CN105812816A - 一种压缩加密认证联合编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种压缩加密认证联合编码方法，依次包括以下步骤：图像以4×4的块为单位进行AMBTC压缩；将4×4的块AMBTC压缩结果加密；在4×4的块压缩加密结果中嵌入认证信息；提取信息并认证；将可信数据解密；将可信数据解压缩。本发明计算简单，便于实现，压缩、加密、认证三者联合编码，有效减少对计算资源的占用，使用方便，在实时领域以及计算资源有限的移动终端等具有很好的应用前景。

Description

一种压缩加密认证联合编码方法

技术领域

本发明涉及图像信息处理技术，具体涉及一种压缩加密认证联合编码方法。

背景技术

随着数字化、信息化发展，图片作为一种常见的信息交流媒介，发挥着不可替代的作用。图像中包含着丰富的信息，有的甚至涉及个人隐私、商业机密等敏感信息，某些图像被篡改或泄密会带来严重的影响。此外，随着近几年移动设备性能的提升与网络的普及，通讯对即时性的要求越来越高，而原始图像包含的数据量较大、图像本身存在冗余，从而图像庞大的数据量与即时通讯之间构成矛盾。图像一方面面临着被篡改、被窃取的威胁，另一方面又有着存在大量冗余的缺点，因此，现在亟须能使图像在即时系统中安全、快速传输的方法。

BTC(blocktruncationcoding)是DelpandMitchell于1979年提出的有损图像压缩编码，具有速度快、资源占用率低的特点。1984年，AMBTC(absolutemomentblocktruncationcoding)被提出，AMBTC进一步提高了计算速度，同时减小了压缩失真率，在当前的即时传输领域颇受重视。AMBTC把原始图像分成一定的大小的块，计算每块像素的均值，用二进制位图B标记像素块，像素块中大于等于均值的像素用1标记，计算其均值为高均值h；否则用0标记，计算其均值为低均值l。每个像素块压缩编码后为三元组(l,h,B)。

图像压缩是即时传输的基本保证，而出于传输过程中安全角度的考虑，压缩的图像需要加密处理。压缩与加密有四种关系：先压缩后加密、先加密后压缩、压缩中嵌入加密、加密中嵌入压缩。先压缩后加密是一种较传统、常见的方法；先加密后压缩需要采用轻度加密；压缩和加密互相嵌入比起单独压缩或加密更加迅速、节省资源，现在已有不少关于压缩中嵌入加密的研究，而加密中嵌入压缩实现难度很大。

对于压缩中嵌入加密的方法，它只能保护数据的安全，防止图像信息被泄露，却无法解决图像传输过程中被篡改的情况。为应对图像非法篡改，有一些基于脆弱水印的认证方法被提出。其主要思想是：将水印信息嵌入图像中，在认证时从图像中提取水印信息并与原水印信息比较，检测被篡改的区域。在1997年，Lin等人提出了能够抵抗JPEG图像有损压缩的脆弱水印图像认证方法；2011年Chuang等人提出了VQ(vectorquantization)压缩图像自适应认证方法，可以自适应地确定认证信息长度以及每个图像块中嵌入认证信息的像素数；2013年，Hu等人提出了基于BTC压缩的图像认证方法，由每个图像块的量化电平产生1比特认证信息，认证信息的多个副本通过块置换嵌入位图中；2014年，Wu等人将认证信息嵌入位图，位图被分成相同大小的子块，每个子块嵌入1比特认证信息；同年，Lo等人提出了基于直方图漂移的可逆图像认证方法，若图像未被篡改，在认证之后还能无损恢复图像。

现存的方法中，压缩和加密的联合编码保护压缩数据传输过程中的安全性，但无法检测图像传输过程中是否被篡改；压缩与认证的联合编码可以检测图像是否被篡改，定位被篡改的位置，但无法保护数据传输中的安全性。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种压缩加密认证联合编码方法，本发明用AMBTC压缩图像块，压缩后，将位图用混沌序列置乱，并把高低均值和置乱的位图与伪随机数按位异或加密，将认证信息嵌入到密文域，且不影响AMBTC压缩效果。

