CN105975866A - 基于同类系数置乱的jpeg图像加密方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于同类系数置乱的JPEG图像加密方法，首先读入JPEG图像文件，获得哈夫曼编码表和经JPEG编码压缩后的图像数据，解码获取所有非零量化DCT系数数值和位置，并进行分类；选定密码，利用该密码进行混沌迭代生成混沌序列，利用混沌序列置乱每个类别的非零系数和8×8区块；将置乱后的量化DCT系数矩阵进行熵编码，将编码后的数据写入JPEG图像文件，完成基于同类系数置乱的JPEG图像加密，本发明通过混沌序列对不同类别的量化DCT系数进行置乱处理，直接用同一种加密方案处理量化后的DC系数和非零AC系数，能兼顾安全性和高效性，而且本发明加密图像与明文图像文件大小相似，压缩率高。

Description

基于同类系数置乱的JPEG图像加密方法

【技术领域】

本发明属于图像处理技术领域，涉及一种基于同类系数置乱的JPEG图像加密方法。

【背景技术】

随着硬件技术的发展，图像采集设备越来越普及，现阶段绝大多图像采集设备将获取到的图像数据保存为JPEG格式，这些图像通过公共网络发布和交流时，对隐私内容的加密需求也与日俱增。图像加密通过算法隐藏视觉信息，保护数据安全。传统图像加密方法偏重内容和细节的隐藏，不考虑图像数据的存储格式和加密后密文图像的压缩率。对JPEG图像采用传统加密方法获得的密文图像，由于像素值分布均匀、细节混乱，其压缩率比起明文图像大为降低，为图像存储和传输带来不必要的损耗。JPEG图像加密分析JPEG压缩标准对静态图像的压缩过程，寻求合适的加密方法，维持加密前后图像文件的压缩率，目前主要的做法有：

如Zhang,Dinghui,and Fengdeng Zhang.“Chaotic encryption and decryption of JPEG image”.Optik-International Journal for Light and Electron Optics 125.2,pp.717-720,2014.其中是置乱8×8分块：不改变分块内部的系数，将8×8分块作为单元，置乱这些单元。但是置乱8×8分块，不处理分块内部的参数，攻击者通过差分攻击方式，能够找出置乱规律，密钥空间小，难以对抗暴力攻击，其安全性较差。

JPEG图像编码中的量化DCT系数分为直流系数和交流系数两种，两种系数的重要性也有所区别：直流系数(DC)包含了每个8×8分块的直流信息，是人眼最敏感的部分；交流系数(AC)，特别是高频的AC系数，人类视觉对其并不敏感。因此传统方法往往对两种系数采用不同的加密方案：对直流系数的加密采取较复杂、安全性能比较高的方法；对交流系数的加密采取较简单、执行速度快的方法。采用这种方法来兼顾安全性和高效性。例如在SimYing Ong,KokSheik Wong,Xiaojun Qi,Kiyoshi Tanaka,“Beyond format-compliant encryption for JPEGimage”,Signal Processing:Image Communication,Volume 31,February,Pages 47-60,2015.分别加密量化直流和非零交流系数：对量化直流系数和量化非零交流系数用不同的方法加密处理，需要至少两种加密方案，整个系统较复杂。

【发明内容】

本发明的目的是克服现有技术中存在的缺点，提供一种基于同类系数置乱的JPEG图像加密方法，针对JPEG图像，利用混沌系统，对不同类别的量化DCT系数进行置乱处理，能够维持JPEG格式的加密图像与明文图像文件大小相似，压缩率高。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

包括以下步骤：

步骤一：读入待加密的JPEG图像文件，获得哈夫曼编码表和经JPEG编码压缩后的图像数据；

步骤二：通过哈夫曼编码表解码JPEG图像数据，获得量化DCT系数矩阵；

步骤三：按JPEG量化DCT系数编码类别表将量化DCT系数矩阵中的非零系数分类，并记录每个非零系数在量化DCT系数矩阵中的位置；对待加密的图像，统计量化DCT系数矩阵中所有非零系数的个数n和8×8分块个数m；

