CN103428495A - 图像加密方法、图像解密方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种图像加密方法、图像解密方法和装置。对原始图像进行预处理、小波变换和量化处理；对量化后的图像进行位平面编码，获得系数位和上下文；对所述系数位进行加密操作，或，对所述系数位和所述上下文进行加密操作；对所述加密操作后的系数位和上下文进行熵编码和码流组织，获得加密图像。采用本发明提供的图像加密方法、图像解密方法和装置，能够提高图像加密的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及图像加密技术，尤其涉及一种图像加密方法、图像解密方法和装置。
背景技术
随着图像传输和处理应用的日益普及，对图像进行压缩和加密的需求越来越广泛。
目前，采用基于联合图像专家小组2000（Joint Photographic ExpertsGroup2000，简称JPEG2000）格式，对图像进行压缩结合加密处理的方法。采用该方法，根据JPEG2000的格式要求，对原始图像进行预处理、小波变换、量化、位平面编码、熵编码、码流组织等图像压缩处理操作，其中，在小波变换之后，采用对小波系数置乱的方式进行加密。具体方法是采用置乱矩阵对小波系数进行置乱，也就是采用置乱矩阵将二维平面中的数值打乱。
上述现有的图像加密方法中使用置乱矩阵进行置乱，由于矩阵的变换周期性，该方法的置乱效果受到限制，导致该加密方法的安全性不足。
发明内容
本发明的第一个方面是提供一种图像加密方法及装置，用以解决现有技术中的缺陷，提高图像加密的安全性。
本发明的另一个方面是提供一种图像解密方法及装置，用以解决现有技术中的缺陷，提高图像加密的安全性。
本发明的第一个方面是提供一种图像加密方法，包括：
对原始图像进行预处理、小波变换和量化处理；
对量化后的图像进行位平面编码，获得系数位和上下文；
对所述系数位进行加密操作，或，对所述系数位和所述上下文进行加密操作；
对所述加密操作后的系数位和上下文进行熵编码和码流组织，获得加密图像。
如上所述的方法，其中，
所述对所述系数位进行加密操作包括：采用混沌序列对所述系数位进行加密操作；
所述对所述系数位和所述上下文进行加密操作包括：采用不同的混沌序列对所述系数位和所述上下文分别进行加密操作。
如上所述的方法，其中，
所述采用混沌序列对所述系数位进行加密操作包括：采用第一混沌映射产生第一混沌序列，对所述第一混沌序列进行放大和取整，获得第一随机序列，根据C'n=Cn⊕(Anmod2)对所述系数位进行加密操作，其中，n表示序号，n的最大值为位平面数，Cn表示加密前的第n个系数位，C'n表示加密的第n个系数位，An表示第一随机序列的第n项，⊕表示异或运算，mod表示取模运算；
所述采用不同的混沌序列对所述系数位和所述上下文分别进行加密操作包括：采用第一混沌映射产生第一混沌序列，对所述第一混沌序列进行放大和取整，获得第一随机序列，根据C'n=Cn⊕(Anmod2)对所述系数位进行加密操作，其中，n表示序号，n的最大值为位平面数，Cn表示加密前的第n个系数位，C'n表示加密的第n个系数位，An表示第一随机序列的第n项，⊕表示异或运算，mod表示取模运算；并且，采用第二混沌映射产生第二混沌序列，对所述第二混沌序列进行放大和取整，获得第二随机序列，根据D'n=(Dn+Bn)mod19对所述上下文进行加密，其中，n表示序号，n的最大值为位平面数，Dn表示加密前的第n个上下文，D'n表示加密的第n个上下文，Bn表示第二随机序列的第n项，mod表示取模运算。
本发明的另一个方面是提供一种图像加密装置，包括：
预处理单元，用于对原始图像进行预处理；
小波变换单元，用于对预处理后的图像进行小波变换；
量化处理单元，用于对小波变换后的图像进行量化处理；
位平面编码单元，用于对量化后的图像进行位平面编码，获得系数位和上下文；
加密单元，用于对所述系数位进行加密操作，或，用于对所述系数位和所述上下文进行加密操作；
熵编码单元，用于对加密操作后的系数位和加密的上下文进行熵编码；
码流组织单元，用于对熵编码结果进行码流组织，获得加密图像。
如上所述的装置，其中，
所述加密单元包括：系数位加密子单元，或，所述加密单元包括：所述系数位加密子单元和上下文加密子单元；
所述系数位加密子单元用于采用混沌序列对所述系数位进行加密操作；
所述上下文加密子单元用于采用混沌序列对所述上下文进行加密操作。
如上所述的装置，其中，
所述系数位加密子单元具体用于采用第一混沌映射产生第一混沌序列，对所述第一混沌序列进行放大和取整，获得第一随机序列，根据C'n=Cn⊕(Anmod2)对所述系数位进行加密操作，其中，n表示序号，n的最大值为位平面数，Cn表示加密前的第n个系数位，C'n表示加密的第n个系数位，An表示第一随机序列的第n项，⊕表示异或运算，mod表示取模运算；
