CN105553618B - 基于喷泉码和自适应资源分配的图像安全传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于喷泉码和自适应资源分配的图像安全传输方法。本发明的目的是在考虑时延约束的条件下，重点保障医学图像中感兴趣区域的安全性。首先，对图像进行区域分割，提取出感兴趣区域(ROI)和背景区域(BG)，得到ROI和BG两类原始数据包。其次，按照合法链路的信道质量和两类数据包的接收状态标识，选择待传输的数据包类型。然后，根据合法链路的信道质量进行自适应的资源分配，使得合法接收端具有更高的数据包正确接收速率。最后，对待传的原始数据包进行RS喷泉编码。为了弥补BG包在信道较差时传输带来的较高时延，在信道质量特别好时，采用叠加编码的方式同时传输两类包。经仿真验证，本发明可以很好地实现对图像中感兴趣区域的重点保护。

Description

基于喷泉码和自适应资源分配的图像安全传输方法

技术领域：

本发明涉及一种在无线多媒体图像传输系统中保障图像安全性的机制，特别涉及一种基于喷泉码和自适应资源分配的图像安全传输方法，其利用喷泉码技术和自适应资源分配降低图像无线传输过程中的安全违反概率以及传输时延，实现对图像中的感兴趣区域的重点保护。

背景技术：

随着无线通信的飞速发展，静态多媒体图像的无线传输也变得越来越频繁。但是由于无线环境本身具有的开放性，图像传输也面临着严峻的安全性问题。传统的无线图像传输中使用基于密钥的加密技术和数字水印技术来保障安全性，加密技术的核心是不断提高解密的复杂度，但是计算机的性能在急剧提高，这种使用加密技术的安全性也受到极大挑战。而且，密钥分配和交换的安全性也难以保证。数字水印是图像安全传输中最常用的技术之一，它通过将私密消息作为水印植入到图像等多媒体数据中。然而，加密和数字水印都是在网络协议栈的上层采用的方法。

近年来，一种利用无线信道衰落特性来实现安全性传输的物理层安全为无线安全传输开辟了一个新的方向。目前，针对物理层安全的研究工作主要集中在私密容量上，并通过施加人工噪声、协作中继和波束成形等方法以期提高私密容量。然而，私密容量指的是窃听者不能正确解码任何消息时最大的数据速率。在实际图像传输中，往往不需要达到这种完全的私密传输，因为如果发送的数据包之间具有相关性，则收端需要收到一定数量的数据包才可以完全恢复原始图像。

医学图像往往由感兴趣区域(ROI)和背景区域(BG)两部分组成，与背景区域相比，感兴趣区域包含重要的诊断信息，因此这部分数据具有更高的安全性要求。

发明内容：

本发明的目的是在考虑时延约束的条件下，保障医学图像(尤其是图像中感兴趣区域)在无线传输中的安全性，提供了一种基于喷泉码和自适应资源分配的图像安全传输方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现的：

基于喷泉码和自适应资源分配的图像安全传输方法，该方法采用的通信系统模型包括：发送端Alice、合法接收端Bob以及窃听端Eve，其中发送端Alice在给定时延约束T下，将一幅图像安全地传给合法接收端Bob，且优先保证图像感兴趣区域的安全性。

本发明进一步的改进在于，具体步骤如下：

1)将图像进行区域分割，提取出感兴趣区域和背景区域，得到K_roi个感兴趣区域原始包和K_bg个背景区域原始包；

2)发送端Alice根据合法接收端Bob反馈的信息，即合法链路的信道状态信息以及两类包接收状态标识，决定待传的数据包类型，其中，两类包接收状态标识分别为flag_roi和flag_bg；

3)发送端Alice根据合法接收端Bob反馈的信道状态信息进行自适应的资源分配，决定发送功率和采用的调制方式；

4)对待传类型的感兴趣区域原始包或背景区域原始包进行喷泉编码得到编码包；

5)对步骤4)中所得的编码包进行调制，之后通过无线信道传输，在接收端被合法接收端Bob和窃听端Eve接收，在进行下一次传输之前，合法接收端Bob向发送端Alice反馈此次接收完成时的信道状态信息以及两类编码包接收状态标识；

