′中的部分数据构成临时序列R₁时，解密过程是加密算法的逆运算：首先，分别提取序列HL″、LH″、HH″的部分数据和密钥作为SHA-1输入信息，生成子密钥x′_0L、p′_0L、c′_0L，解密低频部分；然后将低频部分及密钥作为SHA-1输入信息，生成子密钥x′_0H、p′_0H、c′_0H，解密高频部分；重新排列小波系数后进行逆小波变换得到重构图像。

有益效果

本发明提出的一种基于小波变换和SHA-1的图像压缩加密方法，在图像压缩过程中进行加密。该算法首先对图像进行4层小波分解，将分解后的系数分成低频和高频两部分；将低频系数、初始密钥及原图像像素和，通过SHA-1产生160位散列值，由散列值生成子密钥置乱高频系数，对置乱后高频系数进行SPIHT编码，然后由散列值扰动初始密钥对编码后数据流进行部分加密；将加密后部分高频系数和初始密钥作为SHA-1的输入消息，由散列值生成子密钥置乱低频系数，对置乱后低频系数进行Huffman编码，然后由散列值扰动初始密钥对编码后数据流进行加密，实现低频系数加密。在充分利用SHA-1散列算法对输入信息敏感的同时，使低频部分与高频部分相互加密，从而保证了图像信息的安全性。

本发明的图像压缩加密方法具有如下有益效果：小波变换对图像变换是全局的，不会出现方块效应，同时经过小波变换后的图像采用SPIHT编码可以实现分层传输，可满足不同用户不同网络条件的需求。密钥空间大，对密钥和明文敏感，基本上不影响图像压缩性能，能有效抵抗穷举攻击、已知明文攻击和差分攻击，同时有效提高图像存储和传输效率。

附图说明

图1为DSCE加密方法流程图

图2为低频系数加密高频系数流程图

图3为加密后高频系数加密低频系数流程图

图4为DSCE方法步骤细节框图

图5为Barb图像DSCE加密结果（a为原图像；b为加密后重建图像）

图6为Barb图像解密的局部放大图（压缩比CR=10，a为DSCE算法压缩加密解密结果，b为Yuen算法压缩加密解密结果）

图7为DSCE方法和Yuen方法的压缩性能比较

图8为Barb加解密实验结果（a为原图像，b为正确解密图像，c为x_0H=0.405000869748945解密图像，d为p_0H=0.630979255024042解密图像）

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

各部分实施细节及理论依据如下：

1混沌理论

混沌现象是在确定性非线性动力系统中出现的确定性、类随机过程，由于它具有遍历性、非周期性以及对初值敏感等特性，非常适合密码系统。近几年，混沌理论已在数据安全保密方面得到了广泛应用。

常用数值混沌系统包括Logistic映射和Tent映射。

1）Logistic映射

x_n+1＝μx_n(1-x_n)           （1）

式中0≤μ≤4,x_n∈(0,1),研究结果表明当3.5699456…＜μ≤4时，Logistic映射呈现混沌状。当μ＝4时，该映射是满射，产生的混沌序列在区间(0,1)上具有遍历性。

2）Tent映射

$x_{n+1}=f\left(x_n\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{x_n}{p}& \mathrm{if}0<x_n<p\\ \frac{1-x_n}{1-p}& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，p∈(0,1),x_n∈[0,1]。当p∈(025，0.49]或p∈[0.51，0.75)时，该映射具有较好的随机性。

2SHA-1生成子密钥

SHA-1是目前使用最为广泛的一种HASH散列函数，它可以对长度不超过264比特的消息进行计算，产生160位散列值。SHA-1算法对输入信息较敏感性、运算效率较高。

DSCE算法采用SHA-1生成子密钥，增加算法对明文和密钥的敏感性，具体过程如下：

1）选择部分已知信息和初始密钥作为SHA-1输入消息，将输出的160位散列值分为5组，记d₁、d₂、d₃、d₄、d₅。

2）由公式（3）生成子密钥，作为Logistic映射初始值。

$x_0^g=\mathrm{mod}(\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\&Sigma;}}}{d}_i/2^{32},1)---\left(3\right)$

式中mod(·,·)表示模运算。

3）给定初始密钥x₀、p₀、c₀，根据公式（4）扰动初始密钥生成子密钥x′₀、p′₀、c′₀，分别作为Tent映射初始值、控制参数以及初始密文块。

$\left\{\begin{array}{c}{x}_0^{\&prime;}=\mathrm{mod}(x_0+(d_1\&CirclePlus;d_2)/2^{32},1)\\ p_0^{\&prime;}=\mathrm{mod}(p_0+(d_3\&CirclePlus;d_4)/2^{32},1)\\ c_0^{\&prime;}=c_0\text{\&CirclePlus;}{d}_5\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中表示异或运算。