所述上下文加密子单元具体用于采用第二混沌映射产生第二混沌序列，对所述第二混沌序列进行放大和取整，获得第二随机序列，根据D'n=(Dn+Bn)mod19对所述上下文进行加密操作，其中，n表示序号，n的最大值为位平面数，Dn表示加密前的第n个上下文，D'n表示加密的第n个上下文，Bn表示第二随机序列的第n项，mod表示取模运算。
本发明的又一个方面是提供一种图像解密方法，包括：
对加密图像进行码流分解和熵解码，获得加密操作后的系数位和上下文；
对所述加密操作后的系数位进行解密，或，对所述加密操作后的系数位和上下文进行解密，获得系数位和上下文；
对系数位和上下文进行位平面解码；
对平面解码结果进行反量化处理、小波变换的逆变换和后处理，获得原始图像。
如上所述的方法，其中，
所述对所述加密操作后的系数位进行解密包括：采用混沌序列对所述加密操作后的系数位进行解密；
所述对所述加密操作后的系数位和上下文进行解密包括：采用不同的混沌序列对所述加密操作后的系数位和上下文分别进行解密。
如上所述的方法，其中，
所述采用混沌序列对所述加密操作后的系数位进行解密包括：采用第一混沌映射产生第一混沌序列，对所述第一混沌序列进行放大和取整，获得第一随机序列，根据Cn=C'n⊕(Anmod2)对所述加密操作后的系数位进行解密，其中，n表示序号，n的最大值为位平面数，C'n表示加密的第n个系数位，Cn表示加密前的第n个系数位，An表示第一随机序列的第n项，⊕表示异或运算，mod表示取模运算；
所述采用不同的混沌序列对所述加密操作后的系数位和上下文分别进行解密包括：采用第一混沌映射产生第一混沌序列，对所述第一混沌序列进行放大和取整，获得第一随机序列，根据Cn=C'n⊕(Anmod2)对所述加密操作后的系数位进行解密，其中，n表示序号，n的最大值为位平面数，C'n表示加密的第n个系数位，Cn表示加密前的第n个系数位，An表示第一随机序列的第n项，⊕表示异或运算，mod表示取模运算；并且，采用第二混沌映射产生第二混沌序列，对所述第二混沌序列进行放大和取整，获得第二随机序列，根据D'n=(Dn+Bn)mod19对加密操作后的上下文进行解密，其中，n表示序号，n的最大值为位平面数，D'n表示加密的第n个上下文，Dn表示加密前的第n个上下文，Bn表示第二随机序列的第n项，mod表示取模运算。
本发明的再一个方面是一种图像解密装置，包括：
码流分解单元，用于对加密图像进行码流分解；
熵解码单元，用于对进码流分解后的图像行熵解码，获得加密操作后的系数位和上下文；
解密单元，用于对所述加密操作后的系数位进行解密，获得系数位和上下文，或，用于对所述加密操作后的系数位和上下文进行解密，获得系数位和上下文；
位平面解码单元，用于对系数位和上下文进行位平面解码；
反量化单元，用于对平面解码结果进行反量化处理；
小波变换的逆变换单元，用于对反量化结果进行小波变换的逆变换；
后处理单元，用于对小波变换的逆变换结果进行后处理，获得原始图像。
如上所述的装置，其中，
所述解密单元包括：系数位解密子单元，或，所述解密单元包括：系数位解密子单元和上下文解密子单元；
所述系数位解密子单元用于采用混沌序列对所述加密操作后的系数位进行解密；
所述上下文解密子单元用于采用混沌序列对加密操作后的上下文进行解密。
如上所述的装置，其中，
所述系数位解密子单元具体用于采用第一混沌映射产生第一混沌序列，对所述第一混沌序列进行放大和取整，获得第一随机序列，根据Cn=C'n⊕(Anmod2)对所述加密操作后的系数位进行解密，其中，n表示序号，n的最大值为位平面数，C'n表示加密的第n个系数位，Cn表示加密前的第n个系数位，An表示第一随机序列的第n项，⊕表示异或运算，mod表示取模运算；
所述上下文解密子单元具体用于采用第二混沌映射产生第二混沌序列，对所述第二混沌序列进行放大和取整，获得第二随机序列，根据D'n=(Dn+Bn)mod19对加密操作后的上下文进行解密，其中，n表示序号，n的最大值为位平面数，D'n表示加密的第n个上下文，Dn表示加密前的第n个上下文，Bn表示第二随机序列的第n项，mod表示取模运算。
由上述发明内容可见，在对图像进行压缩的过程中，在位平面编码之后，不是直接进行熵编码，而是对位平面编码获得的系数位进行加密，或对位平面编码获得的系数位和上下文进行加密，采用加密操作后的系数位和上下文进行熵编码，从而在图像压缩过程中实现了对图像数据的加密，该加密过程覆盖了全部的系数位或覆盖了全部的系数位和上下文，从而确保图像加密结果具有高度的安全性。并且，上述加密方法与图像压缩过程相结合，对于图像压缩过程中的小波变换、量化处理和位平面编码过程均不进行改动，通过以原始图像数据为处理对象的小波变换和量化处理保证了图像压缩的高压缩性，通过以原始图像数据为处理对象的位平面编码过程保证了码流传输和画面显示的伸缩性，在位平面编码之后进行加密处理，从而在完成图像加密的同时，确保不对图像压缩的压缩率和伸缩性造成不利影响。
