CN103220551A - 一种基于图像处理的数字资源加解密系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于图像处理的数字资源加解密系统及方法，该加解密方法包括如下步骤：在显示器上生成用户界面，用户界面用于原始图像的导入、密钥的输入、嵌入参数的显示与输入、待加密数字资源的输入和解密后数字资源的显示；利用处理器运行加密方法或解密方法，实现对数字资源的加密或解密，加密方法用于把待加密数字资源嵌入所述原始图像，得到已嵌入数字资源的加密图像和待加密数字资源的嵌入参数，解密方法用于从已嵌入数字资源的加密图像中把数字资源解密出来并显示；在显示器上生成可执行文件，用于使加解密方法脱离Matlab环境运行。本发明的加解密方法具有很好的隐蔽性，本发明的加解密系统具有良好的实用性和灵活性，适用面广。

Description

一种基于图像处理的数字资源加解密系统及方法

技术领域

本发明涉及信息技术领域，具体涉及一种基于图像处理的数字资源加解密系统及方法。

背景技术

随着数字化技术、多媒体技术、网络技术和现代教育技术的发展与普及，数字化资源越来越丰富，而数字资源在互联网上发布、传播、共享和开放的数量也越来越大。但这些发布和共享的数字资源，如果没有进行访问控制，则其被非法复制、篡改和使用也变得越来越容易，一些被非法取得的数字资源甚至被用于商业盈利性经营，其版权拥有者的权益受到了极大的侵犯。因此，数字资源版权保护越来越受到了人们的广泛关注，并已成为了信息安全领域的一个研究热点。传统的加密技术，虽然可以使数字资源只被合法拥有密钥者读取，但是，加密的数字资源一旦被破译，数字资源就能被非授权者轻易的复制和使用。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种基于图像处理的数字资源加解密系统方法，该发明能够更加简洁灵活地实现数字资源保密性。

为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种基于图像处理的数字资源加解密方法，包括如下步骤：

S1：在显示器上生成用户界面，所述用户界面用于原始图像的导入、密钥的输入、嵌入参数的显示与输入、待加密数字资源的输入和解密后数字资源的显示；

S2：利用处理器运行加密方法或解密方法，实现对数字资源的加密或解密，所述加密方法用于把待加密数字资源嵌入所述原始图像，得到已嵌入数字资源的加密图像和待加密数字资源的嵌入参数，所述解密方法用于从已嵌入数字资源的加密图像中把数字资源解密出来并显示；

S3：在显示器上生成可执行文件，用于使所述加解密方法脱离Matlab环境运行。

在本发明的一种优选实施例中，所述用户界面是在Matlab环境下设计实现的GUI（Graphical User Interface）图形用户界面。

在本发明的另一种优选实施例中，所述加密方法的步骤为：

S31：通过用户界面导入原始图像，得到原始图像各像素点的灰度值数据矩阵X；

S32：通过所述用户界面输入密钥key；

S33：在所述用户界面的信息窗口中输入待加密的数字资源resources，并将其转换为二进制码；

S34：利用随机游走技术将所述待加密的数字资源信息的每一比特对应于原始图像的一个像素得到加密后图像的数据矩阵，并保证加密后像素灰度的最后一位始终和带加密数字资源保持一致；

S35：以加密前后图像直方图的变化函数为目标函数，优化得到嵌入了待加密数字资源的最终加密图像数据矩阵Y，设原始图像和加密图像中灰度值为i的像素个数分别为p_i和p’_i，i=0,1,2,…,255，则所述加密算法的数学公式为：

$\min \mathrm{HVF}=\left|\right|P-P^{\′}\left|\right|=\sqrt{\underset{i=0}{\overset{255}{\mathrm{\Σ}}}{(p_i^{\′}-p_i)}^2}$

s.t.[Y,L,LL]＝F(X,key,resources)

其中，P＝(p₀,p₁,…p₂₅₅)、P'＝(p'₀,p'₁,…p'₂₅₅)分别为原始图像和加密图像的像素灰度值向量；L和LL为嵌入参数，分别为待加密数字资源及其转换后的二进制码的长度。

在本发明的一种优选实施例中，保证加密后像素灰度的最后一位始终和待加密数字资源保持一致的方法为：如果一个比特与对应像素灰度值的最后一位相同，则所述像素的灰度值不作改动；如果不同，则随机的加1或减1。