3小波系数置乱

在不同加密阶段，DSCE算法对小波分解后的高频系数和低频系数分别进行置乱。对于低频系数，直接采用Logistic映射构造置乱表进行置乱；对于高频系数，为了保证SPIHT编码性能，对同一方向不同分解层小波系数采用同一置乱矩阵进行置乱，确保不破坏小波多尺度分解树形结构。

具体过程如下：

1)对N×N（N＝2ⁿ）图像进行l级小波变换，变换后子频带LL_l的大小为M×M，其中M＝2^n-l。

2)令μ＝4，以为初始值(下标H表示高频)，通过迭代Logistic模型产生混沌序列值，取迭代1000次后p个迭代值从X^g序列中取（t＝1,2,…(p-1)/3）进行递增排序，得到排序后对应的下标映射序列，构造置乱表T_HL。用同样的方法从X序列中取 构造置乱表T_LH、T_HH。

3)将第k(1≤k≤l)级分解的子频带HL_k、LH_k、HH_k均分成M×M小块，块的大小为m×m，其中m＝2^1-k。对子频带HL_k、LH_k、HH_k以块为单位分别用T_HL、T_LH、T_HH进行置乱。

4压缩数据流加密

本文采用Tent映射对压缩后码流进行混淆扩散加密。假设明文压缩后的数据流为R，Tent映射初值和控制参数分别为x′₀、p′₀，初始密文块为c′₀。压缩数据流加密过程如下：

1)首先将R分成若干个长度为32的子块r，q为序列R的分块数；

2)以x′₀、p′₀为初值和控制参数，迭代Tent模型q次，由公式5处理每次迭代值x′_k，最后得到序列{m_k,k＝1,2,…q}，其中m_k为y_k的32位二进制数表示形式。

y_k＝mod(round(x′_k×10¹⁶),2³²)            （5）

式中round(.)表示取整运算。

3)以c′₀为初始密文块，通过公式（6）对序列R进行两轮加密，得到密文序列R′。

$c_i=\mathrm{CycR}[(\mathrm{mod}((r_i\&CirclePlus;m_i+c_{i-1}),2^{32}),{\mathrm{LSB}}_5\left(m_{(1+\mathrm{mod}(c_{i-1}^{\&prime;},q)}\right)]---\left(6\right)$

式中r_i、c_i分别为第i个明文子块及对应的密文子块。CycR[s,b]表示将二进制序列s右移b位，LSB₅(s)表示取序列s中最低5位的值。

以下为具体实施例：

利用通用微型计算机，如intel奔腾四系列微机。在MATLAB2009a编程环境中开发压缩加密系统。程序运行平台为intel P43.0G CPU+2GB内存。

第一步，设初始密钥Key为[x_0H、p_0H、x_0L、p_0L、c₀]，将参数设为[0.405000869748940、0.630979255024048、0.421150774180423、0.594355626412632、3853080679]（下标H表示高频，L表示低频）。计算图像像素值和，其模256结果记为a=135。同时对原图像进行4层提升小波变换，低子频带LL₄系数按列扫描转化为序列L，L和a构成序列W，其余的小波系数按水平、垂直、对角三个方向分为HL、LH、HH三部分，每部分仍保持原有级间相似性。

第二步，将序列W和初始密钥Key作为SHA-1的输入消息，生成子密钥x′_0H=0.6975、p′_0H=0.6667、c′_0H=3.8531×10⁹，以为初始值对高频部分进行置乱，计算HL、LH、HH三部分能量E₁=6.1002×10⁴、E₂=2.0616×10⁵、E₃=7.7872×10⁴。设定压缩比为10，根据压缩比确定总的码字N=209715，按照下式为三个方向分配码字N₁、N₂、N₃。

$N_i=\frac{E_i}{E}\&times;(N-N_0),i=\mathrm{1,2,3}$

式中E为高频部分总能量，N₀为子频带LL₄安全编码所需码字，这里取N₀=8192，得N₁=120410、N₂=45483、N₃=35624。根据分配的码字，对三个方向分别进行SPIHT编码，将编码后的数据流记为序列HL′、LH′、HH′。

第三步，分别提取序列HL′、LH′、HH′部分数据,构成临时序列R₁，以x′_0H、p′_0H为Tent映射初始值和控制参数，c′_0H为初始密文块，加密R₁，得到密文序列R′₁。重新分配R′₁到序列HL′、LH′、HH′中，连接三个序列构成高频系数的密文序列R″。

第四步，将密文序列R′₁及密钥Key作为SHA-1函数输入信息，由公式Logistic映射公式生成子密钥x′_0L=0.7822、p′_0L=0.4247、c′_0L=1.3841×10⁹，令μ＝4，以为初始值迭代Logistic模型构造置乱表T_LL对序列W进行置乱。对置乱后的序列进行Huffman编码，得到序列W′。

第五步，以x′_0L、p′_0L为Tent映射初值和控制参数，c′_0L为初始密文块，用Tent映射对W′进行混淆扩散加密，得到加密序列W″。最后由序列W″及R″组成密文图像。

