CN108230219B

CN108230219B - 增强加密域jpeg图像对比度的方法及系统

Info

Publication number: CN108230219B
Application number: CN201611127706.XA
Authority: CN
Inventors: 黄倩; 朱国普; 杨建权; 黄晓霞
Original assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Current assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Priority date: 2016-12-09
Filing date: 2016-12-09
Publication date: 2021-10-29
Anticipated expiration: 2036-12-09
Also published as: CN108230219A

Abstract

本发明涉及一种增强加密域JPEG图像对比度的方法，包括：a.对图像持有者的JPEG图像进行加密处理，并将加密后的JPEG图像发送至远端服务器；b.对远端服务器接收到的加密JPEG图像进行对比度增强处理，并发送给图像使用者；c.对图像使用者收到的所述经过对比度增强处理的加密JPEG图像进行解密，得到对比度增强后的图像。本发明还涉及一种增强加密域JPEG图像对比度的系统。本发明能够对加密域的JPEG图像进行对比度增强，保护用户数据在远端服务器的隐私安全。

Description

增强加密域JPEG图像对比度的方法及系统

技术领域

本发明涉及一种增强加密域JPEG图像对比度的方法及系统。

背景技术

JPEG图像对比度增强处理用于增大图像亮暗部的对比度，改善图像的视觉质量，使细节更突出，以便于后续其他操作处理或用途。但对低码率的JPEG图像，因图像具有相应的压缩块效应，在增强时应防止块效应的一并增强，避免破坏图像的视觉质量。

现有JPEG图像增强算法按数据在哪个域进行处理，大致可分为两类：空域和变换域。基于空域的代表算法是直方图均衡化，它根据图像的直方图累计分布，对图像的灰度级进行重新映射，使图像像素灰度级尽可能地均匀分布，达到增强对比度的目的。变换域JPEG图像增强则通过调整变换系数，“间接”地增强图像对比度。由于图像的变换域系数有大量零值系数，而这些系数无需进行调整，因此变换域增强通常比空域增强的计算量要小；另外，由于变换域增强是在图像压缩后进行增强，因此不影响图像的压缩性能。由于JPEG压缩本身是在变换域进行的，因此变换域增强尤其适用于增强JPEG图像。

但是，现有JPEG图像对比度增强技术方案，处理的对象是非加密的JPEG图像，无法对加密图像进行增强。对不完全信任的远端服务商，通行的做法是用户先对JPEG图像进行加密，再传输到远端服务器进行处理，因此需要研究能够对加密图像进行增强的方法(即加密域图像增强)。若使用现有的JPEG图像对比度增强算法在远端服务器对非加密图像进行处理，则图像隐私数据存在被恶意窃取利用的风险。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种增强加密域JPEG图像对比度的方法及系统，其能够对加密域的JPEG图像进行对比度增强，保护用户数据在远端服务器的隐私安全。

本发明提供一种增强加密域JPEG图像对比度的方法，该方法包括如下步骤：a.对图像持有者的JPEG图像进行加密处理，并将加密后的JPEG图像发送至远端服务器；b.对远端服务器接收到的加密JPEG图像进行对比度增强处理，并发送给图像使用者；c.对图像使用者收到的所述经过对比度增强处理的加密JPEG图像进行解密，得到对比度增强后的图像。

具体地，所述步骤a具体包括：根据JPEG标准对图像持有者的JPEG图像进行解码，得到所述图像的系数矩阵C；根据秘钥Key1，产生一个尺寸为M*N在[-RR]上均匀分布的伪随机整数矩阵K，将所述系数矩阵C和所述整数矩阵K的元素逐项相加，得到系数扰动后的矩阵C'；将所述矩阵C'划分成8*8不重叠的分块，根据秘钥Key2以分块为单元进行置乱，得到置乱后的加密矩阵C″。