附图说明
图1为本发明实施例一的图像加密方法的流程图；
图2为本发明实施例二的图像加密方法的流程图；
图3为本发明实施例三的图像解密方法的流程图；
图4为本发明实施例四的图像解密方法的流程图；
图5为本发明实施例五的图像加密装置的结构示意图；
图6为本发明实施例六的图像解密装置的结构示意图。
具体实施方式
图1为本发明实施例一的图像加密方法的流程图。如图1所示，该方法包括以下过程。
步骤101：对原始图像进行预处理、小波变换和量化处理。
在本步骤中，按照JPEG2000算法，对原始图像依次进行预处理、小波变换和量化处理。首先，对原始图像进行预处理，其中，预处理具体包括：图像分块、电位平移和颜色变换等操作。在预处理之后，获得图像片分量，对预处理后对图像片分量进行小波变换，具体可以采用分级正向小波变换。在小波变换之后，对小波变换结果进行量化处理，即，针对有损压缩，对小波系数进行取整。
步骤102：对量化后的图像进行位平面编码，获得系数位和上下文。
在本步骤中，按照JPEG2000算法，对量化后的图像进行位平面编码，即，对步骤101中量化后的系数位进行建模，在位平面中获得系数位的值，以及各个系数位对应的上下文。
步骤103：对所述系数位进行加密操作，或，对所述系数位和所述上下文进行加密操作。
在本步骤中，可以仅对系数位进行加密，也可以对系数位和上下文均进行加密，获得所述加密操作后的系数位和上下文。
步骤104：对所述加密操作后的系数位和上下文进行熵编码和码流组织，获得加密图像。
在本步骤中，首先进行熵编码，具体地，如果在步骤103中只对系数位进行加密，则在熵编码过程中采用加密的系数位和未加密的上下文，如果在步骤103中对系数位和上下文均进行加密，则在熵编码过程中采用加密的系数位和加密的上下文。在熵编码之后，对熵编码结果进行码流组织，获得加密图像。
在本发明实施例一中，在对图像进行压缩的过程中，在位平面编码之后，不是直接进行熵编码，而是对位平面编码获得的系数位进行加密，或者对位平面编码获得的系数位和上下文进行加密，采用加密操作后的系数位和上下文进行熵编码，从而在图像压缩过程中实现了对图像数据的加密，该加密过程覆盖了全部的系数位或覆盖了全部的系数位和上下文，从而确保图像加密结果具有高度的安全性。并且，上述加密方法与图像压缩过程相结合，对于图像压缩过程中的小波变换、量化处理和位平面编码过程均不进行改动，通过以原始图像数据为处理对象的小波变换和量化处理保证了图像压缩的高压缩性，通过以原始图像数据为处理对象的位平面编码过程保证了码流传输和画面显示的伸缩性，在位平面编码之后进行加密处理，从而在完成图像加密的同时，确保不对图像压缩的压缩率和伸缩性造成不利影响。
图2为本发明实施例二的图像加密方法的流程图。在本发明实施例二中，以对系数位和上下文均进行加密为例。如图2所述，该方法包括以下过程。
步骤201：对原始图像进行预处理。
步骤202：对预处理后的图像进行小波变换。
步骤203：对小波变换后的图像进行量化处理。
上述步骤201至步骤203均按照JPEG2000算法执行，其具体过程与步骤101的记载相同，在此不再赘述。
步骤204：对量化后的图像进行位平面编码，获得系数位和上下文。
本步骤按照JPEG2000算法执行，其具体过程与步骤102的记载相同，在此不再赘述。根据JPEG2000算法，位平面编码获得的系数位为一系列数值，其中每一个数值为0或1，以Cn表示第n个系数位，则Cn=0,1；位平面编码获得的上下文为一系列数值，其中每一个数值为0至18中的某一个数值，Dn表示第n个上下文，Dn=0,1,…,18；每一个系数位对应一个上下文。
步骤205：对所述系数位和所述上下文进行加密。
在本步骤中，对所述系数位和所述上下文进行加密。具体地，采用不同的混沌序列对所述系数位和所述上下文分别进行加密。
其中，对所述系数位进行加密的方法如下。首先，采用第一混沌映射产生第一混沌序列。其中，第一混沌映射可以表示为L1=a*x(1-x)，L1表示第一混沌序列的一项，a表示第一混沌序列的参数，x表示第一混沌序列的初值。然后，对所述第一混沌序列进行放大和取整，获得第一随机序列。其中，对上述第一混沌序列进行放大时，可以采用预设放大倍数进行方法，例如，预设放大倍数可以为1000倍。对放大后的混沌序列进行取整，获得第一随机序列，该第一随机序列可以表示为A(A1,A2,…)。最后，采用第一随机序列中的各项作为密钥对系数位进行加密，具体地，根据C'n=Cn⊕(Anmod2)对所述系数位进行加密，其中，n表示序号，n的最大值为位平面数，Cn表示加密前的第n个系数位，C'n表示加密的第n个系数位，An表示第一随机序列的第n项，⊕表示异或运算，mod表示取模运算。
