CN111324897B - 一种图像加密方法、装置及图像解密方法、装置 - Google Patents
一种图像加密方法、装置及图像解密方法、装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种图像加密与校正方法、装置及图像解密方法、装置，属于图像加密技术领域。基于加密密钥，生成第一随机序列、第二随机序列；所述第二随机序列为二值序列，用于指示第一随机序列中取倒数的序列元素；根据所述第一随机序列、第二随机序列，生成第三随机序列；根据所述第三随机序列，执行随机进制转换，对输入的第一图像数据进行加密，从而利用随机进制对常数进制数进行重新表示，避免了图像在加密后数据量的极度膨胀，降低了云端服务器的存储需求和加密域处理时的计算负荷；本发明基于用于指示第一随机序列中取倒数的序列元素的第二随机序列以及第一随机序列来进行生成第三随机序列，使得加密结果更为随机，增强了加密效果。
Description
技术领域
本申请涉及一种图像加密技术领域，特别是涉及一种图像加密方法、装置及图像解密方法、装置。
背景技术
在云储存环境中，用户和云端具有不同的需求。用户希望自己的数据隐私得到保护，而云端则希望能够对用户数据进行一定处理，比如数据压缩和检索，以更有效地节省存储空间和缩短响应时间。用户为保护数据隐私可对数据进行加密，而云端则需要在不进行解密的前提下对加密数据进行处理，这促进了加密域信号处理的发展并受到广泛重视。
Graig Centry在论文“A fully homomorphic encryption scheme”中提出了一种同态加密方案，用于加密一般化的数据，其可以在不解密的条件下对加密数据进行多种可以在明文上进行的运算，使得对加密信息仍能进行一定的处理和分析，而不会影响其保密性，同态加密技术允许公司将敏感的信息储存在远程服务器里，既避免从当地的主机端发生泄密，又依然保证了信息的使用和搜索。但是，该数据加密方案会造成加密数据量急剧膨胀，导致云端服务器额外消耗大量的存储空间，反而与云端期望减轻存储负担的需求相悖。该数据加密方案在计算中采用常数进制。对于图像亮度数据表示时，通常用一个十进制整数(如0～255的8位无符号整数)来表示亮度值，其个、十、百、千位皆逢十进一。本发明提出不采用常数进制，而是让各位数字的进制由加密秘钥控制，这就使得无秘钥的第三方无法对加密值进行正确解析，从而达到加密的目的。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种随机进制的图像加密方法、装置，保护用户私密性的情况下进行图像细节增强处理，技术方案如下：
一种图像加密方法，包括：
基于加密密钥，生成第一随机序列、第二随机序列；所述第二随机序列为二值序列，用于指示第一随机序列中取倒数的序列元素；
根据所述第一随机序列、第二随机序列，生成第三随机序列；
根据所述第三随机序列，执行随机进制转换，对输入的第一图像数据进行加密。
优选地，所述根据所述第三随机序列，执行随机进制转换，对输入的第一图像数据进行加密，包括：
(1)所述第一图像数据与所述第三随机序列第i个元素取余，作为所述第一图像数据加密后的加密图像数据的第i位元素；所述输入图像数据为非0的图像数据；
(2)所述输入数据与所述第三随机序列第i个元素取整，获取第二图像数据；
(3)i＝i+1，将所述第一图像数据更新为所述第二图像数据的数值，重复执行以上步骤，直至所述输入数据为0。
一种图像解密方法，包括：
基于加密密钥，生成第一随机序列、第二随机序列；所述第二随机序列为二值序列，用于指示第一随机序列中取倒数的序列元素；
根据所述第一随机序列、第二随机序列，生成第三随机序列；
根据所述第三随机序列，执行随机进制转换，对加密图像数据进行解密。
优选地，所述根据所述第三随机序列，执行随机进制转换，对加密图像数据进行解密，包括：
(1)对于加密图像数据进行拆分，获取加密图像数据的自最低位到最高位第i位元素；
(2)根据如下公式，执行解密还原第一图像数据。