6)重复步骤1)至5)，根据时延约束T和合法接收端Bob反馈的两类包接收状态标识信息判断是否终止传输，传输终止的条件是传输次数达到时延约束T或者在给定时延约束T内，合法接收端Bob正确接收到足够多的两类编码包，能够恢复原始图像，其中，时延约束T表示的是允许传输数据包的最大次数。

本发明进一步的改进在于，步骤2)的具体实现方法如下：

设定如下四个门限值γ₀，γ₁，γ₂和γ₃，当前第n个时隙合法接收端Bob反馈回来的信道状态信息记作γ[n]；感兴趣区域编码包接收状态标识flag_roi取值为0或1，1表示合法接收端Bob没有收到足够多的感兴趣区域编码包，0表示合法接收端Bob已经收到足够多的感兴趣区域编码包，背景区域编码包接收状态标识flag_bg取值及含义同flag_roi；

在选择待传输的数据包类型时，采用如下的方法：

若γ₀≤γ[n]＜γ₁且flag_bg不等于0，待发送的数据包为背景区域包；

若γ₁≤γ[n]＜γ₃且flag_roi不等于0，待发送的数据包为感兴趣区域包；

若γ[n]≥γ₃且flag_roi和flag_bg都不等于0，以叠加编码的方式同时传输感兴趣区域和背景区域两类包，否则只传输不等于0的接收状态标识对应的那类包；

其中，上述γ₀，γ₁，γ₂和γ₃同五区域的可变功率和速率离散MQAM中相应的边界值。

本发明进一步的改进在于，步骤3)的具体实现如下：设定平均发送功率为在五区域的可变功率和速率的离散MQAM基础上制定了如下的资源分配方法：

若γ[n]＜γ₀，不发送数据包；

若γ₀≤γ[n]＜γ₁，以BPSK调制方式发送编码包，发送功率为

若γ₁≤γ[n]＜γ₂，以QPSK调制方式发送编码包，发送功率为

若γ₂≤γ[n]＜γ₃，以16QAM调制方式发送编码包，发送功率为

若γ[n]≥γ₃，以叠加编码调制方式发送编码包，总发送功率为按照功率分配因子α将总发送功率分配给待传编码包，发送感兴趣区域编码包和背景区域编码包所用的功率占总发送功率的比值分别为α和1-α；

其中，为平均功率，K＝-1.5/ln(5/P_b)，P_b为指定的误比特率。

本发明进一步的改进在于，采用叠加编码传输时，步骤5)中α具体实现方法如下：

当只传输感兴趣区域编码包时，α取值为1；

当只传输背景区域编码包时，α取值为0；

当同时传输感兴趣区域和背景区域两类编码包时，为了保证合法接收端Bob对感兴趣区域编码包的接收性能，预留出满足只传输感兴趣区域编码包时所能获得的最高接收信噪比所需的功率，剩余的功率用于传输背景区域编码包，此时，α取值为5/21。

本发明进一步的改进在于，步骤4)的喷泉编码编码具体实现方法如下：

4-1)将感兴趣区域原始数据和背景区域原始数据分别排列成L×K_roi和L×K_bg的二维矩阵，其中L为每个包包含的符号数；

4-2)对矩阵的每行进行RS喷泉编码，两类喷泉编码的编码参数分别是(N_c,K_roi)和(N_c,K_bg)；

4-3)对两类数据进行RS喷泉编码之后都得到一个L×N_c的二维矩阵，表示共有N_c个喷泉编码包。

相对于现有技术，本发明具有如下的优点：

1、对图像进行区域分割可以实现对不同区域的不等安全保护，能够在很大程度上节省传输资源。

2、利用喷泉编码传输时，只要在传输过程中合法接收端Bob先于窃听端Eve正确收到足够多的编码包就可以实现安全传输，与传统的加密方法相比复杂度更低。

3、在信道质量非常好时，利用叠加编码的方式同时传输两类包，能够有效地提高传输效率，降低传输时延。

附图说明：

图1是本发明所涉及的医学图像传输系统模型图；

图2是本发明中合法接收端Bob和窃听端Eve收到图片的实际效果图，其中，图2(a)为窃听端Eve收到图片的实际效果图，图2(b)为合法接收端Bob收到图片的实际效果图；