对所述上下文进行加密的方法如下。首先，采用第二混沌映射产生第二混沌序列。其中，第二混沌映射可以表示为L2=b*y(1-y)，L2表示第二混沌序列的一项，b表示第二混沌序列的参数，y表示第二混沌序列的初值。然后，对所述第二混沌序列进行放大和取整，获得第二随机序列。其中，对上述第二混沌序列进行放大时，可以采用预设放大倍数进行方法，例如，预设放大倍数可以为1000倍。对放大后的混沌序列进行取整，获得第二随机序列，该第二随机序列可以表示为B(B1,B2,…)。最后，采用第二随机序列中的各项作为密钥对上下文进行加密，具体地，根据D'n=(Dn+Bn)mod19对所述上下文进行加密，其中，n表示序号，n的最大值为位平面数，Dn表示加密前的第n个上下文，D'n表示加密的第n个上下文，Bn表示第二随机序列的第n项，mod表示取模运算。
步骤206：对加密的系数位和加密的上下文进行熵编码。
在本步骤中，熵编码的具体方式按照JPEG2000算法执行，进行熵编码的对象采用加密的系数位和加密的上下文。
步骤207：对熵编码结果进行码流组织，获得加密图像。
在本步骤中，按照JPEG2000算法执行，对熵编码结果进行码流组织，获得加密图像。
在本发明实施例二中，在对图像进行压缩的过程中，对位平面编码获得的系数位和上下文进行加密，采用加密的系数位和上下文进行熵编码，从而在图像压缩过程中实现了对图像数据的加密，该加密过程覆盖了全部的系数位和上下文，从而确保图像加密结果具有高度的安全性。并且，在对系数位和上下文进行加密时，采用混沌映射生成的随机序列作为密钥，进一步提高了图像加密的安全性。并且，由于本发明实施例二的图像加密方法仅仅在图像压缩过程中加入很少的运算开销，因此，该加密方法的运算效率高。并且，上述加密方法与图像压缩过程相结合，对于图像压缩过程中的小波变换、量化处理和位平面编码过程均不进行改动，通过以原始图像数据为处理对象的小波变换和量化处理保证了图像压缩的高压缩性，通过以原始图像数据为处理对象的位平面编码过程保证了码流传输和画面显示的伸缩性，在位平面编码之后进行加密处理，从而在完成图像加密的同时，确保不对图像压缩的压缩率和伸缩性造成不利影响。
图3为本发明实施例三的图像解密方法的流程图。如图3所示，该方法包括以下过程。
步骤301：对加密图像进行码流分解和熵解码，获得加密操作后的系数位和上下文。
在本步骤中，首先，按照JPEG2000算法，对加密图像进行码流分解。然后，按照JPEG2000算法，对码流分解结果进行熵解码，获得加密操作后的系数位和上下文。本发明实施例三为本发明实施例一记载的加密方法的解密过程。如果在加密时只对系数位进行加密，则在本步骤中，通过熵解码获得加密的系数位和未加密的上下文；如果在加密时对系数位和上下文均进行加密，则在本步骤中，通过熵解码获得加密的系数位和加密的上下文。
步骤302：对所述加密操作后的系数位进行解密，或，对所述加密操作后的系数位和上下文进行解密，获得系数位和上下文。
本发明实施例三为本发明实施例一记载的加密方法的解密过程。如果在加密时只对系数位进行加密，则在本步骤中，对加密的系数位进行解密，获得加密前的系数位；如果在加密时对系数位和上下文均进行加密，则在本步骤中，对加密的系数位和加密的上下文进行解密，获得加密前的系数位和上下文。
步骤303：对系数位和上下文进行位平面解码。
在本步骤中，根据JPEG2000算法，对系数位和上下文进行位平面解码，其中，系数位采用加密前的系数位；上下文采用加密前的上下文。
步骤304：对平面解码结果进行反量化处理、小波变换的逆变换和后处理，获得原始图像。
在本步骤中，按照JPEG2000算法，对平面解码结果进行反量化处理、小波变换的逆变换和后处理，获得原始图像。其中，后处理包括：颜色变换的逆过程、电位平移的逆过程和图像分块的逆过程。
在本发明实施例三中，在对图像进行解压缩的过程中，在熵解码之后，不是直接进行位平面解码，而是对熵解码获得的加密操作后的系数位和上下文进行解密，采用解密获得的系数位和上下文进行位平面解码，从而在图像解压缩过程中实现了对图像数据的解密，该解密过程及其对应的加密过程覆盖了全部的系数位或覆盖了全部的系数位和上下文，从而确保图像加密结果具有高度的安全性。并且，上述解密方法及其对应的加密方法与图像压缩过程相结合，对于图像压缩过程中的小波变换、量化处理和位平面编码过程均不进行改动，通过以原始图像数据为处理对象的小波变换和量化处理保证了图像压缩的高压缩性，通过以原始图像数据为处理对象的位平面编码过程保证了码流传输和画面显示的伸缩性，在位平面编码之后进行加密处理，从而在完成图像加密的同时，确保不对图像压缩的压缩率和伸缩性造成不利影响。