其中，x为第一图像数据；[y1,y2,y3,…]分别表示加密图像数据的自最低位到最高位的第i位元素；
为第三随机序列。
一种图像加密装置，其特征在于：
第一、第二序列生成模块，基于加密密钥，生成第一随机序列、第二随机序列；所述第二随机序列为二值序列，用于指示第一随机序列中取倒数的序列元素；
第三序列生成模块，根据所述第一随机序列、第二随机序列，生成第三随机序列；
图像加密模块，根据所述第三随机序列，执行随机进制转换，对输入的第一图像数据进行加密。
一种图像解密装置，其特征在于：
第一、第二序列生成模块，基于加密密钥，生成第一随机序列、第二随机序列；所述第二随机序列为二值序列，用于指示第一随机序列中取倒数的序列元素；
第三序列生成模块，根据所述第一随机序列、第二随机序列，生成第三随机序列；
图像解密模块，根据所述第三随机序列，执行随机进制转换，对加密图像数据进行解密。
优选地，所述图像解密模块，包括：
拆分模块，对于加密图像数据进行拆分，获取加密图像数据的自最低位到最高位第i位元素；
解密还原模块，根据如下公式，执行解密还原第一图像数据。
其中，x为第一图像数据；[y1,y2,y3,…]分别表示加密图像数据的自最低位到最高位的第i位元素；
为第三随机序列。
与现有技术相比，本发明基于加密密钥，生成第一随机序列、第二随机序列；所述第二随机序列为二值序列，用于指示第一随机序列中取倒数的序列元素；根据所述第一随机序列、第二随机序列，生成第三随机序列；根据所述第三随机序列，执行随机进制转换，对输入的第一图像数据进行加密，从而利用随机进制对常数进制数进行重新表示，避免了图像在加密后数据量的极度膨胀，降低了云端服务器的存储需求和加密域处理时的计算负荷；另一方面，本发明基于用于指示第一随机序列中取倒数的序列元素的第二随机序列以及第一随机序列来进行生成第三随机序列，使得加密结果更为随机，增强了加密效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一的图像加密流程图；
图2为本发明实施例二的图像解密流程图；
图3为本发明实施例三的图像加密、解密效果图；图3(a)为原始图像；图3(b)为在加密秘钥K＝123实施的图像加密效果图；图3(c)为基于秘钥K＝123实施的图像解密后的效果图。
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。
实施例一
如图1所示，本发明实施例一种图像加密方法，不同于文字数据，图像数据具有特殊性：单独一个像素值通常不具有明确的语义，只有将它与其邻域像素一同观察，才构成一定的语义模式。因此，没有必要对每个像素进行高强度的同态加密，只需在相邻像素间引入随机性，即可扰乱原有的模式，使之无法辨认，从而达到加密的目的。
本发明实施例一种图像加密方法，包括：
基于加密密钥，生成第一随机序列、第二随机序列；所述第二随机序列为二值序列，用于指示第一随机序列中取倒数的序列元素；
根据所述第一随机序列、第二随机序列，生成第三随机序列；
根据所述第三随机序列，执行随机进制转换，对输入的第一图像数据进行加密。
所述根据所述第三随机序列，执行随机进制转换，对输入的第一图像数据进行加密，包括：
(1)所述第一图像数据与所述第三随机序列第i个元素取余，作为所述第一图像数据加密后的加密图像数据的第i位元素；所述输入图像数据为非0的图像数据；
(2)所述输入数据与所述第三随机序列第i个元素取整，获取第二图像数据；
(3)i＝i+1，将所述第一图像数据更新为所述第二图像数据的数值，重复执行以上步骤，直至所述输入数据为0。
相应的，如图1所示，本发明实施例一的图像加密流程图；
本实施执行图像加密的任务是根据输入的像素亮度值x和加密秘钥K，输出其加密值y。
Step 1：在加密秘钥K的控制下，产生一个取值范围在2和N之间的随机正整数序列[n1,n2,n3,…],即2≤ni≤N，i＝1,2,3，…。N可由用户设置。