技术方案：本发明的一种压缩加密认证联合编码方法，依次包括编码和解码两个步骤；

所述编码的具体过程为：

(1)将给定大小为H×W的待处理图像I，以不重叠的4×4的块为单位进行AMBTC压缩，共可以分为块，每个图像块压缩后可获得高均值h，低均值l，位图B，第i个块的高均值、低均值及位图表示为三元组

(2)将4×4的块AMBTC压缩结果加密：先将位图B_i置乱并转化为两个十进制数，再用3个随机数与高低均值以及两个十进制数按位异或加密得到四元组

(3)在步骤(2)所得加密结果中嵌入认证信息，得到四元组

所述解码的具体过程为：

(4)提取信息并认证：

取1比特收发双方约定的认证信息d_i，从含认证信息的四元组中提取1比特信息d_i′并认证；

(5)将可信数据解密；

(6)将可信数据解压缩：

对于三元组(l_i,h_i,B_i)，位图B_i中值为1的位置用h_i代替，值为0的位置用l_i代替，最终可获得解压缩后的图像块。

进一步的，所述步骤(2)的具体方法为：

(2.1)用密钥产生混沌序列θ_i＝{θ_i ¹,…,θ_i ¹⁶}，将位图置乱为τ是{1,…,16}→{1,…16}双射函数，使得θ_i ^τ(1)<θ_i ^τ(2)<…<θ_i ^τ(16)；

为获得混沌序列，可采用迭代的方式，定义混沌序列产生的函数为：

$f_1=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&alpha;}}_1,& ifi=1\\ {\mathrm{\&beta;}}_1\&CenterDot;f_{i-1}\&CenterDot;(1-f_{i-1})& ifi>1\end{array}\right.$

其中，α₁∈[0,1]控制初始条件，β₁∈[0,4]为逻辑参数，f₁∈[0,1]，这里参数(α₁,β₁)可以作为密钥；

(2.2)将B_i′每8比特转化为一个十进制数，进而三元组(l_i,h_i,B′_i)转化成了四元组(l_i,h_i,B_i ¹,B_i ²)；

(2.3)用密钥产生3个伪随机数(a_i,b_i,c_i)，其中a_i与l_i,h_i按位异或加密后获得l′_i,h′_i，b_i,c_i分别与B_i ¹,B_i ²按位异或加密后获得此时获得四元组

