CN109495670B - 一种彩色jpeg图像的格式兼容加解密方法 - Google Patents

一种彩色jpeg图像的格式兼容加解密方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种彩色JPEG图像的格式兼容加解密方法，包括以下步骤：S1：确定要提取块T规模LT；S2：从原JPEG图像的压缩数据段中框选ROI块，根据ROI块与T大小关系，重新框选ROI块或者补充随机块至ROI块中使ROI块与T规模相等；S3：对S2中得到的块进行RC4加密形成加密块；S4：对原JPEG图像压缩数据段中剩余块进行置乱重排；S5：将S3生成加密块与S4中置乱重排后块重新组织为格式兼容加密JPEG图像；S6：进行图像恢复或图像解密。本发明复合加密图像块信息，还改变原来图像的结构，使得加密后的图像难以辨识，提高了算法的有效性和可靠性，为ROI提供保护，适应于不同应用场景，保留对加密JPEG图像进行一定检测处理的能力，可以为云监控系统、云存储系统等应用提供帮助。

Description

一种彩色JPEG图像的格式兼容加解密方法
技术领域
本发明涉及多媒体信息安全领域，更具体地，涉及一种彩色JPEG图像的格式兼容加密方法。
背景技术
近年来，随着多媒体技术的发展，图像处理技术越来越多地出现在人们平时的日常生活中，与此同时，人们对于图像内容的隐私保护技术的发展也越来越重视。除此之外，人们对于图片传输的速度也越来越重视，尤其是需要传输大量图片时，由于带宽有限，如果不对原图进行一定处理，传输起来将耗费大量的带宽和时间。
因此，JPEG作为一种能够对图像进行压缩从而减小其大小，节省带宽并提高传输速度的同时，还能够保持图像的高质量的图像格式，在最近几年已经受到各个行业的热捧。然而对于JPEG来说，目前已有的加密方法主要针对JPEG码流中的空域、时域相关参数进行加密，从安全性的角度来考虑，这样的算法都存在着隐私泄露的风险。特别地，这些加密算法并没有改变图像本身的结构，而图像的结构本身是附带了大量的边信息的，如果不进行加密修改，很有可能会导致隐私泄露，这就使得安全性并没有得到充足的保障。
虽然最近有些算法针对频域的参数进行加密，同时也改变了图像的结构，相比其他绝大多数的JPEG加密算法而言，安全性方面已经有了显著的提升，但是一方面，它们往往只采用一种加密方式，而没有复合多种加密系统；另一方面，加密的JPEG图像往往用于云存储系统等场景，例如在云服务器上对加密JPEG图像进行水印的嵌入、检索，或者进行图像检索等，这些需要保留对加密JPEG图像一定的处理能力，而那些算法往往不能很好地做到这点。
本发明所提出的一种彩色JPEG图像的格式兼容加密算法，主要对24位彩色JPEG图像的频域参数以及文件结构信息进行了加密，同时设计了多层加密系统，为ROI提供了专门的保护，ROI为感兴趣区域，提高了加密算法对不同应用场景的适应性。除此之外，还保留了对加密JPEG图像的检测处理的能力，兼顾了云端处理与图像内容保护的两种需求。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种彩色JPEG图像的格式兼容加解密方法。
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题。
本发明的首要目的是能够高效安全地对JPEG图像进行加密。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种彩色JPEG图像的格式兼容加密方法，包括以下步骤：
S1：确定要提取的块T的规模LT，LT即为要加密的区域大小；
S2：从原JPEG图像的压缩数据段中框选ROI块，根据ROI块与T的大小关系，重新框选ROI块或者补充随机块至ROI块中使ROI块与T规模相等；
S3：对S2中得到的块进行RC4加密形成加密块；
S4：对原JPEG图像的压缩数据段中剩余的块进行置乱重排；
S5：将S3生成的加密块与S4中置乱重排后的块重新组织为格式兼容的加密JPEG图像；