具体地，随机数的产生是相当成熟的技术，目前不同的软件开发包会提供相应的函数(如rand用于产生随机浮点数，randi用于产生随机正整数)，由于其内部实现方式各有不同。本实施例，通过调用Matlab 2016a提供的randi函数接口，通过设置随机数范围在2和N之间，并用K作为randi函数的初始化参数来产生此处的随机正整数。每次调用randi就能产生一个随机数。因此，只需要循环调用randi，即可生成任意个数的随机数，从而构成随机数序列。
Step 2:在加密秘钥K的控制下，产生一个取值为0或1的二值序列[s1,s2,s3,…],控制该序列中取1的元素的概率为P，0≤P≤0.5，P由用户设置。二值序列[s1,s2,s3,…]用于指示正整数序列[n1,n2,n3,…]中的哪些位需要取倒数，提高加密的随机性。
具体地，本实施例，调用Matlab 2016a的randi函数，用K作为randi函数的初始化参数，并设置随机数取值范围是0或1，即可生成1个随机数。循环调用randi，即可生成任意个数的随机数，从而构成0或1的随机数序列。
Step 3：遍历二值序列[s1,s2,s3,…]中的每个元素，如果该元素取1，则将[n1,n2,n3,…]中对应下标的元素取倒数；如果该元素取0，则[n1,n2,n3,…]中对应下标的元素不做修改，最后得到新的随机数序列
有
Step 4：对输入的待加密亮度值x,执行以下所述的“随机进制转换”算法得到加密后亮度值y的各位数字：
例如，待加密亮度值x＝123,在加密秘钥K＝628的控制下，设置N＝9，P＝0.1，最终加密得到的y的各位数字是[y1,y2,y3,y4,y5,y6]＝[0,1,4,0,1,1],那么亮度加密值为y＝110410。
实施例二
如图2所示，本发明实施一种图像加密方法，包括：
基于加密密钥，生成第一随机序列、第二随机序列；所述第二随机序列为二值序列，用于指示第一随机序列中取倒数的序列元素；
根据所述第一随机序列、第二随机序列，生成第三随机序列；
根据所述第三随机序列，执行随机进制转换，对加密图像数据进行解密。
优选地，所述根据所述第三随机序列，执行随机进制转换，对加密图像数据进行解密，包括：
(1)对于加密图像数据进行拆分，获取加密图像数据的自最低位到最高位第i位元素；
(2)根据如下公式，执行解密还原第一图像数据。
其中，x为第一图像数据；[y1,y2,y3,…]分别表示加密图像数据的自最低位到最高位的第i位元素；
为第三随机序列。
如图2所示为本发明实施例的图像解密流程图；
本实施执行图像解密的任务是根据输入的像素亮度值加密值y和加密秘钥K，解密得到其原值x。前三个步骤与实施例一加密模块的前三个步骤相似，用于产生随机进制。
Step 1:在加密秘钥K的控制下，产生一个取值范围在2和N之间的随机正整数序列[n1,n2,n3,…]，即2≤ni≤N,i＝1,2,3,…。此处的N必须与加密模块中的N取值相同，否则无法解密。
具体地，随机数的产生是相当成熟的技术，目前不同的软件开发包会提供相应的函数(如rand用于产生随机浮点数，randi用于产生随机正整数)，由于其内部实现方式各有不同。本实施例，通过调用Matlab 2016a提供的randi函数接口，通过设置随机数范围在2和N之间，并用K作为randi函数的初始化参数来产生此处的随机正整数。每次调用randi就能产生一个随机数。因此，只需要循环调用randi，即可生成任意个数的随机数，从而构成随机数序列。
Step 2:在加密秘钥K的控制下，产生一个取值为0或1的二值序列[s1,s2,s3,…],控制该序列中取1的元素的概率为P，0≤P≤0.5，此处的P必须与加密模块中的P取值相同。
具体地，本实施例，调用Matlab 2016a的randi函数，用K作为randi函数的初始化参数，并设置随机数取值范围是0或1，即可生成1个随机数。循环调用randi，即可生成任意个数的随机数，从而构成0或1的随机数序列。
Step 3：遍历二值序列[s1,s2,s3,…]中的每个元素，如果该元素取1，则将[n1,n2,n3,…]中对应下标的元素取倒数；如果该元素取0，则[n1,n2,n3,…]中对应下标的元素不做修改，最后得到新的随机数序列