具体地，所述步骤b具体包括：将加密矩阵C″划分为不重叠的8*8子块，记为B_i，将每个8*8系数矩阵B_i按反对角线方向划分为15个频带，记为B_i,j，其中B_i,j表示第i个分块的第j个频带；对第i个分块第j个频带的系数进行增强处理：B′_i,j＝λ^j*B_i,j，i＝1,2,…,MN/64,j＝1,2,…,T，其中，B′_i,j表示增强处理后的频带，对于j>T的频带，其系数保持不变；用调整后的频带B′_i,j替换B_i,j，放回加密矩阵C″对应的位置，得到加密域增强后的系数矩阵E。

具体地，所述步骤c具体包括：根据Key1和R，恢复出上述伪随机整数矩阵K；对伪随机整数矩阵K进行8*8不重合分块，用H_i,j表示K的第i个分块第j个频带的系数，对H_i,进行处理得到H′_i,j：H′_i,j＝λ^j*H_i,j，i＝1,2,…,MN/64,j＝1,2,…,T；将H′_i,j代替H_i,j放回伪随机整数矩阵K中的对应位置，得到矩阵K'；根据Key2对所述系数矩阵E 8*8分块进行逆置乱，得到矩阵E'；用E'减去K'，得到解密后的增强系数矩阵P。

具体地，所述步骤c在步骤得到解密后的增强系数矩阵P后，还包括：对系数矩阵P进行JPEG解压缩，得到增强后的图像像素矩阵。

本发明还提供一种增强加密域JPEG图像对比度的系统，包括加密模块、增强模块及解密模块，其中：所述加密模块用于对图像持有者的JPEG图像进行加密处理，并将加密后的JPEG图像发送至远端服务器；所述增强模块用于对远端服务器接收到的加密JPEG图像进行对比度增强处理，并发送给图像使用者；所述解密模块用于对图像使用者收到的所述经过对比度增强处理的加密JPEG图像后，进行解密，得到对比度增强后的图像。

具体地，所述的加密模块具体用于：根据JPEG标准对图像持有者的JPEG图像进行解码，得到所述图像的系数矩阵C；根据秘钥Key1，产生一个尺寸为M*N在[-RR]上均匀分布的伪随机整数矩阵K，将所述系数矩阵C和所述整数矩阵K的元素逐项相加，得到系数扰动后的矩阵C'；将所述矩阵C'划分成8*8不重叠的分块，根据秘钥Key2以分块为单元进行置乱，得到置乱后的加密矩阵C″。

具体地，所述的增强模块具体用于：将加密矩阵C″划分为不重叠的8*8子块，记为B_i，将每个8*8系数矩阵B_i按反对角线方向划分为15个频带，记为B_i,j，其中B_i,j表示第i个分块的第j个频带；对第i个分块第j个频带的系数进行增强处理：B′_i,j＝λ^j*B_i,j，i＝1,2,…,MN/64,j＝1,2,…,T，其中，B′_i,j表示增强处理后的频带，对于j>T的频带，其系数保持不变；用调整后的频带B′_i,j替换B_i,j，放回加密矩阵C″对应的位置，得到加密域增强后的系数矩阵E。

具体地，所述的解密模块具体用于：根据Key1和R，恢复出上述伪随机整数矩阵K；对伪随机整数矩阵K进行8*8不重合分块，用H_i,j表示K的第i个分块第j个频带的系数，对H_i,j进行处理得到H′_i,j：H′_i,j＝λ^j*H_i,j，i＝1,2,…,MN/64,j＝1,2,…,T；将H′_i,j代替H_i,j放回伪随机整数矩阵K中的对应位置，得到矩阵K'；根据Key2对所述系数矩阵E 8*8分块进行逆置乱，得到矩阵E'；用E'减去K'，得到解密后的增强系数矩阵P。

具体地，所述的解密模块还用于：对系数矩阵P进行JPEG解压缩，得到增强后的图像像素矩阵。

本发明允许图像拥有者先对图像进行加密，再交给远端服务器进行增强处理，最后由授权的图像使用者进行解密。因此，本发明能够对加密域的JPEG图像进行对比度增强，保护用户数据在远端服务器的隐私安全。