优选地，步骤S1中提取的块T的规模LT不超过JPEG头文件中APPn字段的总容量。
优选地，步骤S2的具体步骤为：
S2.1：框选ROI块，利用人脸检测算法，定位出JPEG图像中属于ROI区域的块位置，并标记为R，R的规模用LR表示；
S2.2：根据ROI块与T的大小关系，比较LR和LT大小，如果LR大于LT，重新执行步骤S2.1；如果LR小于LT，补充随机块至ROI块中，从剩余块中随机选取一部分块D，D的规模用LD表示，使得LR+LD＝LT。
优选地，步骤S2还包括步骤S2.3：
S2.3：对于最后得到的ROI块中的每一块，定义M为它们在原JPEG图像的压缩数据段中的位置信息，定义S为它们各自的大小信息，并且M和S与最后得到的ROI块拼接成新的数据块K。
优选地，步骤S3中对S2中得到的块进行RC4加密形成加密块的具体步骤为：
S3.1：对于数据块K中每一个块中的数据用RC4异或加密算法进行加密。
优选地，步骤S4中，定义O为原JPEG图像的压缩数据段中剩余的块，对所有剩余块采取随机置乱重排，定义G为置乱后的剩余块。
优选地，步骤S5的具体过程为：
S5.1：新建一个JPEG图像文件P；
S5.2：将S3生成的加密块的数据存放到P的APPn字段；
S5.3：将S4中置乱重排后的数据存放到P的压缩数据段，此时得到的P即为格式兼容的加密JPEG图像。
优选地，一种对应的彩色JPEG图像的格式兼容解密方法，包括步骤S6：进行图像的恢复或图像的解密，步骤S6中图像的恢复的具体步骤为：
S6.1：解密压缩数据段中的内容，将置乱后的剩余块G恢复成原来顺序排列的剩余块O；
S6.2：将剩余块O恢复到原JPEG图像的压缩数据段中的位置，恢复出具有原JPEG图像的部分内容信息的JPEG图像，用于检测处理。
优选地，步骤S6中图像的解密的具体步骤为：
S6.3：解密P的APPn字段中的数据，得到数据块K；
S6.4：对于数据块K中的每一块数据，根据M中记录的位置信息和S中记录的大小信息恢复成在原JPEG图像的压缩数据段中的位置；
S6.5：使用步骤S6.1至步骤S6.2对剩余块O进行恢复，得到原JPEG图像。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
该方法能够根据需求选择ROI区域进行加密，同时也能为JPEG图像提供多层次的保护，利用部分密钥，可以恢复出除了ROI区域之外的部分信息，用于做加密JPEG图像的检测处理。
附图说明
图1为本发明提供的一种彩色JPEG图像的格式兼容加解密方法的加密流程图。
图2为本发明提供的一种彩色JPEG图像的格式兼容加解密方法的解密流程图。
图3为JPEG图像文件的格式示意图。
图4为本发明提供的一种彩色JPEG图像的格式兼容加解密方法的加密方法基本思想的示意图。
图5为本发明提供的一种彩色JPEG图像的格式兼容加解密方法的加密框架图。
图6为本实施例提供的一个原JPEG图像。
图7为图6利用本发明提供的一种彩色JPEG图像的格式兼容加解密方法加密后的图像。
图8为本实施例提供的另一个JPEG图像。
图9为图8利用本发明提供的一种彩色JPEG图像的格式兼容加解密方法加密后的图像。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
一种彩色JPEG图像的格式兼容加密方法，如图1，包括以下步骤：
S1：确定要提取的块T的规模LT；
S2：从原JPEG图像的压缩数据段中框选ROI块，根据ROI块与T的大小关系，重新框选ROI块或者补充随机块至ROI块中使ROI块与T规模相等；
S3：对S2中得到的块进行RC4加密形成加密块；
S4：对原JPEG图像的压缩数据段中剩余的块进行置乱重排；
S5：将S3生成的加密块与S4中置乱重排后的块重新组织为格式兼容的加密JPEG图像；
S6：进行图像的恢复或图像的解密。
在具体实施过程中，JPEG图像文件的格式如图3，步骤S1中提取的块T的规模LT＝m×n，不超过JPEG头文件中APPn字段的总容量；
步骤S2的具体步骤为：