为获得随机数，可采用迭代的方式获得，定义随机数产生函数为：

X_n+1＝(α₂X_n+β₂)modm

其中，m>0，0<α₂<m，0≤β₂<m，0≤X₀<m，X₀是初始值，这里,参数(α₂,β₂,m,X₀)可以作为密钥。

进一步的，所述步骤(3)的具体方法为，取1比特认证信息d_i，嵌入四元组中，具体嵌入方法如下：

(3.4)当l_i′＝h_i′，若认证信息d_i为1，则将都改为255；否则，则将都改为0；

(3.5)当l_i′>h_i′，若认证信息d_i为1，则不需做任何修改；否则，交换l_i′,h_i′的值；

(3.6)当l_i′<h_i′，若认证信息d_i为1，则交换l_i′,h_i′的值；否则，不需做任何修改；

最终，已经压缩、加密、嵌入认证信息的四元组为其中x_i,y_i分别为l_i′,h_i′或h_i′,l_i′。

进一步的，所述步骤(4)中提取信息的方法如下：

(4.4)当x_i＝y_i，若则提取的数据d′_i＝1；若则提取的数据d′_i＝0；否则该四元组对应的d′_i不存在；

(4.5)当x_i>y_i，提取的数据d′_i＝1；

(4.6)当x_i<y_i，提取的数据d′_i＝0；

若提取的d′_i存在且d′_i＝d_i，本四元组未被篡改，可信；否则，本四元组已被篡改，不可信。

进一步的，所述步骤(5)的方法为，对可信四元组进行解密，具体解密步骤如下：

(5.5)用加密时用的密钥产生三个伪随机数(a_i,b_i,c_i)，用a_i与x_i,y_i按

位异或解密为x′_i,y′_i，用b_i,c_i分别与按位异或解密为B_i ¹,B_i ²；

(5.6)令h_i＝max(x′_i,y′_i)，l_i＝min(x′_i,y′_i)；

(5.7)将B_i ¹,B_i ²转化为二进制位图B′_i，进而获得三元组(l_i,h_i,B′_i)；

(5.8)用加密时用的密钥产生混沌序列θ_i＝{θ_i ¹,…,θ_i ¹⁶}，存在τ是一个{1,…,16}→{1,…16}双射函数使得θ_i ^τ(1)<θ_i ^τ(2)<…<θ_i ^τ(16)，将已加密的位图解密为

进一步的，所述步骤(2)中，图像I被分为不重叠的4×4的块后，用密钥生成一个长度与图像块数量相同的混沌序列ξ(令 ξ的长度为)，该混沌序列ξ中的ξ(i)又作为第i个图像块置乱的密钥(令α₁＝ξ(i)，)，生成第i个图像块位图置乱所需的混沌序列θ_i；用密钥生成一个长度与图像块数量相同的随机数序列η(令η的长度为)，该随机数序列η中η(i)又作为第i个图像块异或加密的密钥(令X₀＝η(i))，生成第i个图像块异或加密所需的随机数(a_i,b_i,c_i)。解码过程类似。因此整个编码、解码过程只需要一份密钥(KEY¹,KEY²)即可。

进一步的，所述步骤(3)中，将压缩加密嵌入认证信息后的四元组以2×2图像块的形式发送给接收方。

有益效果：本发明将图像块用AMBTC压缩编码，采用一次一密将位图置乱加密、用流密码将高低均值和加密后的位图异或加密，并把认证信息嵌入加密后的数据中，可以防止图像在传输过程中泄密、被篡改。与此同时，本发明认证信息嵌入过程是可逆的，并不降低AMBTC的压缩效果。

总体来说，本发明计算简单，便于实现，压缩、加密、认证三者联合编码，有效减少对计算资源的占用，使用方便，在实时领域以及计算资源有限的移动终端等具有很好的应用前景。

附图说明

图1为本发明中编码、解码的流程图；

图2为实施例中编码后的图像；

图3为实施例中编码后直接解压缩的图像；

图4为实施例中正确解码后的图像；

图5为实施例中认证效果；

图6为实施例的各个步骤的示意图：

其中，图2(a)、3(a)、4(a)为Lena，图2(b)、3(b)、4(b)为Baboon,图2(c)、3(c)、4(c)为Splash；图5(a)为Lena编码后被篡改的图像，图5(b)为图5(a)对应的认证结果。图6(a)为实施例的4×4的灰度图像；图6(b)为实施例的AMBTC压缩编码示意图；图6(c)为位图置乱后结果；图6(d)为异或加密、认证信息嵌入完成后最终编码结果。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

本发明的一种压缩加密认证联合编码方法，依次包括以下步骤：图像以4×4的块为单位进行AMBTC压缩；将4×4的块AMBTC压缩结果加密；在4×4的块压缩加密结果中嵌入认证信息；提取信息并认证；将可信数据解密；将可信数据解压缩。

实施例1：

如图1所示，本实施例的具体步骤如下：

编码嵌入：

对于如图6(a)所示的一个4×4的图像块进行AMBTC压缩编码，结果如图6(b)所示，得到三元组(158，161，B)。

加密三元组(158，161，B)的具体步骤如下：

置乱位图B，设密钥(α₁＝0.78,β₁＝3.59)，产生混沌序列为(0.7800，0.6160，0.8492，0.4598，0.8917，0.3467，0.8131，0.5456，0.8900，0.3514，0.8182，0.5341，0.8933，0.3421，0.8080，0.5570)，位图置乱后如图6(c)所示，按照从低到高的顺序，将B′每8比特转化成一个十进制数字，转化后可获得四元组(158，161，44，113)。

