CN111179146A - 一种基于卫星通信的气象海洋资料加密系统 - Google Patents

一种基于卫星通信的气象海洋资料加密系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及资料加密技术领域，具体地说，涉及一种基于卫星通信的气象海洋资料加密系统。其包括图像空域加密单元和图像频域加密单元；所述图像频域加密单元包括频域置乱模块和频域混合加密模块，所述频域置乱模块用于置乱图像的频域数据位置；所述频域混合加密模块用于对图像进行频域混合变化加密。该基于卫星通信的气象海洋资料加密系统中，采用图像空域加密单元和图像频域加密单元分别对卫星图像进行空域和频域两个方面进行加密处理，不增加码速率、误码率，不易攻破，且加密、解密算法简单、硬件设备简单可靠。

Description

一种基于卫星通信的气象海洋资料加密系统
技术领域
本发明涉及资料加密技术领域，具体地说，涉及一种基于卫星通信的气象海洋资料加密系统。
背景技术
空间遥感在民用领域获得了广泛的应用，各航天大国都在不惜巨资研制自己的民用遥感卫星。获得的遥感图像分辨率越来越高，其图像数据的民用价值越来越高。但卫星传输到地面的数据容易被接收或截获，从而可以“非法”得到卫星发射国遥感卫星图像。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于卫星通信的气象海洋资料加密系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种基于卫星通信的气象海洋资料加密系统，包括图像空域加密单元和图像频域加密单元，所述图像空域加密单元包括置乱加密模块、灰度加密模块和时频混合加密模块，所述置乱加密模块用于置乱图像像素在空间的位置；所述灰度加密模块用于为图像合成灰度；所述时频混合加密模块用于对图像进行综合加密；所述图像频域加密单元包括频域置乱模块和频域混合加密模块，所述频域置乱模块用于置乱图像的频域数据位置；所述频域混合加密模块用于对图像进行频域混合变化加密。
作为优选，所述置乱加密模块的置乱加密方法包括如下步骤：
S1.1、针对于m行n列的图像矩阵Mm×n，采用光栅扫描进行加密；光栅扫描为NW→SE(SE→NW)；
S1.2、一维控制二维产生的两个混沌序列，变为大小为m×n的两个二维矩阵z1和z2，在(x,y)处计算：
a＝fix(z1(x,y)*m)+1……(1-1)；
b＝fix(z2(x,y)*n)+1……(1-2)；
其中，fix()为向0方向取整；
S1.3、将M(x,y)和M(a,b)互换，并进行扩散，扩散公式如下：
Figure BDA0002325790410000021
其中L为像素灰度级数，Ii为扩散前的像素值，Ci为扩散后的像素值，C0为一级密钥。
作为优选，所述灰度加密模块Arnold变换法，所述Arnold变换法的公式为：
Figure BDA0002325790410000022
其中，x,y∈{0,1,2,…,N-1}，(x,y),(x',y')分别表示像素在图像矩阵中变换前后的坐标，N为数字图像矩阵的阶数。在水印图像置乱时，将置乱次数k作为密钥，图像矩阵执行k次Arnold变换；在逆置乱时，利用Arnold变换的周期性,对提取的水印做T-k次变换便可恢复原水印图像。
作为优选，所述时频混合加密模块采用Logistic算法和Hybrid算法两种不同的混洗序列进行变换。
作为优选，所述Logistic算法的公式如下：
Figure BDA0002325790410000023
其中，t通常表示时间变量，a，b和c为模型的参数；当趋势比较完整时a＞0，b＜0，c＞0。
作为优选，所述Hybrid算法的算法包括如下步骤：
S2.1、产生大小相同的圆形原子聚类；
S2.2、合并原子聚类形成聚合聚类。
产生大小相同的圆形原子聚类采用CLAP方法，其方法为：聚类特征
Figure BDA0002325790410000024
是一个三元组，其中N为点的个数，
Figure BDA0002325790410000025
是N个点的线性和，反应了簇点的重心，
Figure BDA0002325790410000026
是N个点的平放和，反应了簇点的直径大小，SS越小，说明簇点聚得越紧，从而使得一簇点的表示可总结为对应的一个聚类特征，而不必再用具体的这一组点来表示。
作为优选，所述频域置乱模块采用Haar域置乱加密方法，其方法包括如下步骤：
S3.1、采用小波分解算法将图像进行多层分解；
S3.2、将图像频域数据进行多层分块分别置乱。
作为优选，所述小波分解算法的公式为：
Figure BDA0002325790410000031
作为优选，所述频域混合加密模块的加密方法包括如下步骤：
S4.1、通过素数的生成算法，得到两个大的素数p和q；
S4.2、利用RSA加密算法中密钥生成算法，生成一把公开密钥和私有密钥；
S4.3、将RSA公钥通过某种方式公布出去，而把RSA私钥保存；
S4.4、通过线性同余法产生一个64位的随机数作为DES的会话密钥，对明文进行DES加密和解密；