图4为本发明实施例四的图像解密方法的流程图。本发明实施例四为本发明实施例二记载的加密过程对应的解密过程，以加密时对系数位和上下文均进行加密为例，则在本发明实施例四中，对系数位和上下文均进行解密。如图4所示，该方法包括以下过程。
步骤401：对加密图像进行码流分解。
步骤402：对码流分解结果进行熵解码，获得加密的系数位和加密的上下文。
上述步骤401和步骤402按照JPEG2000算法执行，其具体过程与步骤301的记载相同，在此不再赘述。
步骤403：对所述加密的系数位和所述加密的上下文进行解密，获得系数位和上下文。
在本步骤中，对加密的系数位和加密的上下文进行解密。具体地，采用不同的混沌序列对所述加密的系数位和所述加密的上下文分别进行解密。
其中，对所述加密的系数位进行解密的方法如下。首先，采用第一混沌映射产生第一混沌序列。然后，对所述第一混沌序列进行放大和取整，获得第一随机序列。最后，根据Cn=C'n⊕(Anmod2)对所述系数位进行解密，其中，n表示序号，n的最大值为位平面数，C'n表示加密的第n个系数位，Cn表示加密前的第n个系数位，An表示第一随机序列的第n项，⊕表示异或运算，mod表示取模运算。
对所述加密的上下文进行解密的方法如下。首先，采用第二混沌映射产生第二混沌序列。然后，对所述第二混沌序列进行放大和取整，获得第二随机序列。最后，根据D'n=(Dn+Bn)mod19对所述上下文进行解密，其中，n表示序号，n的最大值为位平面数，D'n表示加密的第n个上下文，Dn表示加密前的第n个上下文，Bn表示第二随机序列的第n项，mod表示取模运算。
步骤404：对系数位和上下文进行位平面解码。
在本步骤中，根据JPEG2000算法，对系数位和上下文进行位平面解码，其中，系数位采用加密前的系数位；上下文采用加密前的上下文。
步骤405：对平面解码结果进行反量化处理。
步骤406：对反量化处理结果进行小波变换的逆变换。
步骤407：对小波变换的逆变换结果进行后处理，获得原始图像。
在本步骤中，后处理包括：颜色变换的逆过程、电位平移的逆过程和图像分块的逆过程。经过上述后处理，获得原始图像。
在本发明实施例四中，在对图像进行解压缩的过程中，对熵解码获得的加密的系数位和加密的上下文进行解密，采用解密获得的系数位和上下文进行位平面解码，从而在图像解压缩过程中实现了对图像数据的解密，该解密过程及其对应的加密过程覆盖了全部的系数位和/或上下文，从而确保图像加密结果具有高度的安全性。并且，在对系数位和上下文进行解密时，采用混沌映射生成的随机序列作为密钥，进一步提高了图像加密的安全性。并且，由于本发明实施例四的图像解密方法仅仅在图像压缩过程中加入很少的运算开销，因此，该解密方法的运算效率高。并且，上述解密方法及其对应的加密方法与图像压缩过程相结合，对于图像压缩过程中的小波变换、量化处理和位平面编码过程均不进行改动，通过以原始图像数据为处理对象的小波变换和量化处理保证了图像压缩的高压缩性，通过以原始图像数据为处理对象的位平面编码过程保证了码流传输和画面显示的伸缩性，在位平面编码之后进行加密处理，从而在完成图像加密的同时，确保不对图像压缩的压缩率和伸缩性造成不利影响。
在上述本发明实施例二中，以对系数位和上下文均进行加密的实现方式为例进行说明，在其它的实现方式中，也可以仅对系数位和上下文其中之一进行加密。仍可采用混沌序列对系数位或上下文进行加密。具体地，对系数位或上下文进行加密的具体方法仍可按照本发明实施例二中记载的相应方法执行。
相应地，在上述本发明实施例四中，以对系数位和上下文均进行加密的加密方法所对应的解密方法为例进行说明，因此，在该实现方式中，对加密的系数位和加密的上下文进行解密，在其它的实现方式中，如果在加密时只对系数位进行加密，则在解密时仅对加密的系数位进行解密，如果在加密时只对上下文进行加密，则在解密时仅对加密的上下文进行解密，即，对加密的系数位和加密的上下文其中之一进行解密。仍可采用混沌序列对加密的系数位或加密的上下文进行解密。具体地，对加密的系数位或加密的上下文进行解密的具体方法仍可按照本发明实施例四中记载的相应方法执行。
图5为本发明实施例五的图像加密装置的结构示意图。如图5所示，该装置包括：预处理单元51、小波变换单元52、量化处理单元53、位平面编码单元54、加密单元55、熵编码单元56和码流组织单元57。
其中，预处理单元51用于对原始图像进行预处理。
小波变换单元52用于对预处理后的图像进行小波变换。
量化处理单元53用于对小波变换后的图像进行量化处理。
位平面编码单元54用于对量化后的图像进行位平面编码，获得系数位和上下文。
加密单元55用于对所述系数位进行加密操作，或，用于对所述系数位和所述上下文进行加密操作。