图3是本发明在不同时延约束下对应的安全违反概率曲线。

具体实施方式：

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

参考图1，本发明基于喷泉码和自适应资源分配的图像安全传输方法，该方法采用的通信系统模型包括：发送端Alice、合法接收端Bob以及窃听端Eve。发送端Alice期望将一幅医学图像安全地发送给Bob，但是窃听端Eve也在试图窃听该图像。此网络中的信道服从瑞利衰落，记发送端Alice和合法接收端Bob间的信道系数为h_AB，发送端Alice和窃听端Eve间的信道系数为h_AE,两信道的功率增益分别记为λ_AB和λ_AE。在本发明中，窃听端Eve是被动窃听端，不向发送端Alice发送任何消息，合法接收端Bob需要向发送端Alice反馈信道的CSI记作γ[n]以及待接收的编码包数flag_roi和flag_bg。之后Alice发送数据包给合法接收端Bob的过程如下：

1)判断发送次数N_t是否达到时延约束T，如果达到时延约束，则终止传输，否则，进入步骤2)；

2)根据合法接收端Bob反馈回来的γ[n]，判断是否发送数据包，若γ[n]＜γ₀，则不传输，等待下一时隙，返回步骤1)；否则，按照本发明所提出的自适应资源分配方法确定发送功率以及使用的调制方式，进入步骤3)；

3)根据合法接收端Bob反馈回来的ROI编码包接收状态标识flag_roi和BG编码包接收状态标识flag_bg判断两类包中是否有需要终止传输的，如果有，则根据传输该包所需的条件，只传余下待传的那类数据包；否则，按照本发明所提的包类型选择待传包类型。进入步骤4)；

4)对待传输的数据包进行RS喷泉编码，进行相应的调制，经过信道发送出去，被合法接收端Bob和窃听端Eve接收，进入步骤5)；

5)重复步骤1)至4)，直至两类包接收状态标识都为0(表示两类包全部接收完成)，终止传输。

实施例：

本实施例中选择了分辨率为352×512的人脑核磁共振图像作为待传的私密图像，每个像素点用8位二进制表示，原始图像被分成了191个ROI原始包和35个BG原始包，每个包都包含410个符号。考虑在不同时延约束下，仿真验证了本发明的有效性。图2是在给定时延约束T＝210下，利用本发明的方法传输时，合法接收端Bob(图右)和窃听端Eve(图左)实际收到的图像，其中的白点是因为本发明将缺失的数据包对应的像素点的认为的置成了255。从图2可以看到，合法接收端Bob收到的图像的效果明显比窃听端Eve要好。图3是在不同时延约束下的安全违反概率，安全违反概率指的是在传输过程中，窃听端Eve先于窃听端收到足够多的编码包的概率。仿真中设置的合法链路的信道功率增益λ_AB为1，图3中显示了窃听链路的信道功率增益λ_AE取4,5和8时的窃听违反概率，即窃听链路的信道质量优于合法链路的信道质量，理论上说，此时窃听端更容易窃取到图像数据。但是，从图3可以看到，即使在时延约束T取210，λ_AE取8时，安全违反概率依旧可以达到接近10^-4，且λ_AE越小，安全违反概率也会急剧下降。以上仿真实验说明，本发明保障安全性的效果是明显的。

至此，本发明方法的安全性的优势得以体现，其技术方案和仿真结果都可以验证本发明在保障多媒体图像无线通信安全保密性方面的有效作用。

Claims (5)

1.基于喷泉码和自适应资源分配的图像安全传输方法，其特征在于，该方法采用的通信系统模型包括：发送端Alice、合法接收端Bob以及窃听端Eve，其中发送端Alice在给定时延约束T下，将一幅图像安全地传给合法接收端Bob，且优先保证图像感兴趣区域的安全性，具体步骤如下：

1)将图像进行区域分割，提取出感兴趣区域和背景区域，得到K_roi个感兴趣区域原始包和K_bg个背景区域原始包；

2)发送端Alice根据合法接收端Bob反馈的信息，即合法链路的信道状态信息以及两类包接收状态标识，决定待传的数据包类型，其中，两类包接收状态标识分别为flag_roi和flag_bg；