设有密钥(α₂＝7⁵,β₂＝0,m＝2³¹-1,X₀＝102)，产生3个伪随机数，模256以后为(102，138，19)，其中第一个伪随机数102与高低均值(158，161)按位异或加密为(248，199)，第二、三个伪随机数(138，19)与位图(44，113)分别按位异或加密为(166，98)，此时获得加密后的四元组(248，199，166，98)，即压缩加密后的图像块。

嵌入1比特认证信息的具体步骤如下：

假设将0嵌入加密的四元组(248，199，166，98)。此时199<248，需交换199和248的位置，得到(199，248，166，98)，完成嵌入，该四元组组成一个2×2的图像块，如图6(d)所示，。

解码：

提取认证信息：

首先接收方有收发双方预先约定的认证信息，这里为0，对于收到的加密四元组(199，248，166，98)，199<248，可提取1比特数据为0，恰与预先约定的认证信息相同，则该四元组未被篡改，可进一步解密。

解密：

由密钥(α₂＝7⁵,β₂＝0,m＝2³¹-1,X₀＝102)，生成伪随机数，模256后为(102，138，19)，其中102与高低均值(199，248)按位异或解密为(161，158)，(138，19)与位图(166，98)分别按位异或解密为(44，113)，然后(44，113)分别转化为8位二进制数，可获得图6(c)的三元组(158，161，B′)。由密钥(α₁＝0.78,β₁＝3.59)产生混沌序列，逆置乱，获得完整的位图6(b)。最后，用高均值代替位图中值为1的部分，用低均值代替位图中值为0的部分，解压缩完成。

为检测本实施例的效果，从加密效果、认证效果、图像质量三方面进行实验和分析。

以512×512像素的常用标准测试图像为例，使用密钥(α₁＝0.78,β₁＝3.59)，(α₂＝7⁵,β₂＝0,m＝2³¹-1,X₀＝102)，将二值图像安徽大学校徽异或加密后嵌入压缩加密后的图像。不同图像压缩、加密、嵌入认证信息后的效果如图2所示。

若没有密钥，直接解压缩，效果如图3所示。

若有密钥可提取认证信息并解密，效果如图4所示。

经本发明压缩加密后，原图像不可见，且本发明使用一次一密，有很高的安全性。

为进一步说明本发明嵌入认证信息后并不影响图像压缩效果，表1中列出了标准测试图像解密、解压后与原图间的峰值信噪比PSNR。峰值信噪比是伪装图像视觉质量的评价指标，当两幅灰度图像间的峰值信噪比大于30dB时人眼分辨不出二者的区别。

表1标准测试图像解码后图像质量

为验证本发明的认证效果，本实施例以Lena为例，篡改本发明编码后的图像并认证。将本发明编码后的图像四角改为黑色，中心改为白色，如图5(a)所示，从该图像中提取认证信息进行认证，将不可信的块表示为黑色，可信的块表示为白色，认证结果如图5(b)所示。由此表明，本发明可以对篡改进行认证，并可以定位篡改位置。

此外，为进一步提高认证的精确度以及加密的安全性，还可将认证信息加密、对认证结果继续进行优化处理、将图像块置乱后再编码。

Claims (7)

1.一种压缩加密认证联合编码方法，其特征在于：依次包括编码和解码两个步骤；

所述编码的具体过程为：

(1)将给定大小为H×W的待处理图像I，以不重叠的4×4的块为单位进行AMBTC压缩，共可以分为块，每个图像块压缩后可获得高均值h、低均值l和位图B，第i个块的高均值、低均值及位图表示为三元组