熵编码单元56用于对加密操作后的系数位和加密的上下文进行熵编码。
码流组织单元57用于对熵编码结果进行码流组织，获得加密图像。
在上述技术方案的基础上，进一步地，所述加密单元55包括：系数位加密子单元551，或，所述加密单元55包括：系数位加密子单元551和上下文加密子单元552。其中，所述系数位加密子单元551用于采用混沌序列对所述系数位进行加密操作。所述上下文加密子单元552用于采用混沌序列对所述上下文进行加密操作。
在上述技术方案的基础上，进一步地，所述系数位加密子单元551具体用于采用第一混沌映射产生第一混沌序列，对所述第一混沌序列进行放大和取整，获得第一随机序列，根据C'n=Cn⊕(Anmod2)对所述系数位进行加密操作，其中，n表示序号，n的最大值为位平面数，Cn表示加密前的第n个系数位，C'n表示加密的第n个系数位，An表示第一随机序列的第n项，⊕表示异或运算，mod表示取模运算。
所述上下文加密子单元552具体用于采用第二混沌映射产生第二混沌序列，对所述第二混沌序列进行放大和取整，获得第二随机序列，根据D'n=(Dn+Bn)mod19对所述上下文进行加密操作，其中，n表示序号，n的最大值为位平面数，Dn表示加密前的第n个上下文，D'n表示加密的第n个上下文，Bn表示第二随机序列的第n项，mod表示取模运算。
本发明实施例五的图像加密装置可以用于执行本发明实施例一和本发明实施例二所述的图像加密方法，其具体实现过程和技术效果可以参照本发明实施例一和本发明实施例二，此处不再赘述。
图6为本发明实施例六的图像解密装置的结构示意图。如图6所示，该装置包括：码流分解单元61、熵解码单元62、解密单元63、位平面解码单元64、反量化单元65、小波变换的逆变换单元66和后处理单元67。
其中，码流分解单元61用于对加密图像进行码流分解。
熵解码单元62用于对进码流分解后的图像行熵解码，获得加密操作后的系数位和上下文。
解密单元63用于对所述加密操作后的系数位进行解密，获得系数位和上下文，或，对所述加密操作后的系数位和上下文进行解密，获得系数位和上下文。
位平面解码单元64用于对系数位和上下文进行位平面解码。
反量化单元65用于对平面解码结果进行反量化处理。
小波变换的逆变换单元66用于对反量化结果进行小波变换的逆变换。
后处理单元67用于对小波变换的逆变换结果进行后处理，获得原始图像。
在上述技术方案的基础上，进一步地，所述解密单元63包括：系数位解密子单元631，或，所述解密单元63包括：系数位解密子单元631和上下文解密子单元632。其中，所述系数位解密子单元631用于采用混沌序列对所述加密操作后的系数位进行解密。所述上下文解密子单元632用于采用混沌序列对所述加密操作后的上下文进行解密。
在上述技术方案的基础上，进一步地，所述系数位解密子单元631具体用于采用第一混沌映射产生第一混沌序列，对所述第一混沌序列进行放大和取整，获得第一随机序列，根据Cn=C'n⊕(Anmod2)对加密操作后的系数位进行解密，其中，n表示序号，n的最大值为位平面数，C'n表示加密的第n个系数位，Cn表示加密前的第n个系数位，An表示第一随机序列的第n项，⊕表示异或运算，mod表示取模运算。
所述上下文解密子单元632具体用于采用第二混沌映射产生第二混沌序列，对所述第二混沌序列进行放大和取整，获得第二随机序列，根据D'n=(Dn+Bn)mod19对加密操作后的上下文进行解密，其中，n表示序号，n的最大值为位平面数，D'n表示加密的第n个上下文，Dn表示加密前的第n个上下文，Bn表示第二随机序列的第n项，mod表示取模运算。
本发明实施例六的图像解密装置可以用于执行本发明实施例三和本发明实施例四所述的图像解密方法，其具体实现过程和技术效果可以参照本发明实施例三和本发明实施例四，此处不再赘述。
采用本发明实施例的图像加密方法、解密方法和装置，具有以下有益效果。第一，加密操作简单，相对JPEG2000压缩算法的复杂操作，加密过程增加的操作可以忽略，不会降低图像处理的实时性。第二，由于位平面编码决定了码流的伸缩性，本发明的方法中加密操作在位平面编码后进行，因此不会影响到码流的伸缩性。第三，由于对系数位和上下文进行了加密，避免了置乱带来的庞加莱回复性，即周期性，且加密强度具有伸缩性，因此安全性好。
以上三点在实验中得到了证实。实验方案：图像使用标准lena灰度图，大小：65K。为了验证该算法的普遍性，分别针对JPEG2000无损压缩和有损压缩进行测试。其中：加密图像指加密的JPEG2000数据经过无解密过程的解码后呈现出的图像。解密图像指加密的JPEG2000数据经过有正确解密过程的解码后的图像。分别设混沌参数：a=3.766，b=3.792，分别设混沌初值x=0.58，y=0.21。分别考虑加密的位平面数n=1和n=最大值，以最大值作为默认值，即对全部位平面加密。