步骤四：选定密码，利用该密码进行混沌迭代n+m次，生成长度为n+m的混沌序列；

步骤五：将混沌序列前n个元素按照大小排列，其在原序列中的地址构成新的序列Ⅰ；

步骤六：利用步骤五中生成的序列Ⅰ对每个类别的非零系数进行置乱；

步骤七：如果各个类别的非零系数都已置乱完毕，进入步骤八，否则返回步骤五；

步骤八：将置乱后的非零系数按照步骤三中记录的位置写入新的矩阵，形成加密后的量化DCT系数矩阵；

步骤九：将加密后的量化DCT系数分割为不重叠的8×8区块，将混沌序列的后m个元素按照大小排列，其在原序列中的地址构成新的序列Ⅱ，利用序列Ⅱ将加密后的量化DCT系数矩阵所有8×8分块置乱；

步骤十：将步骤九获得的置乱后的量化DCT系数矩阵进行熵编码，将编码后的数据写入待加密的JPEG图像文件，获得加密后的JPEG图像文件，完成基于同类系数置乱的JPEG图像加密。

进一步地，步骤一中从待加密的JPEG图像文件的文件头中获取图像尺寸、量化表和哈夫曼编码表。

进一步地，步骤十中置乱后的量化DCT系数矩阵利用文件头中的哈夫曼编码表进行熵编码。

进一步地，步骤四中的混沌迭代，选用一维logistic map：

x_n+1＝μx_n(1-x_n) (1)

其中x₀为初始值，μ为设定的控制参数。

进一步地，0<x₀<1，3.570<μ<4。

进一步地，步骤六中的置乱具体包括：

(a)取出混沌序列的前n1个元素，将其按照大小升序排列，元素在原序列中的地址构成新序列A；其中，n1表示第一类非零系数的个数；

(b)利用该新序列A对第一类非零系数进行置乱；

(c)取出n1+1至n1+n2个元素，重复步骤(a)和步骤(b)，完成对第二类非零系数的置乱，直至完成最后一种类别的非零系数置乱；其中n2表示第二类非零系数的个数。

与现有技术相比，本发明具有如下有益的技术效果：

本发明利用混沌系统的初值敏感性和复杂性，生成伪随机序列，通过该序列对不同类别的量化DCT系数进行置乱处理，不直接处理DCT系数，而是处理量化后的DC系数和非零AC系数。JPEG编码针对人类视觉特性设计了的量化表，精细地保留直流和低频信息，粗略地保留高频信息。于是，JPEG图像编码中，量化后的直流系数(QDC)绝对值较大，而量化后的交流系数(QAC)绝对值较小，大多数为零，或接近于零，非零的值很少。在这种情况下，对量化DC系数和非零AC系数用同一种加密方案，并不会显著增大要处理的数据，从而也能兼顾安全性和高效性，克服了传统技术种需要区别对待两种系数的难题。本发明提出的加密方法，能够维持JPEG格式的加密图像与明文图像文件大小相似，压缩率高，加密后文件不会大于加密前文件的105％，加密方法简单易实现，密钥空间大，抵抗暴力攻击的能力明显增强，安全系能高，既可以单独使用，也易于与其他JPEG图像加密方法结合使用。

进一步地，本发明中混沌迭代的初值范围相当大，因此密码的选择很多，初值选择可能为2⁵²，甚至更多，如此之大的密码可能空间能有效地抵抗暴力攻击。

【附图说明】

图1是本发明的流程图；

图2是本发明的加密效果图；其中图A为原始图像，图B为加密图像，图C为正确解密图像，图D为错误解密图像。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供一种维持JPEG图像质量和压缩率的加密方法，用于加密JPEG图像，参见图1，本发明方法包括如下步骤：

步骤一：读入JPEG图像文件数据流。从JPEG图像文件的文件头中获取图像尺寸、量化表、哈夫曼编码表等信息，并获得JPEG图像的文件体数据，即经JPEG编码压缩后的图像数据。