在本发明的一种优选实施例中，所述解密方法的步骤为：

S51：通过所述用户界面导入已嵌入数字资源的加密图像并得到各像素点的灰度值数据矩阵Y；

S52：通过所述用户界面输入密钥key；

S53：通过所述用户界面输入嵌入参数L和LL；

S54：利用所述加密算法的逆算法F^-1，通过[resources]＝F^-1(Y,key,L,LL)得到解密后数字资源并在信息窗口中以字符串显示出来。

在本发明的另一种优选实施例中，所述密钥为字母、数字或符号之一以及三者的任意组合。

在本发明的再另一种优选实施方式中，生成所述可执行文件的步骤为：

S71：在Matlab的命令窗口输入创建独立应用程序的编译器命令：

mcc-B sgl SDREDI_V01.m，用于调用Matlab编译器已建立的GUI图形用户界面的写程序文件SDREDI_V01.m，生成对应的c文件和使用c图形库的可执行文件SDREDI_V01.exe；

S72：将可执行文件SDREDI_V01.exe、工程文件SDREDI_V01.prj，以及Matlab中的编译器安装文件MCRInstaller.exe拷贝到同一文件夹下；

S73：在需要利用加解密系统进行加解密的计算机上运行文件编译器安装文件MCRInstaller.exe，得到可执行文件SDREDI_V01.exe脱离Matlab运行所需的函数库。

在本发明的一种优选实施方式中，所述原始图像的格式为JPG、BMP或GIF格式。

本发明实现了原始图像和加密图像在人眼视觉特性及其灰度直方图上都几乎没有差别的效果，提高了数字资源的隐蔽性。

本发明的基于图像处理的数字资源加解密方法不仅可以对字母、数字、其他各种符号、中文等信息进行加解密，并且密钥也可以是字母、数字、其他各种符号以及以上三者的任意组合，保证了数字资源隐藏的保密性、可用性和抗抵赖性。

本发明的待嵌入数字资源的原始图像可以是JPG、BMP和GIF等多种格式选择，具有较好的灵活性和实用性。

本发明的图形用户界面友好，并且通过生成.exe可执行文件脱离Matlab运行，从而不需要依靠特殊的软件技术平台，既充分利用了Matlab编程方便和具有强大矩阵运算的优势，也扩展了该系统的适用范围。

为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第二个方面，本发明提供了一种基于图像处理的数字资源加解密系统，其包括：显示器，所述显示器上具有用户界面模块，所述用户界面模块用于原始图像的导入、密钥的输入、嵌入参数的显示与输入、待加密数字资源的输入和解密后数字资源的显示；处理器，所述处理器包括加密模块、解密模块和可执行文件生成模块，所述用户界面模块分别与加密模块和解密模块相连，所述加密模块用于把通过所述用户界面模块输入的待加密数字资源嵌入原始图像并得到已嵌入数字资源的加密图像和待加密数字资源的嵌入参数，所述解密模块用于从已嵌入数字资源的加密图像中把数字资源解密出来并通过所述用户界面模块显示；所述可执行文件生成模块分别与所述加密模块和所述解密模块相连，用于生成可执行文件，使加解密方法脱离Matlab环境运行。

本发明的基于图像处理的数字资源加解密系统不需要依靠特殊的软件技术平台，适用范围广；其实现了原始图像和加密图像在人眼视觉特性及其灰度直方图上都几乎没有差别的效果，提高了数字资源的隐蔽性。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明基于图像处理的数字资源加解密方法的流程图；

图2是本发明一种优选实施方式中GUI图形用户界面；

图3是本发明基于图像处理的数字资源加解密系统的结构示意图；

图4是本发明一种优选实施方式中数字资源加密演示图；

图5是本发明一种优选实施方式中数字资源解密演示图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明提供了一种基于图像处理的数字资源加解密方法，包括如下步骤：

S1：在显示器上生成用户界面，该用户界面用于原始图像的导入、密钥的输入、嵌入参数的显示与输入、待加密数字资源的输入和解密后数字资源的显示；

S2：利用处理器运行加密方法或解密方法，实现对数字资源的加密或解密，所述加密方法用于把待加密数字资源嵌入所述原始图像，得到已嵌入数字资源的加密图像和待加密数字资源的嵌入参数，所述解密方法用于从已嵌入数字资源的加密图像中把数字资源解密出来并显示；