附图说明

图1为本发明增强加密域JPEG图像对比度的方法的流程图；

图2为本发明一实施例沿反对角线方向将一个8*8系数矩阵分块划分为不同频带的示意图；

图3为本发明增强加密域JPEG图像对比度的系统的硬件架构图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细的说明。

参阅图1所示，是本发明增强加密域JPEG图像对比度的方法较佳实施例的作业流程图。

步骤S1，对图像持有者的JPEG图像进行加密处理，并将加密后的JPEG图像发送至远端服务器。具体而言：

对图像持有者的JPEG图像进行系数扰动和分块置乱，以达到加密目的。具体流程如下：

步骤S11：记输入的JPEG图像的尺寸为M*N，根据JPEG标准对图像持有者的JPEG图像进行解码，得到图像的量化DCT(Discrete Cosine Transform，离散余弦变换)系数矩阵C。根据秘钥Key1，产生一个尺寸为M*N在[-RR]上均匀分布的伪随机整数矩阵K。将矩阵C和矩阵K的元素逐项相加，得到系数扰动后的矩阵C'，即：C'＝C+K。

步骤S12：将矩阵C'划分成8*8不重叠的分块，根据秘钥Key2以分块为单元进行置乱，得到置乱后的加密矩阵C″，即为加密后的结果。将加密矩阵C″发送至远端服务器。因此，在没有秘钥Key1和Key2的情况下，第三方无法对图像进行解密。

步骤S2，远端服务器对接收到的加密JPEG图像进行对比度增强处理，并发送给图像使用者。具体包括：

在不对加密矩阵C″进行解密的情况下，对其进行增强。具体步骤如下：

步骤S21：将接收到的加密矩阵C″划分为不重叠的8*8子块，记作B_i,i＝1,2,…,MN/64，i表示块索引。将每个8*8系数矩阵B_i按反对角线方向划分为15个频带(请参见附图2，图中圈出的频带为B₃和B₁₀)，记为B_i,j,j＝1,2,…15，j表示频带索引(B_i,j表示第i个分块的第j个频带)，其中第j个频带B_i,j含有系数的个数记为N_j，有：

步骤S22：为防止高频系数因过度增强而引入噪声，本发明只对中低频带系数进行增强。设定参与增强的频带数T，增强因子λ。对第i个分块第j个频带的系数做以下增强处理：

B′_i,j＝λ^j*B_i,j，i＝1,2,…,MN/64,j＝1,2,…,T

式中，B′_i,j表示增强处理后的频带。对于j>T的频带，其系数保持不变，不作调整。

步骤S23：用调整后的频带B′_i,j替换B_i,j，放回矩阵C″对应的位置，得到加密域增强后的系数矩阵E，在图像使用者请求时将所述系数矩阵E发送给使用者。

步骤S3，图像使用者对所述经过对比度增强处理的加密JPEG图像进行解密。也即：

对经过加密域增强的JPEG图像进行解密，得到增强图像。具体步骤如下：

步骤S31：向步骤S1请求秘钥信息Key1、Key2及R，向步骤S2请求加密域增强后的系数矩阵E和增强参数T、增强因子λ。

步骤S32：根据Key1和R，恢复出步骤S11中的伪随机整数矩阵K。类似于步骤S2的处理过程，对K进行8*8不重合分块，用H_i,j表示K的第i个分块第j个频带的系数，系数个数为N_j，对H_i,j进行以下处理：

H′_i,j＝λ^j*H_i,j，i＝1,2,…,MN/64,j＝1,2,…,T

将H′_i,j代替H_i,j放回K中的对应位置，得到矩阵K'。

步骤S33：对所述系数矩阵E，根据Key2对其8*8分块进行逆置乱，恢复出原来的分块顺序，得到矩阵E'。用E'减去K'，得到解密后的增强系数矩阵P，即P＝E'-K'。对系数矩阵P进行JPEG解压缩，即可得到增强后的图像像素矩阵。