3)发送端Alice根据合法接收端Bob反馈的信道状态信息进行自适应的资源分配，决定发送功率和采用的调制方式；

4)对待传类型的感兴趣区域原始包或背景区域原始包进行喷泉编码得到编码包；

5)对步骤4)中所得的编码包进行调制，之后通过无线信道传输，在接收端被合法接收端Bob和窃听端Eve接收，在进行下一次传输之前，合法接收端Bob向发送端Alice反馈此次接收完成时的信道状态信息以及两类编码包接收状态标识；

6)重复步骤1)至5)，根据时延约束T和合法接收端Bob反馈的两类包接收状态标识信息判断是否终止传输，传输终止的条件是传输次数达到时延约束T或者在给定时延约束T内，合法接收端Bob正确接收到能够恢复原始图像个感兴趣区域编码包和背景区域编码包，其中，时延约束T表示的是允许传输数据包的最大次数。

2.根据权利要求1所述的基于喷泉码和自适应资源分配的图像安全传输方法，其特征在于，步骤2)的具体实现方法如下：

设定如下四个门限值γ₀，γ₁，γ₂和γ₃，当前第n个时隙合法接收端Bob反馈回来的信道状态信息记作γ[n]；感兴趣区域编码包接收状态标识flag_roi取值为0或1，1表示合法接收端Bob没有收到能够恢复原始图像个感兴趣区域编码包，0表示合法接收端Bob已经收到能够恢复原始图像个感兴趣区域编码包，背景区域编码包接收状态标识flag_bg取值及含义同flag_roi；

在选择待传输的数据包类型时，采用如下的方法：

若γ₀≤γ[n]＜γ₁且flag_bg不等于0，待发送的数据包为背景区域编码包；

若γ₁≤γ[n]＜γ₃且flag_roi不等于0，待发送的数据包为感兴趣区域编码包；

若γ[n]≥γ₃且flag_roi和flag_bg都不等于0，以叠加编码的方式同时传输感兴趣区域编码包和背景区域编码包两类包，否则只传输不等于0的接收状态标识对应的那类编码包；

其中，上述γ₀，γ₁，γ₂和γ₃同五区域的可变功率和速率离散MQAM中相应的边界值。

3.根据权利要求2所述的基于喷泉码和自适应资源分配的图像安全传输方法，其特征在于，步骤3)的具体实现如下：设定平均发送功率为在五区域的可变功率和速率的离散MQAM基础上制定了如下的资源分配方法：

若γ[n]＜γ₀，不发送数据包；

若γ₀≤γ[n]＜γ₁，以BPSK调制方式发送编码包，发送功率为

若γ₁≤γ[n]＜γ₂，以QPSK调制方式发送编码包，发送功率为

若γ₂≤γ[n]＜γ₃，以16QAM调制方式发送编码包，发送功率为

若γ[n]≥γ3，以叠加编码调制方式发送编码包，总发送功率为按照功率分配因子α将总发送功率分配给待传编码包，发送感兴趣区域编码包和背景区域编码包所用的功率占总发送功率的比值分别为α和1-α；

其中，为平均功率，K＝-1.5/ln(5*P_b)，P_b为指定的误比特率。

4.根据权利要求3所述的基于喷泉码和自适应资源分配的图像安全传输方法，其特征在于，采用叠加编码传输时，步骤3)中α具体实现方法如下：

当只传输感兴趣区域编码包时，α取值为1；

当只传输背景区域编码包时，α取值为0；

当同时传输感兴趣区域和背景区域两类编码包时，为了保证合法接收端Bob对感兴趣区域编码包的接收性能，预留出满足只传输感兴趣区域编码包时所能获得的最高接收信噪比所需的功率，剩余的功率用于传输背景区域编码包，此时，α取值为5/21。

5.根据权利要求1所述的基于喷泉码和自适应资源分配的图像安全传输方法，其特征在于，步骤4)的喷泉编码编码具体实现方法如下：

4-1)将感兴趣区域原始数据和背景区域原始数据分别排列成L×K_roi和L×K_bg的二维矩阵，其中L为每个包包含的符号数；

4-2)对矩阵的每行进行RS喷泉编码，两类喷泉编码的编码参数分别是(N_c，K_roi)和(N_c，K_bg)；

4-3)对两类数据进行RS喷泉编码之后都得到一个L×N_c的二维矩阵，表示共有N_c个喷泉编码包。