S3：在显示器上生成可执行文件，用于使所述加解密方法脱离Matlab环境运行。

在本实施方式中，用户界面是在Matlab环境下设计实现的GUI图形用户界面。如图1所示，该GUI图形用户界面包括图片导入按钮1，用于把原始图像9导入到图片显示区2；密钥输入区3，用于输入密钥10；待加密/解密数字资源输入/显示区4，用于输入待加密数字资源11和显示解密后的数字资源16；加密按钮5，用于加密算法12的实现，加密后的加密图像13显示于图片显示区2，待加密数字资源11的嵌入参数14显示于嵌入长度参数显示区6；解密按钮8，用于解密算法15的实现；重设按钮7，用于清空图片显示区2、密钥输入区3、待加密/解密数字资源输入/显示区4和嵌入长度参数显示区6。

在本实施方式中，如图2所示，加密方法的步骤为：

S31：通过用户界面导入原始图像，得到原始图像各像素点的灰度值数据矩阵X；

S32：通过所述用户界面输入密钥key；

S33：在所述用户界面的信息窗口中输入待加密的数字资源，记为resources，并将其转换为二进制码；

S34：利用随机游走技术将所述待加密的数字资源信息的每一比特对应于原始图像的一个像素得到加密后图像的数据矩阵，并保证加密后像素灰度的最后一位始终和带加密数字资源保持一致，在本实施方式中，保证加密后像素灰度的最后一位始终和待加密数字资源保持一致的方法为：如果一个比特与对应像素灰度值的最后一位相同，则所述像素的灰度值不作改动；如果不同，则随机的加1或减1；

S35：以加密前后图像直方图的变化函数（Histogram Varying Function,HVF）为目标函数，优化得到嵌入了待加密数字资源的最终加密图像数据矩阵Y，设原始图像和加密图像中灰度值为i的像素个数分别为p_i和p’_i，i=0,1,2,…,255，则加密算法的数学公式为：

$\min \mathrm{HVF}=\left|\right|P-P^{\′}\left|\right|=\sqrt{\underset{i=0}{\overset{255}{\mathrm{\Σ}}}{(p_i^{\′}-p_i)}^2}$

s.t.[Y,L,LL]＝F(X,key,resources)

其中，P＝(p₀,p₁,…p₂₅₅)、P'＝(p'₀,p'₁,…p'₂₅₅)分别为原始图像和加密图像的像素灰度值向量；L和LL为嵌入参数，分别为待加密数字资源及其转换后的二进制码的长度。

在本实施方式中，如图2所示，解密方法的步骤为：

S51：通过所述用户界面导入已嵌入数字资源的加密图像并得到各像素点的灰度值数据矩阵Y；

S52：通过所述用户界面输入密钥key；

S53：通过所述用户界面输入嵌入参数L和LL；

S54：利用所述加密算法的逆算法F^-1，通过[resources]＝F^-1(Y,key,L,LL)得到解密后数字资源并在信息窗口中以字符串显示出来。

在本实施方式中，密钥key为字母、数字或符号之一以及三者的任意组合。

在本实施方式中，生成可执行文件的步骤为：

S71：在Matlab的命令窗口输入创建独立应用程序的编译器命令：

mcc-B sgl SDREDI_V01.m，用于调用Matlab编译器已建立的GUI图形用户界面的写程序文件SDREDI_V01.m，生成对应的c文件和使用c图形库的可执行文件SDREDI_V01.exe，其中，SDREDI是基于图像处理的数字资源加解密系统（System of Digital Resources Encoding or Decoding under Image），V01表示版本号（Version）为01；

S72：将可执行文件SDREDI_V01.exe、工程文件SDREDI_V01.prj，以及Matlab中的编译器安装文件MCRInstaller.exe拷贝到同一文件夹下；

S73：在需要利用加解密系统进行加解密的计算机上运行文件编译器安装文件MCRInstaller.exe，得到可执行文件SDREDI_V01.exe脱离Matlab运行所需的函数库。

本发明还提供了一种基于图像处理的数字资源加解密系统，如图3所示，其包括显示器200和处理器300，显示器200上具有用户界面模块21，处理器300包括加密模块22、解密模块23和可执行文件生成模块24，其中，用户界面模块21生成用户界面，用于原始图像的导入、密钥的输入、嵌入参数的显示与输入、待加密数字资源的输入和解密后数字资源的显示；加密模块22用于把通过用户界面模块21输入的待加密数字资源嵌入原始图像并得到已嵌入数字资源的加密图像和待加密数字资源的嵌入参数，解密模块23用于从已嵌入数字资源的加密图像中把数字资源解密出来并通过用户界面模块21显示；可执行文件生成模块24分别与加密模块22和解密模块23相连，用于生成可执行文件，使加解密系统脱离Matlab环境运行。