参阅图3所示，是本发明增强加密域JPEG图像对比度的系统10的硬件架构图。该系统包括加密模块101、增强模块102及解密模块103。

所述加密模块101用于对图像持有者的JPEG图像进行加密处理，并将加密后的JPEG图像发送至远端服务器。也即：

所述加密模块101对图像持有者的JPEG图像进行系数扰动和分块置乱，以达到加密目的。所述加密模块101具体用于：

记输入的JPEG图像的尺寸为M*N，根据JPEG标准对输入图像进行解码，得到图像的量化DCT(Discrete Cosine Transform，离散余弦变换)系数矩阵C。根据秘钥Key1，产生一个尺寸为M*N在[-R R]上均匀分布的伪随机整数矩阵K。将矩阵C和矩阵K的元素逐项相加，得到系数扰动后的矩阵C'，即：C'＝C+K。

将矩阵C'划分成8*8不重叠的分块，根据秘钥Key2以分块为单元进行置乱，得到置乱后的加密矩阵C″，即为加密后的结果。将加密矩阵C″发送至远端服务器。因此，在没有秘钥Key1和Key2的情况下，第三方无法对图像进行解密。

所述增强模块102用于使远端服务器对接收到的加密JPEG图像进行对比度增强处理，并发送给图像使用者。也即：所述增强模块102在不对加密矩阵C″进行解密的情况下，对其进行增强。具体如下：

所述增强模块102将接收到的加密矩阵C″划分为不重叠的8*8子块，记作B_i,i＝1,2,…,MN/64，i表示块索引。将每个8*8系数矩阵B_i按反对角线方向划分为15个频带(请参见附图2，图中圈出的频带为B₃和B₁₀)，记为B_i,j,j＝1,2,…15，j表示频带索引(B_i,j表示第i个分块的第j个频带)，其中第j个频带B_i,j含有系数的个数记为N_j，有：

为防止高频系数因过度增强而引入噪声，所述增强模块102只对中低频带系数进行增强。设定参与增强的频带数T，增强因子λ。对第i个分块第j个频带的系数做以下增强处理：

B′_i,j＝λ^j*B_i,j，i＝1,2,…,MN/64,j＝1,2,…,T

所述增强模块102用调整后的频带B′_i,j替换B_i,j，放回矩阵C″对应的位置，得到加密域增强后的系数矩阵E，在图像使用者请求时将所述系数矩阵E发送给使用者。

所述解密模块103用于对图像使用者接收到的经过对比度增强处理的加密JPEG图像进行解密。也即：

所述解密模块103对经过加密域增强的JPEG图像进行解密，得到增强图像。具体如下：

所述解密模块103向加密模块101请求秘钥信息Key1、Key2及R，向增强模块102请求加密域增强后的系数矩阵E和增强参数T、增强因子λ。

所述解密模块103根据Key1和R，恢复出加密模块101中的伪随机整数矩阵K。类似于增强模块102的处理过程，对K进行8*8不重合分块，用H_i,j表示K的第i个分块第j个频带的系数，系数个数为N_j，对H_i,j进行以下处理：

H′_i,j＝λ^j*H_i,j，i＝1,2,…,MN/64,j＝1,2,…,T

将H′_i,j代替H_i,j放回K中的对应位置，得到矩阵K'。

所述解密模块103对所述系数矩阵E，根据Key2对其8*8分块进行逆置乱，恢复出原来的分块顺序，得到矩阵E'。用E'减去K'，得到解密后的增强系数矩阵P，即P＝E'-K'。对系数矩阵P进行JPEG解压缩，即可得到增强后的图像像素矩阵。

现有技术只适用于没有经过加密的图像。然而，如果图像没有经过加密就在不可信的远端服务器进行增强处理，存在图像数据被第三方恶意窃取利用的潜在风险。本发明解决了这一问题，允许图像拥有者先对图像进行加密，再交给远端服务器进行增强处理，最后由授权的图像使用者进行解密。本发明在对图像加密时，对图像的结构信息进行置乱，在没有解密秘钥的情况下无法辨识原图信息，从而达到保护图像数据隐私的目的；在图像对比度增强处理时，对置乱加密后的图像变换域系数进行缩放处理；在对图像解密时，根据加密秘钥对图像进行逆向置乱，得到增强后的图像。因此，本发明其能够保护用户数据在远端服务器的隐私安全。