实验过程及结果如下。
JPEG2000无损压缩加密实验：
n=1时，只针对原始图像的最低位平面无损压缩并加密，根据加密后的图片和解密后的图片可见，即使只加密了一个平面也可以完全使得图像无法分辨，从而达到加密效果，这样可以有效缩小运算量，但是安全性相对较低，压缩加密后图像大小：38.1K。
n=最大值时，针对原始图像所有位平面无损压缩并加密，根据加密后的图片和解密后的图片，实验结果显示有效的对图像实现了压缩加密。压缩加密后图像大小：43.3K。
JPEG2000有损压缩加密实验：
n=1，码率bps=0.03时，经过有损压缩后对最低位平面加密，根据加密后的图片和解密后的图片，实验结果显示达到加密效果。压缩加密后图像大小：1.89K。
n=最大值，码率bps=0.03时，针对原始图像所有位平面有损压缩并加密，根据加密后的图片和解密后的图片，实验结果显示有效的对图像实现了压缩加密。压缩加密后图像大小：1.91K。
上述实验结果表明，无论是对于无损压缩还是有损压缩，无论选择部分位平面加密还是全部位平面加密，本文提出的加密方案都能很好的适用于JPEG2000的压缩算法，完成压缩加密同时进行并且效果显著。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (12)
1.一种图像加密方法，其特征在于，包括：
对原始图像进行预处理、小波变换和量化处理；
对量化后的图像进行位平面编码，获得系数位和上下文；
对所述系数位进行加密操作，或，对所述系数位和所述上下文进行加密操作；
对所述加密操作后的系数位和上下文进行熵编码和码流组织，获得加密图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述对所述系数位进行加密操作包括：采用混沌序列对所述系数位进行加密操作；
所述对所述系数位和所述上下文进行加密操作包括：采用不同的混沌序列对所述系数位和所述上下文分别进行加密操作。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
所述采用混沌序列对所述系数位进行加密操作包括：采用第一混沌映射产生第一混沌序列，对所述第一混沌序列进行放大和取整，获得第一随机序列，根据C'n=Cn⊕(Anmod2)对所述系数位进行加密操作，其中，n表示序号，n的最大值为位平面数，Cn表示加密前的第n个系数位，C'n表示加密的第n个系数位，An表示第一随机序列的第n项，⊕表示异或运算，mod表示取模运算；
所述采用不同的混沌序列对所述系数位和所述上下文分别进行加密操作包括：采用第一混沌映射产生第一混沌序列，对所述第一混沌序列进行放大和取整，获得第一随机序列，根据C'n=Cn⊕(Anmod2)对所述系数位进行加密操作，其中，n表示序号，n的最大值为位平面数，Cn表示加密前的第n个系数位，C'n表示加密的第n个系数位，An表示第一随机序列的第n项，⊕表示异或运算，mod表示取模运算；并且，采用第二混沌映射产生第二混沌序列，对所述第二混沌序列进行放大和取整，获得第二随机序列，根据D'n=(Dn+Bn)mod19对所述上下文进行加密，其中，n表示序号，n的最大值为位平面数，Dn表示加密前的第n个上下文，D'n表示加密的第n个上下文，Bn表示第二随机序列的第n项，mod表示取模运算。
4.一种图像加密装置，其特征在于，包括：
预处理单元，用于对原始图像进行预处理；
小波变换单元，用于对预处理后的图像进行小波变换；
量化处理单元，用于对小波变换后的图像进行量化处理；
位平面编码单元，用于对量化后的图像进行位平面编码，获得系数位和上下文；
加密单元，用于对所述系数位进行加密操作，或，用于对所述系数位和所述上下文进行加密操作；
熵编码单元，用于对加密操作后的系数位和加密的上下文进行熵编码；
码流组织单元，用于对熵编码结果进行码流组织，获得加密图像。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，
所述加密单元包括：系数位加密子单元，或，所述加密单元包括：所述系数位加密子单元和上下文加密子单元；
所述系数位加密子单元用于采用混沌序列对所述系数位进行加密操作；
所述上下文加密子单元用于采用混沌序列对所述上下文进行加密操作。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，
所述系数位加密子单元具体用于采用第一混沌映射产生第一混沌序列，对所述第一混沌序列进行放大和取整，获得第一随机序列，根据C'n=Cn⊕(Anmod2)对所述系数位进行加密操作，其中，n表示序号，n的最大值为位平面数，Cn表示加密前的第n个系数位，C'n表示加密的第n个系数位，An表示第一随机序列的第n项，⊕表示异或运算，mod表示取模运算；