步骤二：通过JPEG图像文件的哈夫曼编码表，解码JPEG图像数据，JPEG图像数据的主要部分是量化DCT系数编码，因此解码后获得量化DCT系数矩阵。在这个矩阵中，大多数系数取值为零，少量与人的视觉感知相关性较强的系数不为零。

步骤三：按JPEG量化DCT系数编码类别表将非零系数分类。不区分DC和AC系数，只按其取值进行分类，其中属于第一类的系数个数为n1，属于第二类的系数个数为n2…,n＝n1+n2+…。记录每个非零系数在量化DCT系数矩阵中的位置。对待加密的图像，统计量化DCT系数矩阵中所有非零系数的个数n和8×8分块个数m；JPEG量化DCT系数编码类别表如下表1所示：

表1 JPEG量化DCT系数编码类别表

取值范围	DC差值类别	AC类别
			0	0	N/A
-1,1	1	1
			-3,-2,2,3	2	2
-7,…-4,4,…7	3	3
			-15,…-8,8,…15	4	4
…	…	…

步骤四：在混沌迭代许可的初值范围内选定密码。利用该密码进行混沌迭代n+m次，生成长度为n+m的混沌序列。混沌迭代，选用一维logistic map

x_n+1＝μx_n(1-x_n) (1)

混沌迭代许可的初值范围是x₀和μ这两个参数的取值；其中x₀为初始值，μ为控制参数，均由用户设定，要求满足该迭代为混沌状态，因此取值范围为0<x₀<1，3.570<μ<4。

步骤五：将混沌序列的前n个元素按照大小升序排列，其在原序列中的地址构成新序列Ⅰ。

步骤六：利用步骤五中生成的新序列Ⅰ对每个类别的非零系数进行置乱。比如，对第一类系数进行置乱时，取出前n1个元素，对第二类系数进行置乱时，取出第n1+1至n1+n2个元素。

步骤七：如果各个类别的非零系数都已置乱完毕，进入步骤八，否则返回步骤五。

步骤八：将置乱后的非零系数按照步骤三中记录的位置写入新的矩阵，形成加密后的量化DCT系数矩阵。

步骤九：将加密后的量化DCT系数分割为不重叠的8×8小块，将混沌序列的后m个元素按照大小升序排列，其在原序列中的地址构成新序列Ⅱ，利用这个新序列Ⅱ将加密后的量化DCT系数矩阵所有8×8分块置乱。

步骤十：将步骤九获得的置乱后的量化DCT系数矩阵按照JPEG编码过程重新编码：利用文件头中的哈夫曼编码表进行熵编码，将编码后的数据直接写入原始待加密的JPEG图像文件，生成加密后的JPEG图像文件。其中图像大小、量化表、哈夫曼编码表等参数保持不变。

结合图2和具体的实施例，对本发明做进一步详细说明：

一、读入JPEG图像Lena.

二、解码获得量化DCT系数矩阵。

三、按表1将量化DCT系数矩阵中的非零系数读出并分类，记录下每个非零系数在矩阵中的位置。所有非零系数总共有44442个，第一类系数共22597个，第二类9268个……；8×8分块共4096个。

四、选择密码x₀＝0.426，μ＝3.68，迭代44442+4096＝48538次。

五、取出混沌序列的前22597个元素，将其按照升序排列，元素在原序列中的地址构成新序列。例如序列(0.356,0.732,0.364)按照升序排列后成为(0.356,0.364,0.732)，元素在原序列中的地址构成的新序列为(1,3,2)。本实施例中待加密的JPEG图像一共有22597个第一类非零系数，因此需要混沌序列中的前22597个元素。如果选择另一幅JPEG图像对其用本饭进行加密，其非零系数个数与本幅图像不同，取出元素的个数也不同。