在使用该基于图像处理的数字资源加解密系统时，可将可执行文件嵌入到数字资源的发布或传送系统中，允许以字母、数字以及其他各种符号以及三者的任意组合作为密钥，利用本发明加密算法把待加密数字资源，例如一些数字、文字、特殊符号等嵌入原始图像，得到已嵌入数字资源的加密图像和加密数字资源的嵌入参数并显示，完成数字资源的加密。当接收到包含数字资源的加密图像后，在本发明系统中输入密匙和嵌入函数就能从已嵌入数字资源的加密图像中把数字资源解密出来并显示还原加密的数字资源，由于隐蔽性较高，一般不易被破解。

在本发明的第一优选实施方式中，以512×512标准测试图像Lenna（JPG格式）作为示例进行演示。运行本发明的可执行文件SDREDI_V01.exe，如图4所示，首先利用图片导入按钮把原始图像文件lenna.jpg导入图片显示区并同时获取该图像各像素点的灰度值数据矩阵X；再在密钥输入区中输入自定的密钥，例如“12abc#”；然后在待加密/解密数字资源输入/显示区中输入待加密的数字资源，例如“Hello,欢迎使用系统！%&%”；最后点击加密按钮即可完成如下加密算法的运行，同时把加密图像的数据矩阵Y自动保存为myfile.jpg文件并在嵌入长度参数显示区中显示已加密的数字资源的嵌入参数L和LL。

$\min \mathrm{HVF}=\left|\right|P-P^{\′}\left|\right|=\sqrt{\underset{i=0}{\overset{255}{\mathrm{\Σ}}}{(p_i^{\′}-p_i)}^2}$

s.t.[Y,L,LL]＝F(X,key,resources)

其中，P＝(p₀,p₁,…p₂₅₅)和P'＝(p'₀,p'₁,…p'₂₅₅)分别为原始图像和加密图像的像素灰度值向量；p_i和p’_i分别为原始图像和加密图像中灰度值为i的像素个数，i=0,1,2,…,255；L和LL分别为待隐藏数字资源及其转换后的二进制码的长度，称为嵌入参数。

当收到加密图像的数据矩阵Y后，如图5所示，运行本发明系统的可执行文件SDREDI_V01.exe，首先利用图片导入按钮把加密图像文件myfile.jpg导入图片显示区并同时获取该图像各像素点的灰度值数据矩阵Y；再在密钥输入区中输入图像加密时自定的密钥key，本实施方式中为“12abc#”；然后在嵌入长度参数显示区中输入已加密的数字资源的嵌入参数L和LL，本实施方式中分别为16和256；最后点击解密按钮即可完成解密算法[resources]＝F^-1(Y,key,L,LL)的运行，解密出数字资源“Hello,欢迎使用系统！%&%”，自动以字符串显示在待加密/解密数字资源输入/显示区中。

本发明实现了原始图像和加密图像在人眼视觉特性及其灰度直方图上都几乎没有差别的效果，提高了数字资源的隐蔽性。该数字资源加解密方法不仅可以对字母、数字、其他各种符号、中文等信息进行加解密，并且密钥也可以是字母、数字、其他各种符号以及以上三者的任意组合，保证了数字资源隐藏的保密性、可用性和抗抵赖性。本发明的待嵌入数字资源的原始图像可以是JPG、BMP和GIF等多种格式选择，具有较好的灵活性和实用性。本发明的图形用户界面友好，并且通过生成.exe可执行文件脱离Matlab运行，从而不需要依靠特殊的软件技术平台，既充分利用了Matlab编程方便和具有强大矩阵运算的优势，也扩展了该系统的适用范围。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种基于图像处理的数字资源加解密方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：在显示器上生成用户界面，所述用户界面用于原始图像的导入、密钥的输入、嵌入参数的显示与输入、待加密数字资源的输入和解密后数字资源的显示；

S2：利用处理器运行加密方法或解密方法，实现对数字资源的加密或解密，所述加密方法用于把待加密数字资源嵌入所述原始图像，得到已嵌入数字资源的加密图像和待加密数字资源的嵌入参数，所述解密方法用于从已嵌入数字资源的加密图像中把数字资源解密出来并显示；