S2.1：框选ROI块，利用人脸检测算法，定位出JPEG图像中属于ROI区域的块位置，并标记为R，R的规模用LR表示，具体的，一张JPEG图像的全体MCU块，可以是[0,0,R,R,0,R,0……]，其中R代表一个属于ROI的MCU块，0代表一个不属于ROI的MCU块；
S2.2：根据ROI块与T的大小关系，比较LR和LT大小，如果LR大于LT，重新执行步骤S2.1；如果LR小于LT，补充随机块至ROI块中，从剩余块中随机选取一部分块D，D的规模用LD表示，使得LR+LD＝LT；
步骤S2还包括步骤S2.3：
S2.3：对于最后得到的ROI块中的每一块，定义M为它们在原JPEG图像的压缩数据段中的位置信息，定义S为它们各自的大小信息，并且M和S与最后得到的ROI块拼接成新的数据块K，具体的，一个JPEG图像有N个MCU块，则这些MCU块的位置序号为1～N，按照从左到右，从上到下依次排序；
对于一个提取出来的MCU块d，它的位置序号是m，大小是s，则它所对应的拼接后的新数据块的构成为：[m,s,d]；
K的结构是[……,mi,si,di,mi+1,si+1,di+1,……]，其中mi代表第i个提取出来的MCU块所对应的位置，si代表第i个提取出来的MCU块的大小，di代表第i个提取出来的MCU块；
步骤S3中对S2中得到的块进行RC4加密形成加密块的具体步骤为：
S3.1：对于数据块K中每一个块中的数据用RC4异或加密算法进行加密，具体的，随机生成一个128位长的密钥E1，根据RC4加密算法，由该密钥E1产生一串与K的比特长度相等的密钥流S，然后用S与K进行异或运算，得到加密后的K；
步骤S4中，定义O为原JPEG图像的压缩数据段中剩余的块，对所有剩余块采取随机置乱重排，定义G为置乱后的剩余块，具体的，给剩余块O中的每一个MCU块标记其在原JPEG图像中的位置序号，根据当前时间生成随机种子，并利用该种子对O进行随机置乱重排，用G表示置乱后的剩余块，最后用密钥E2记录下此时G中MCU块所标记的位置序号顺序。
原来JPEG图像中有6个MCU块，标记位置序号为[1,2,3,4,5,6]，T设置为2，即提取2个MCU块，提取的是位置序号为3和4的MCU块，则剩余块O中的MCU块位置序号为[1,2,5,6]，置乱后G中MCU块所标记的位置序号顺序为[2,6,5,1]，则E2记录下[2,6,5,1]作为密钥用于之后的解密过程；
步骤S5的具体过程为：
S5.1：新建一个JPEG图像文件P；
S5.2：将S3生成的加密块的数据存放到P的APPn字段；
S5.3：将S4中置乱重排后的数据存放到P的压缩数据段，此时得到的P即为格式兼容的加密JPEG图像；
其加密思路如图4、图5；
如图2，一种对应的彩色JPEG图像的格式兼容解密方法，包括步骤S6：进行图像的恢复或图像的解密，步骤S6具体步骤为：
S6.1：解密压缩数据段中的内容，将置乱后的剩余块G恢复成原来顺序排列的剩余块O；
S6.2：将剩余块O恢复到原JPEG图像的压缩数据段中的位置，恢复出具有原JPEG图像的部分内容信息的JPEG图像，用于检测处理。
S6.3：解密P的APPn字段中的数据，得到数据块K，具体的，利用密钥E1根据RC4异或加密算法，生成和APPn数据段等长的密钥流，然后与APPn字段中的数据进行异或运算，从而解密APPn中的数据，得到数据块K；
S6.4：对于数据块K中的每一块数据，根据M中记录的位置信息和S中记录的大小信息恢复成在原JPEG图像的压缩数据段中的位置；
S6.5：使用步骤S6.1至步骤S6.2对剩余块O进行恢复，得到原JPEG图像。
本实施例提供的实验结果如下：
图6为本实施例提供的一个原JPEG图像，经本实施例提供的加密方法加密后，如图7；图8为本实施例提供的另一个原JPEG图像，经本实施例提供的加密方法加密后，如图9。
用PSNR来衡量解密后的图片与原图的差距(即失真度)，详细的结果如下表所示:
图像名 指标 值
Baboon PSNR 58.0335dB
Lena PSNR 62.5585dB