六、利用新序列对第一类系数进行置乱。具体来说，新序列的第i个元素为c_i，则第一类系数的第i个元素在置乱后变成了第c_i个元素。

七、取出混沌序列的第22598至22598+9268＝31866个元素，重复步骤五到六，直至最后一种类别置乱完毕。

八、将置乱后的系数按照步骤三中记录的位置写入新的量化DCT系数矩阵。

九、取出混沌序列的最后4096个元素，重复步骤五，获得地址序列。将4096个8×8分块利用该地址序列进行置乱。

十、将步骤九获得的量化DCT系数矩阵利用文件头中的哈夫曼编码表进行熵编码，将编码后的数据写入加密后的JPEG图像文件。其中图像大小、量化表、哈夫曼编码表等参数保持不变。

加密效果结合图2，可以看出加密后图像置乱充分，无法反映原始图像的任何信息，加密效果良好；正确解密后的图像与原始图像完全一致。

解密的过程中，步骤六与步骤九与加密过程相反，其余都一样。具体来说，解密过程为：

步骤一：读入加密后的JPEG图像文件数据流。从JPEG图像文件的文件头中获取图像尺寸、量化表、哈夫曼码表等信息，以及文件体数据。

步骤二：通过JPEG图像文件的哈夫曼编码表，解码文件体数据，获得加密后的量化DCT系数矩阵。

步骤三：按JPEG量化DCT系数编码类别表将非零系数分类。不区分DC和AC系数，只按其取值进行分类。记录每个非零系数在量化DCT系数矩阵中的位置。假设所有非零系数的个数为n，其中属于第一类的系数个数为n1，属于第二类的系数个数位n2…,n＝n1+n2+…n15。该图像的8×8分块个数为m。

步骤四：输入加密时的密码x₀和μ，利用logistic map进行混沌迭代，迭代m+n次，生成混沌序列。

步骤五：将长度为n+m的混沌序列元素按顺序分为15组，组内元素的个数分别为n1,n2,……n15，每组元素按照大小升序排列，其在原序列中的地址构成新的序列。

步骤六：利用步骤五中生成的15组地址序列对每各类别的非零系数进行反向置乱。

步骤七：如果各个类别都已置乱完毕，进入步骤八，否则返回步骤六。

步骤八：将解密后的非零系数按照步骤三中记录的位置写入原量化DCT系数矩阵。

步骤九：将新的量化DCT系数矩阵分割为不重叠的8×8小块，将混沌序列的后半部分m个元素按照大小升序排列，其在原序列中的地址构成新的序列，利用这个序列将加密后的量化DCT系数矩阵所有8×8分块反向置乱。

步骤十：将步骤九获得的反向置乱后的量化DCT系数矩阵按照JPEG编码过程重新编码：利用文件头中的哈夫曼码表进行熵编码，将编码后的数据写入JPEG图像文件。其中图像大小、量化表、哈夫曼码表等参数保持不变。这样就获得了解密后的JPEG图像文件。

混沌迭代的初值范围相当大，因此密码的选择很多。如果攻击者试图采用穷举法搜索密码，运算量极大，因此能有效抵抗暴力攻击。

该方法置乱每种类别的系数，能够保持JPEG图像数据中非零量化DCT系数的个数、类别和具体数值，不影响游程编码的游程长度，维持了JPEG编码的压缩能力；采用原有的熵编码方法，编码结果与源图像相比，有一定变化但在可接受范围内，能够维持JPEG格式的加密图像与明文图像文件大小相似，压缩率高。本发明有效解决了现有技术中普通图像加密，不针对JPEG图像进行处理，导致密文图像压缩率下降的问题，安全性能高，系统易于实现。

该方法采用运算容易的logistic map生成混沌序列，对JPEG图像数据直接进行操作，不区分DC和AC系数，只关心非零量化DCT系数的具体取值，加密方法简单易实现。

利用该方法加密后的JPEG图像，仍然维持JPEG格式，可以继续利用其他JPEG图像加密方法进行多轮加密。该方法既可以单独使用，也易于与其他JPEG图像加密方法结合使用。

混沌迭代的初值范围相当大，因此密码的选择很多。本发明方法采用的logistic map的初值选择可能为2⁵²。如果选用coupled logistic map作为混沌迭代用于生成混沌序列，则初值的选择可能为2¹⁰⁴。如此之大的密码可能空间能有效地抵抗暴力攻击。