虽然本发明参照当前的较佳实施方式进行了描述，但本领域的技术人员应能理解，上述较佳实施方式仅用来说明本发明，并非用来限定本发明的保护范围，任何在本发明的精神和原则范围之内，所做的任何修饰、等效替换、改进等，均应包含在本发明的权利保护范围之内。

Claims

1.一种增强加密域JPEG图像对比度的方法，其特征在于，该方法包括步骤：

a.对图像持有者的JPEG图像进行加密处理，并将加密后的JPEG图像发送至远端服务器；

b.对远端服务器接收到的加密JPEG图像进行对比度增强处理，并发送给图像使用者；

c.对图像使用者收到的所述经过对比度增强处理的加密JPEG图像进行解密，得到对比度增强后的图像；

所述步骤a具体包括：

根据JPEG标准对图像持有者的JPEG图像进行解码，得到所述图像的系数矩阵C；

根据秘钥Key1，产生一个尺寸为M*N在[-R R]上均匀分布的伪随机整数矩阵K，将所述系数矩阵C和所述整数矩阵K的元素逐项相加，得到系数扰动后的矩阵C'；

将所述矩阵C'划分成8*8不重叠的分块，根据秘钥Key2以分块为单元进行置乱，得到置乱后的加密矩阵C”；

所述步骤b具体包括：

将加密矩阵C”划分为不重叠的8*8子块，记为B_i，将每个8*8系数矩阵B_i按反对角线方向划分为15个频带，记为B_i,j，其中B_i,j表示第i个分块的第j个频带；

对第i个分块第j个频带的系数进行增强处理：B′_i,j＝λ^j*B_i,j，i＝1,2,…,MN/64,j＝1,2,…,T，其中，B′_i,j表示增强处理后的频带，T表示参与增强的频带数，λ表示增强因子，对于j>T的频带，其系数保持不变；

用调整后的频带B′_i,j替换B_i,j，放回加密矩阵C”对应的位置，得到加密域增强后的系数矩阵E；

所述步骤c具体包括：

根据Key1和R，恢复出上述伪随机整数矩阵K；

对伪随机整数矩阵K进行8*8不重合分块，用H_i,j表示K的第i个分块第j个频带的系数，对H_i,j进行处理得到H′_i,j：

H′_i,j＝λ^j*H_i,j，i＝1,2,…,MN/64,j＝1,2,…,T；

将H′_i,j代替H_i,j放回伪随机整数矩阵K中的对应位置，得到矩阵K'；

根据Key2对所述系数矩阵E 8*8分块进行逆置乱，得到矩阵E'；

用E'减去K'，得到解密后的增强系数矩阵P。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤c在步骤得到解密后的增强系数矩阵P后，还包括：

对系数矩阵P进行JPEG解压缩，得到增强后的图像像素矩阵。

3.一种增强加密域JPEG图像对比度的系统，其特征在于，该系统包括加密模块、增强模块及解密模块，其中：

所述加密模块用于对图像持有者的JPEG图像进行加密处理，并将加密后的JPEG图像发送至远端服务器；

所述增强模块用于对远端服务器接收到的加密JPEG图像进行对比度增强处理，并发送给图像使用者；

所述解密模块用于对图像使用者收到的所述经过对比度增强处理的加密JPEG图像后，进行解密，得到对比度增强后的图像；

所述的加密模块具体用于：

将所述矩阵C'划分成8*8不重叠的分块，根据秘钥Key2以分块为单元进行置乱，得到置乱后的加密矩阵C'；

所述的增强模块具体用于：

所述的解密模块具体用于：

根据Key1和R，恢复出上述伪随机整数矩阵K；

H′_i,j＝λ^j*H_i,j，i＝1,2,…,MN/64,j＝1,2,…,T；

根据Key2对所述系数矩阵E 8*8分块进行逆置乱，得到矩阵E'；

用E'减去K'，得到解密后的增强系数矩阵P。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述的解密模块还用于：

对系数矩阵P进行JPEG解压缩，得到增强后的图像像素矩阵。