其中，PSNR是“Peak Signal to Noise Ratio”的缩写，即峰值信噪比，是一种评价图像的客观标准，它的值越大表示加密后图像的质量越高，失真程度越低。一般而言，PSNR高于40dB说明图像质量极好(即非常接近原始图像)，在30—40dB通常表示图像质量是好的(即失真可以察觉但可以接受)，在20—30dB说明图像质量差,低于20dB说明图像不可接受。显然可以看出，本发明能够使得加密后的图像仍保持非常高的图像质量，与原图差别非常小，在确保了图像内容的安全性的同时，也保证了图像视觉质量。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种彩色JPEG图像的格式兼容加密方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：确定要提取的块T的规模LT，LT即为要加密的区域大小；
S2：从原JPEG图像的压缩数据段中框选ROI块，根据ROI块与T的大小关系，重新框选ROI块或者补充随机块至ROI块中使ROI块与T规模相等；
S3：对S2中得到的块进行RC4加密形成加密块；
S4：对原JPEG图像的压缩数据段中剩余的块进行置乱重排；
S5：将S3生成的加密块与S4中置乱重排后的块重新组织为格式兼容的加密JPEG图像；
步骤S5的具体过程为：
S5.1：新建一个JPEG图像文件P；
S5.2：将S3生成的加密块的数据存放到P的APPn字段；
S5.3：将S4中置乱重排后的数据存放到P的压缩数据段，此时得到的P即为格式兼容的加密JPEG图像。
2.根据权利要求1所述的彩色JPEG图像的格式兼容加密方法，其特征在于，步骤S1中提取的块T的规模LT不超过JPEG头文件中APPn字段的总容量。
3.根据权利要求2所述的彩色JPEG图像的格式兼容加密方法，其特征在于，步骤S2的具体步骤为：
S2.1：框选ROI块，利用人脸检测算法，定位出JPEG图像中属于ROI区域的块位置，并标记为R，R的规模用LR表示；
S2.2：根据ROI块与T的大小关系，比较LR和LT大小，如果LR大于LT，重新执行步骤S2.1使LR＝LT；如果LR小于LT，补充随机块至ROI块中，从剩余块中随机选取一部分块D，D的规模用LD表示，使得LR+LD＝LT。
4.根据权利要求3所述的彩色JPEG图像的格式兼容加密方法，其特征在于，步骤S2还包括步骤S2.3：
S2.3：对于最后得到的ROI块中的每一块，定义M为它们在原JPEG图像的压缩数据段中的位置信息，定义S为它们各自的大小信息，并且M和S与最后得到的ROI块拼接成新的数据块K。
5.根据权利要求4所述的彩色JPEG图像的格式兼容加密方法，其特征在于，步骤S3中对S2中得到的块进行RC4加密形成加密块的具体步骤为：
S3.1：对于数据块K中每一个块中的数据用RC4异或加密算法进行加密。
6.根据权利要求5所述的彩色JPEG图像的格式兼容加密方法，其特征在于，步骤S4中，定义O为原JPEG图像的压缩数据段中剩余的块，对所有剩余块采取随机置乱重排，定义G为置乱后的剩余块。
7.一种彩色JPEG图像的格式兼容解密方法，其特征在于，对根据权利要求1至6中任一项所述的彩色JPEG图像的格式兼容加密方法所得到的图像进行对应解密，包括步骤S6：进行图像的恢复或图像的解密，步骤S6中图像的恢复的具体步骤为：
S6.1：解密压缩数据段中的内容，将置乱后的剩余块G恢复成原来顺序排列的剩余块O；
S6.2：将剩余块O恢复到原JPEG图像的压缩数据段中的位置，恢复出具有原JPEG图像的部分内容信息的JPEG图像，用于检测处理。
8.根据权利要求7所述的彩色JPEG图像的格式兼容解密方法，其特征在于，步骤S6中图像的解密的具体步骤为：
S6.3：解密P的APPn字段中的数据，得到数据块K；
S6.4：对于数据块K中的每一块数据，根据M中记录的位置信息和S中记录的大小信息恢复成在原JPEG图像的压缩数据段中的位置；
S6.5：使用步骤S6.1至步骤S6.2对剩余块O进行恢复，得到原JPEG图像。
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