利用新方法对JPEG图像进行加密，能够维持JPEG格式的加密图像与明文图像文件大小相似，压缩率高。表2是一些实验JPEG图像加密前后的文件尺寸，可以看出加密后文件不会大于加密前文件的105％，在可接受范围内。

表2 加密前后文件大小变化

JPEG图像名称	加密前文件尺寸	加密后文件尺寸	文件尺寸扩大百分比
				Lena 512×512	31.8K	33.2K	104.4％
Baboon 512×512	67.2K	68.3K	101.6％
				Goldhill 256×256	28.0K	28.5K	101.8％
Cameraman 256×256	10.4K	10.9K	104.8％
				Aerial 512×512	56.0K	57.0K	101.8％
Airfield 512×512	58.7K	60.1K	102.4％
				Barbara 512×512	42.3K	43.7K	100.9％
Man 1024×1024	154K	160K	103.9％
				Bridge 512×512	61.4K	62.9K	102.4％
Couple 256×256	11.5K	11.8K	102.6％

Claims (6)

1.基于同类系数置乱的JPEG图像加密方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：读入待加密的JPEG图像文件，获得哈夫曼编码表和经JPEG编码压缩后的图像数据；

步骤二：通过哈夫曼编码表解码JPEG图像数据，获得量化DCT系数矩阵；

步骤三：按JPEG量化DCT系数编码类别表将量化DCT系数矩阵中的非零系数分类，并记录每个非零系数在量化DCT系数矩阵中的位置；对待加密的图像，统计量化DCT系数矩阵中所有非零系数的个数n和8×8分块个数m；

步骤四：选定密码，利用该密码进行混沌迭代n+m次，生成长度为n+m的混沌序列；

步骤五：将混沌序列前n个元素按照大小排列，其在原序列中的地址构成新的序列Ⅰ；

步骤六：利用步骤五中生成的序列Ⅰ对每个类别的非零系数进行置乱；

步骤七：如果各个类别的非零系数都已置乱完毕，进入步骤八，否则返回步骤五；

步骤八：将置乱后的非零系数按照步骤三中记录的位置写入新的矩阵，形成加密后的量化DCT系数矩阵；

步骤九：将加密后的量化DCT系数分割为不重叠的8×8区块，将混沌序列的后m个元素按照大小排列，其在原序列中的地址构成新的序列Ⅱ，利用序列Ⅱ将加密后的量化DCT系数矩阵所有8×8分块置乱；

步骤十：将步骤九获得的置乱后的量化DCT系数矩阵进行熵编码，将编码后的数据写入待加密的JPEG图像文件，获得加密后的JPEG图像文件，完成基于同类系数置乱的JPEG图像加密。

2.根据权利要求1所述的基于同类系数置乱的JPEG图像加密方法，其特征在于，步骤一中从待加密的JPEG图像文件的文件头中获取图像尺寸、量化表和哈夫曼编码表。

3.根据权利要求2所述的基于同类系数置乱的JPEG图像加密方法，其特征在于，步骤十中置乱后的量化DCT系数矩阵利用文件头中的哈夫曼编码表进行熵编码。

4.根据权利要求1所述的基于同类系数置乱的JPEG图像加密方法，其特征在于，步骤四中的混沌迭代，选用一维logistic map：

x_n+1＝μx_n(1-x_n)(1)

其中x₀为初始值，μ为设定的控制参数。

5.根据权利要求4所述的基于同类系数置乱的JPEG图像加密方法，其特征在于，0<x₀<1，3.570<μ<4。

6.根据权利要求1所述的基于同类系数置乱的JPEG图像加密方法，其特征在于，步骤六中的置乱具体包括：

(a)取出混沌序列的前n1个元素，将其按照大小升序排列，元素在原序列中的地址构成新序列A；其中，n1表示第一类非零系数的个数；

(b)利用该新序列A对第一类非零系数进行置乱；

(c)取出n1+1至n1+n2个元素，重复步骤(a)和步骤(b)，完成对第二类非零系数的置乱，直至完成最后一种类别的非零系数置乱；其中n2表示第二类非零系数的个数。