(2)将4×4的块AMBTC压缩结果加密：先将位图B_i置乱并转化为两个十进制数，再用3个随机数与高均值、低均值以及两个十进制数按位异或加密得到四元组

(3)在步骤(2)所得加密结果中嵌入认证信息，得到四元组

所述解码的具体过程为：

(4)提取信息并认证：

取1比特收发双方约定的认证信息d_i，从含认证信息的四元组中提取1比特信息d_i′并认证；

(5)将可信数据解密；

(6)将可信数据解压缩：

对于三元组(l_i,h_i,B_i)，位图B_i中值为1的位置用h_i代替，值为0的位置用l_i代替，最终可获得解压缩后的图像块。

2.根据权利要求1所述的压缩加密认证联合编码方法，其特征在于：所述步骤(2)的具体方法为：

(2.1)用密钥产生混沌序列将位图置乱为τ是{1,…,16}→{1,…16}双射函数，使得

(2.2)将B′_i每8比特转化为一个十进制数，进而三元组(l_i,h_i,B′_i)转化成了四元组

(2.3)用密钥产生3个伪随机数(a_i,b_i,c_i)，其中a_i与l_i,h_i按位异或加密后获得l′_i,h′_i，b_i,c_i分别与按位异或加密后获得此时获得四元组

3.根据权利要求1所述的压缩加密认证联合编码方法，其特征在于：所述步骤(3)的具体方法为，取1比特认证信息d_i，嵌入四元组中，具体嵌入方法如下：

(3.1)当l′_i＝h′_i，若认证信息d_i为1，则将都改为255；否则，则将都改为0；

(3.2)当l′_i>h′_i，若认证信息d_i为1，则不需做任何修改；否则，交换l′_i,h′_i的值；

(3.3)当l′_i<h′_i，若认证信息d_i为1，则交换l′_i,h′_i的值；否则，不需做任何修改；

最终，经过压缩、加密和嵌入认证信息的四元组为其中x_i,y_i分别为l′_i,h′_i或h′_i,l′_i。

4.根据权利要求1所述的压缩加密认证联合编码方法，其特征在于：所述步骤(4)中提取信息的方法如下：

(4.1)当x_i＝y_i，若则提取的数据d′_i＝1；若则提取的数据d′_i＝0；否则该四元组对应的d′_i不存在；

(4.2)当x_i>y_i，提取的数据d′_i＝1；

(4.3)当x_i<y_i，提取的数据d′_i＝0；

若提取的d′_i存在且d′_i＝d_i，本四元组未被篡改，可信；否则，本四元组已被篡改，不可信。

5.根据权利要求1所述的压缩加密认证联合编码方法，其特征在于：所述步骤(5)的方法为，对可信四元组进行解密，具体解密步骤如下：

(5.1)用加密时用的密钥产生三个伪随机数(a_i,b_i,c_i)，用a_i与x_i,y_i按位异或解密为x′_i,y′_i，用b_i,c_i分别与按位异或解密为

(5.2)令h_i＝max(x′_i,y′_i)，l_i＝min(x′_i,y′_i)；

(5.3)将转化为二进制位图B′_i，进而获得三元组(l_i,h_i,B′_i)；

(5.4)用加密时用的密钥产生混沌序列存在τ是一个{1,…,16}→{1,…16}双射函数使得将已加密的位图解密为

6.根据权利要求2所述的压缩加密认证联合编码方法，其特征在于：所述步骤(2)中，图像I被分为不重叠的4×4的块后，用密钥KEY¹生成一个长度与图像块数量相同的混沌序列ξ，ξ的长度为该混沌序列ξ中的ξ(i)又作为第i个图像块置乱的密钥，生成第i个图像块位图置乱所需的混沌序列θ_i；用密钥KEY²生成一个长度与图像块数量相同的随机数序列η，η的长度为该随机数序列η中η(i)又作为第i个图像块异或加密的密钥，生成第i个图像块异或加密所需的随机数(a_i,b_i,c_i)，解码过程类似，整个编码、解码过程只需要一份密钥(KEY¹,KEY²)即可。

7.根据权利要求1所述的压缩加密认证联合编码方法，其特征在于：所述步骤(3)中，将压缩加密嵌入认证信息后的四元组以2×2图像块的形式发送给接收方。