解密过程是加密的逆运算。为了保证正确解密，解密过程中除了需要密钥Key外，还需要序列W″及HL″、LH″、HH″的长度。首先，分别提取序列HL″、LH″、HH″部分数据和密钥作为SHA-1输入信息，生成子密钥x′_0L、p′_0L、c′_0L，解密低频部分；然后将低频部分及密钥作为SHA-1输入信息，以相同的方法解密高频部分。重新排列小波系数后进行逆小波变换得到重构图像。

用Yuen算法与DSCE方法比较，相同较高压缩比条件（压缩比取10）下，DSCE算法与Yuen算法对比结果如图3所示。从图3可以看出，压缩比较低时，Yuen算法的PSNR高于DSCE算法，但随着压缩比提高，DSCE算法压缩性能优于Yuen算法。同时随着压缩比不断提高，Yuen算法重构图像出现较明显的分块效应，而DSCE算法视觉效果明显优于Yuen算法。图4为压缩比为6.94，两种算法Barb图像解密的局部放大图。

图4给出了压缩比为10，密钥x_0H、p_0H分别进行微小改变(仅差10^-15)时，Barb加解密实验结果。由图4可以看出，解密结果是一幅杂乱无章的图像，对图像的视觉内容具有很好的掩密效果。

Claims (4)

1.一种基于小波变换和SHA-1的图像压缩加密方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：设初始密钥Key为[x_0H、p_0H、x_0L、p_0L、c₀]，然后计算图像像素值和，图像像素值和模256结果记为a；同时对原图像进行4层提升小波变换，得到低频子带LL₄，低频子带LL₄系数按列扫描转化为序列L，L和a构成序列W，其余的小波系数按水平、垂直和对角三个方向分为HL、LH和HH三个部分，每个部分保持原有级间相似性；其中：下标H表示高频，下标L表示低频；

步骤2：将序列W和初始密钥Key作为SHA-1的输入信息，生成子密钥x′_0H、p'_0H和c'_0H；以为初始值对高频部分进行置乱，然后计算HL、LH、HH三个部分能量E₁、E₂和E₃；根据压缩比确定的总的码字N，按照i＝1,2,3为三个方向分配码字N₁、N₂和N₃；根据分配的码字，对三个方向分别进行SPIHT编码，将编码后的数据流记为序列HL'、LH'和HH'；其中：E为高频部分总能量，N₀为子频带LL₄安全编码所需码字；

步骤3：以序列HL'、LH'、HH'构成临时序列R₁，以x'_0H和p'_0H为Tent映射初始值和控制参数，c'_0H为初始密文块，对临时序列R₁进行加密，得到密文序列R′₁；再重新分配R′₁到序列HL'、LH'和HH'中，连接HL'、LH'和HH'三个序列构成高频系数的密文序列R″；

步骤4：将密文序列R′₁及密钥Key作为SHA-1函数输入信息，由Logistic映射公式生成子密钥x'_0L、p'_0L和c'_0L；令μ＝4，以为初始值迭代Logistic模型构造置乱表T_LL，以置乱表T_LL对序列W进行置乱；对置乱后的序列进行Huffman编码，得到序列W′；

步骤5：以x'_0L、p'_0L为Tent映射初值和控制参数，c'_0L为初始密文块，用Tent映射对W'进行混淆扩散加密，得到加密序列W″，得到由序列W″及R″组成密文图像，完成压缩加密。

2.根据权利要求1所述基于小波变换和SHA-1的图像压缩加密方法，其特征在于：所述步骤3中以序列HL'、LH'、HH'构成临时序列R₁时，选择提取序列HL'、LH'、HH'中的部分数据构成临时序列R₁。

3.根据权利要求1所述基于小波变换和SHA-1的图像压缩加密方法，其特征在于：解密过程是加密算法的逆运算：首先，分别提取序列HL″、LH″、HH″和密钥作为SHA-1输入信息，生成子密钥x'_0L、p'_0L、c'_0L，解密低频部分；然后将低频部分及密钥作为SHA-1输入信息，生成子密钥x'_0H、p'_0H、c'_0H，解密高频部分；重新排列小波系数后进行逆小波变换得到重构图像。

4.根据权利要求2所述基于小波变换和SHA-1的图像压缩加密方法，其特征在于：当步骤3选择提取序列HL'、LH'、HH'中的部分数据构成临时序列R₁时，解密过程是加密算法的逆运算：首先，分别提取序列HL″、LH″、HH″的部分数据和密钥作为SHA-1输入信息，生成子密钥x'_0L、p'_0L、c'_0L，解密低频部分；然后将低频部分及密钥作为SHA-1输入信息，生成子密钥x'_0H、p'_0H、c'_0H，解密高频部分；重新排列小波系数后进行逆小波变换得到重构图像。