S4.5、利用RSA的公钥对会话密钥进行RSA加密，并将会话密钥进行加密保存，并与DES加密后的密文合并。
与现有技术相比，本发明的有益效果：该基于卫星通信的气象海洋资料加密系统中，采用图像空域加密单元和图像频域加密单元分别对卫星图像进行空域和频域两个方面进行加密处理，不增加码速率、误码率，不易攻破，且加密、解密算法简单、硬件设备简单可靠。
附图说明
图1为本发明的图像空域加密单元模块框图；
图2为本发明的图像频域加密单元模块框图；
图3为本发明的置乱加密方法流程图；
图4为本发明的Hybrid算法流程图；
图5为本发明的Haar域置乱加密方法流程图；
图6为本发明的频域混合加密模块的加密方法流程图。
图中各个标号意义为：
1、图像空域加密单元；11、置乱加密模块；12、灰度加密模块；13、时频混合加密模块；
2、图像频域加密单元；21、频域置乱模块；22、频域混合加密模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-图6所示，本发明提供一种技术方案：
本发明提供一种基于卫星通信的气象海洋资料加密系统，包括图像空域加密单元1和图像频域加密单元2，图像空域加密单元1包括置乱加密模块11、灰度加密模块12和时频混合加密模块13，置乱加密模块11用于置乱图像像素在空间的位置；灰度加密模块12用于为图像合成灰度；时频混合加密模块13用于对图像进行综合加密；图像频域加密单元2包括频域置乱模块21和频域混合加密模块22，频域置乱模块21用于置乱图像的频域数据位置；频域混合加密模块22用于对图像进行频域混合变化加密。
本实施例中，置乱加密模块11的置乱加密方法包括如下步骤：
S1.1、针对于m行n列的图像矩阵Mm×n，采用光栅扫描进行加密；光栅扫描为NW→SE(SE→NW)；
S1.2、一维控制二维产生的两个混沌序列，变为大小为m×n的两个二维矩阵z1和z2，在(x，y)处计算：
a＝fix(z1(x，y)*m)+1……(1-1)；
b＝fix(z2(x，y)*n)+1……(1-2)；
其中，fix()为向0方向取整；
S1.3、将M(x，y)和M(a，b)互换，并进行扩散，扩散公式如下：
Figure BDA0002325790410000051
其中L为像素灰度级数，Ii为扩散前的像素值，Ci为扩散后的像素值，C0为一级密钥。
进一步的，灰度加密模块12Arnold变换法，Arnold变换法的公式为：
Figure BDA0002325790410000052
其中，x,y∈{0,1,2,…,N-1}，(x,y),(x',y')分别表示像素在图像矩阵中变换前后的坐标，N为数字图像矩阵的阶数。在水印图像置乱时，将置乱次数k作为密钥，图像矩阵执行k次Arnold变换；在逆置乱时，利用Arnold变换的周期性,对提取的水印做T-k次变换便可恢复原水印图像。
具体的，时频混合加密模块13采用Logistic算法和Hybrid算法两种不同的混洗序列进行变换。
值得说明的是，Logistic算法的公式如下：
Figure BDA0002325790410000053
其中，t通常表示时间变量，a，b和c为模型的参数；当趋势比较完整时a＞0，b＜0，c＞0。
此外，Hybrid算法的算法包括如下步骤：
S2.1、产生大小相同的圆形原子聚类；
S2.2、合并原子聚类形成聚合聚类。
产生大小相同的圆形原子聚类采用CLAP方法，其方法为：聚类特征
Figure BDA0002325790410000054
是一个三元组，其中N为点的个数，
Figure BDA0002325790410000055
是N个点的线性和，反应了簇点的重心，
Figure BDA0002325790410000056
是N个点的平放和，反应了簇点的直径大小，SS越小，说明簇点聚得越紧，从而使得一簇点的表示可总结为对应的一个聚类特征，而不必再用具体的这一组点来表示。
其中，合并原子聚类的过程可以看作为聚合聚类的边界扩张过程，所谓聚合聚类的边界是那些与聚合聚类邻接且密度相近的原子聚类，边界扩张对过程是任选一个原子聚类作为初始聚合聚类，然后寻找该聚合聚类的新边界，将该边界中的原子聚类合并入聚合聚类形成新的聚合聚类，并且由此边界为基准，寻找下一个新边界，当没有新的边界形成时，该过程终止。
除此之外，频域置乱模块21采用Haar域置乱加密方法，其方法包括如下步骤：
S3.1、采用小波分解算法将图像进行多层分解；
S3.2、将图像频域数据进行多层分块分别置乱。
其中，小波分解算法的公式为：
Figure BDA0002325790410000061
进一步的，小波变换既有频率分析的性质，又能表示发生的时间，有利于分析确定时间发生的现象，小波变换-一个信号为一个小波级数，这样一个信号可由小波系数来刻画。
具体的，频域混合加密模块22的加密方法包括如下步骤：
S4.1、通过素数的生成算法，得到两个大的素数p和q；
S4.2、利用RSA加密算法中密钥生成算法，生成一把公开密钥和私有密钥；
S4.3、将RSA公钥通过某种方式公布出去，而把RSA私钥保存；