所述上下文加密子单元具体用于采用第二混沌映射产生第二混沌序列，对所述第二混沌序列进行放大和取整，获得第二随机序列，根据D'n=(Dn+Bn)mod19对所述上下文进行加密操作，其中，n表示序号，n的最大值为位平面数，Dn表示加密前的第n个上下文，D'n表示加密的第n个上下文，Bn表示第二随机序列的第n项，mod表示取模运算。
7.一种图像解密方法，其特征在于，包括：
对加密图像进行码流分解和熵解码，获得加密操作后的系数位和上下文；
对所述加密操作后的系数位进行解密，或，对所述加密操作后的系数位和上下文进行解密，获得系数位和上下文；
对系数位和上下文进行位平面解码；
对平面解码结果进行反量化处理、小波变换的逆变换和后处理，获得原始图像。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，
所述对所述加密操作后的系数位进行解密包括：采用混沌序列对所述加密操作后的系数位进行解密；
所述对所述加密操作后的系数位和上下文进行解密包括：采用不同的混沌序列对所述加密操作后的系数位和上下文分别进行解密。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，
所述采用混沌序列对所述加密操作后的系数位进行解密包括：采用第一混沌映射产生第一混沌序列，对所述第一混沌序列进行放大和取整，获得第一随机序列，根据Cn=C'n⊕(Anmod2)对所述加密操作后的系数位进行解密，其中，n表示序号，n的最大值为位平面数，C'n表示加密的第n个系数位，Cn表示加密前的第n个系数位，An表示第一随机序列的第n项，⊕表示异或运算，mod表示取模运算；
所述采用不同的混沌序列对所述加密操作后的系数位和上下文分别进行解密包括：采用第一混沌映射产生第一混沌序列，对所述第一混沌序列进行放大和取整，获得第一随机序列，根据Cn=C'n⊕(Anmod2)对所述加密操作后的系数位进行解密，其中，n表示序号，n的最大值为位平面数，C'n表示加密的第n个系数位，Cn表示加密前的第n个系数位，An表示第一随机序列的第n项，⊕表示异或运算，mod表示取模运算；并且，采用第二混沌映射产生第二混沌序列，对所述第二混沌序列进行放大和取整，获得第二随机序列，根据D'n=(Dn+Bn)mod19对加密操作后的上下文进行解密，其中，n表示序号，n的最大值为位平面数，D'n表示加密的第n个上下文，Dn表示加密前的第n个上下文，Bn表示第二随机序列的第n项，mod表示取模运算。
10.一种图像解密装置，其特征在于，包括：
码流分解单元，用于对加密图像进行码流分解；
熵解码单元，用于对进码流分解后的图像行熵解码，获得加密操作后的系数位和上下文；
解密单元，用于对所述加密操作后的系数位进行解密，获得系数位和上下文，或，用于对所述加密操作后的系数位和上下文进行解密，获得系数位和上下文；
位平面解码单元，用于对系数位和上下文进行位平面解码；
反量化单元，用于对平面解码结果进行反量化处理；
小波变换的逆变换单元，用于对反量化结果进行小波变换的逆变换；
后处理单元，用于对小波变换的逆变换结果进行后处理，获得原始图像。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，
所述解密单元包括：系数位解密子单元，或，所述解密单元包括：系数位解密子单元和上下文解密子单元；
所述系数位解密子单元用于采用混沌序列对所述加密操作后的系数位进行解密；
所述上下文解密子单元用于采用混沌序列对加密操作后的上下文进行解密。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，
所述系数位解密子单元具体用于采用第一混沌映射产生第一混沌序列，对所述第一混沌序列进行放大和取整，获得第一随机序列，根据Cn=C'n⊕(Anmod2)对所述加密操作后的系数位进行解密，其中，n表示序号，n的最大值为位平面数，C'n表示加密的第n个系数位，Cn表示加密前的第n个系数位，An表示第一随机序列的第n项，⊕表示异或运算，mod表示取模运算；
所述上下文解密子单元具体用于采用第二混沌映射产生第二混沌序列，对所述第二混沌序列进行放大和取整，获得第二随机序列，根据D'n=(Dn+Bn)mod19对加密操作后的上下文进行解密，其中，n表示序号，n的最大值为位平面数，D'n表示加密的第n个上下文，Dn表示加密前的第n个上下文，Bn表示第二随机序列的第n项，mod表示取模运算。
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