S3：在显示器上生成可执行文件，用于使所述加解密方法脱离Matlab环境运行。

2.如权利要求1所述的基于图像处理的数字资源加解密方法，其特征在于，所述用户界面是在Matlab环境下设计实现的GUI图形用户界面。

3.如权利要求1所述的基于图像处理的数字资源加解密方法，其特征在于，所述加密方法的步骤为：

S31：通过用户界面导入原始图像，得到原始图像各像素点的灰度值数据矩阵X；

S32：通过所述用户界面输入密钥key；

S33：在所述用户界面的信息窗口中输入待加密的数字资源resources，并将其转换为二进制码；

S34：利用随机游走技术将所述待加密的数字资源信息的每一比特对应于原始图像的一个像素得到加密后图像的数据矩阵，并保证加密后像素灰度的最后一位始终和带加密数字资源保持一致；

S35：以加密前后图像直方图的变化函数为目标函数，优化得到嵌入了待加密数字资源的最终加密图像数据矩阵Y，设原始图像和加密图像中灰度值为i的像素个数分别为p_i和p’_i，i=0,1,2,…,255，则所述加密算法的数学公式为：

$\min \mathrm{HVF}=\left|\right|P-P^{\′}\left|\right|=\sqrt{\underset{i=0}{\overset{255}{\mathrm{\Σ}}}{(p_i^{\′}-p_i)}^2}$

s.t.[Y,L,LL]＝F(X,key,resources)

其中，P＝(p₀,p₁,…p₂₅₅)、P'＝(p'₀,p'₁,…p'₂₅₅)分别为原始图像和加密图像的像素灰度值向量；L和LL为嵌入参数，分别为待加密数字资源及其转换后的二进制码的长度。

4.如权利要求3所述的基于图像处理的数字资源加解密方法，其特征在于，保证加密后像素灰度的最后一位始终和待加密数字资源保持一致的方法为：如果一个比特与对应像素灰度值的最后一位相同，则所述像素的灰度值不作改动；如果不同，则随机的加1或减1。

5.如权利要求1或3所述的基于图像处理的数字资源加解密方法，其特征在于，所述解密方法的步骤为：

S51：通过所述用户界面导入已嵌入数字资源的加密图像并得到各像素点的灰度值数据矩阵Y；

S52：通过所述用户界面输入密钥key；

S53：通过所述用户界面输入嵌入参数L和LL；

S54：利用所述加密算法的逆算法F^-1，通过[resources]＝F^-1(Y,key,L,LL)得到解密后数字资源并在信息窗口中以字符串显示出来。

6.如权利要求3或5所述的基于图像处理的数字资源加解密方法，其特征在于，所述密钥为字母、数字或符号之一以及三者的任意组合。

7.如权利要求1所述的基于图像处理的数字资源加解密方法，其特征在于，生成所述可执行文件的步骤为：

S71：在Matlab的命令窗口输入创建独立应用程序的编译器命令：

mcc-B sgl SDREDI_V01.m，用于调用Matlab编译器已建立的GUI图形用户界面的写程序文件SDREDI_V01.m，生成对应的c文件和使用c图形库的可执行文件SDREDI_V01.exe；

S72：将可执行文件SDREDI_V01.exe、工程文件SDREDI_V01.prj，以及Matlab中的编译器安装文件MCRInstaller.exe拷贝到同一文件夹下；

S73：在需要利用加解密系统进行加解密的计算机上运行文件编译器安装文件MCRInstaller.exe，得到可执行文件SDREDI_V01.exe脱离Matlab运行所需的函数库。

8.如权利要求1所述的基于图像处理的数字资源加解密方法，其特征在于，所述原始图像的格式为JPG、BMP或GIF格式。

9.一种基于图像处理的数字资源加解密系统，其特征在于，包括：

显示器，所述显示器上具有用户界面模块，所述用户界面模块用于原始图像的导入、密钥的输入、嵌入参数的显示与输入、待加密数字资源的输入和解密后数字资源的显示；

处理器，所述处理器包括加密模块、解密模块和可执行文件生成模块，所述用户界面模块分别与加密模块和解密模块相连，所述加密模块用于把通过所述用户界面模块输入的待加密数字资源嵌入原始图像并得到已嵌入数字资源的加密图像和待加密数字资源的嵌入参数，所述解密模块用于从已嵌入数字资源的加密图像中把数字资源解密出来并通过所述用户界面模块显示；所述可执行文件生成模块分别与所述加密模块和所述解密模块相连，用于生成可执行文件，使加解密方法脱离Matlab环境运行。

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