S4.4、通过线性同余法产生一个64位的随机数作为DES的会话密钥，对明文进行DES加密和解密；
S4.5、利用RSA的公钥对会话密钥进行RSA加密，并将会话密钥进行加密保存，并与DES加密后的密文合并。
其中，混合加密模块22的特定为：提供文件的两种加密方式，即混合加密方式和D－ES加密方式；系统还能检验密钥的正确性，因为加密时将加密后的密钥密文也存入文件中，解密时，先用当前密钥解密密钥密文，如果所得的密钥明文与当前密钥相同，则当前密钥应该是正确的；混合加密系统的混合加密模块也具有对RSA密钥检错的功能，这主要通过解密后DES密钥的长度来判断的，因为如果RSA密钥错误，那么解密后的DES密钥长度一定超过16个字节；系统的DES加密方式可以进行1次DES加密标准DES加密和3次DES加密，根据密钥长度，系统自动选择加密方案，当密钥长度在64位以内时将使用标准DES加密，当密钥长度超过64位后，系统将设置第2密钥，并启用3次DES加密，其密钥长度可达112位；系统具有很强的扩展性，提供了3种加解密接口：文件接口、文件句柄接口和内存缓冲区接口。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种基于卫星通信的气象海洋资料加密系统，包括图像空域加密单元(1)和图像频域加密单元(2)，其特征在于：所述图像空域加密单元(1)包括置乱加密模块(11)、灰度加密模块(12)和时频混合加密模块(13)，所述置乱加密模块(11)用于置乱图像像素在空间的位置；所述灰度加密模块(12)用于为图像合成灰度；所述时频混合加密模块(13)用于对图像进行综合加密；所述图像频域加密单元(2)包括频域置乱模块(21)和频域混合加密模块(22)，所述频域置乱模块(21)用于置乱图像的频域数据位置；所述频域混合加密模块(22)用于对图像进行频域混合变化加密。
2.根据权利要求1所述的基于卫星通信的气象海洋资料加密系统，其特征在于：所述置乱加密模块(11)的置乱加密方法包括如下步骤：
S1.1、针对于m行n列的图像矩阵Mm×n；
S1.2、一维控制二维产生的两个混沌序列，变为大小为m×n的两个二维矩阵z1和z2，在(x，y)处计算：
a＝fix(z1(x，y)*m)+1……(1-1)；
b＝fix(z2(x，y)*n)+1……(1-2)；
其中，fix()为向0方向取整；
S1.3、将M(x，y)和M(a，b)互换，并进行扩散，扩散公式如下：
Figure FDA0002325790400000011
其中L为像素灰度级数，Ii为扩散前的像素值，Ci为扩散后的像素值，C0为一级密钥。
3.根据权利要求1所述的基于卫星通信的气象海洋资料加密系统，其特征在于：所述灰度加密模块(12)Arnold变换法，所述Arnold变换法的公式为：
Figure FDA0002325790400000012
其中，x，y∈{0，1，2，…，N-1}，(x，y)，(x′，y′)分别表示像素在图像矩阵中变换前后的坐标，N为数字图像矩阵的阶数。
4.根据权利要求1所述的基于卫星通信的气象海洋资料加密系统，其特征在于：所述时频混合加密模块(13)采用Logistic算法和Hybrid算法两种不同的混洗序列进行变换。
5.根据权利要求4所述的基于卫星通信的气象海洋资料加密系统，其特征在于：所述Logistic算法的公式如下：
Figure FDA0002325790400000021
其中，t通常表示时间变量，a，b和c为模型的参数；当趋势比较完整时a＞0，b＜0，c＞0。
6.根据权利要求4所述的基于卫星通信的气象海洋资料加密系统，其特征在于：所述Hybrid算法的算法包括如下步骤：
S2.1、产生大小相同的圆形原子聚类；
S2.2、合并原子聚类形成聚合聚类。
7.根据权利要求1所述的基于卫星通信的气象海洋资料加密系统，其特征在于：所述频域置乱模块(21)采用Haar域置乱加密方法，其方法包括如下步骤：
S3.1、采用小波分解算法将图像进行多层分解；
S3.2、将图像频域数据进行多层分块分别置乱。
8.根据权利要求7所述的基于卫星通信的气象海洋资料加密系统，其特征在于：所述小波分解算法的公式为：
Figure FDA0002325790400000022
小波变换既有频率分析的性质，又能表示发生的时间，有利于分析确定时间发生的现象，小波变换-一个信号为一个小波级数，这样一个信号可由小波系数来刻画。
9.根据权利要求1所述的基于卫星通信的气象海洋资料加密系统，其特征在于：所述频域混合加密模块(22)的加密方法包括如下步骤：
S4.1、通过素数的生成算法，得到两个大的素数p和q；
S4.2、利用RSA加密算法中密钥生成算法，生成一把公开密钥和私有密钥；
S4.3、将RSA公钥通过某种方式公布出去，而把RSA私钥保存；
S4.4、通过线性同余法产生一个64位的随机数作为DES的会话密钥，对明文进行DES加密和解密；
S4.5、利用RSA的公钥对会话密钥进行RSA加密，并将会话密钥进行加密保存，并与DES加密后的密文合并。
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