有
Step 4：对加密亮度值y,自最低位到最高位拆分成序列[y1,y2,y3,…],根据以下解密公式得到亮度原值x：
例如，亮度加密值为y＝110410，将y自最低位向最高位拆分成序列[y1,y2,y3,…]＝[0,1,4,0,1,1],然后在加密秘钥K＝628，N＝9，P＝0.1的控制下，得到亮度原值x＝123。
实施例三
本发明实施一种图像加密装置，包括：
第一、第二序列生成模块，基于加密密钥，生成第一随机序列、第二随机序列；所述第二随机序列为二值序列，用于指示第一随机序列中取倒数的序列元素；
第三序列生成模块，根据所述第一随机序列、第二随机序列，生成第三随机序列；
图像加密模块，根据所述第三随机序列，执行随机进制转换，对输入的第一图像数据进行加密。
本发明实施一种图像解密装置，包括：
第一、第二序列生成模块，基于加密密钥，生成第一随机序列、第二随机序列；所述第二随机序列为二值序列，用于指示第一随机序列中取倒数的序列元素；
第三序列生成模块，根据所述第一随机序列、第二随机序列，生成第三随机序列；
图像解密模块，根据所述第三随机序列，执行随机进制转换，对加密图像数据进行解密。
所述图像解密模块进一步包括：
拆分模块，对于加密图像数据进行拆分，获取加密图像数据的自最低位到最高位第i位元素；
解密还原模块，根据如下公式，执行解密还原第一图像数据。
其中，x为第一图像数据；[y1,y2,y3,…]分别表示加密图像数据的自最低位到最高位的第i位元素；
为第三随机序列。
本实施，使用lena.bmp图像进行加密和解密实验，本实施中采用的参数均为：P＝0.1，N＝9。
加密：待加密亮度值x＝123,在加密秘钥K＝628的控制下，设置N＝9，P＝0.1，最终加密得到的y的各位数字是[y1,y2,y3,y4,y5,y6]＝[0,1,4,0,1,1],那么亮度加密值为y＝110410；
解密：亮度加密值为y＝110410，将y自最低位向最高位拆分成序列[y1,y2,y3,…]＝[0,1,4,0,1,1],然后在加密秘钥K＝628，N＝9，P＝0.1的控制下，得到亮度原值x＝123。
如图3(a)为原始图像；图3(b)为在加密秘钥K＝123实施的图像加密效果图；如图3(c)为基于秘钥K＝123实施的图像解密后的效果图。可以看到，加密图像中的细节已经基本无法辨认，达到较好的加密效果。而解密后的图像则复原出与原图一致的视觉信息。
可选地，本发明可以对多个待加密对象执行加密域加法运算，取两个待加密的亮度值x1＝35，x2＝187，在秘钥K＝628的控制下，x1的加密值y1＝10710，x2的加密值y2＝201110。在加密域，将两个加密值相加，得到加密值y3＝y1+y2＝10710+201110＝211820。
对加密值y3进行解密，得到x3＝222。这正好满足x3＝x1+x2，满足了本发明实施的加密域加法运算。
与现有技术相比，本发明基于加密密钥，生成第一随机序列、第二随机序列；所述第二随机序列为二值序列，用于指示第一随机序列中取倒数的序列元素；根据所述第一随机序列、第二随机序列，生成第三随机序列；根据所述第三随机序列，执行随机进制转换，对输入的第一图像数据进行加密，从而利用随机进制对常数进制数进行重新表示，避免了图像在加密后数据量的极度膨胀，降低了云端服务器的存储需求和加密域处理时的计算负荷；平均意义下，使用现有技术：Graig Centry在论文“A fully homomorphic encryptionscheme”中提出的同态加密方案，进行加密，如果采用256bit的加密强度，会使原本8bit的数值膨胀为256bit，足足为原来的32倍；而使用本发明，则通常只需要64bit，仅为现有技术1的1/4。
另一方面，本发明基于用于指示第一随机序列中取倒数的序列元素的第二随机序列以及第一随机序列来进行生成第三随机序列，使得加密结果更为随机，增强了加密效果。
Claims (4)
1.一种图像加密方法，其特征在于，包括：
基于加密密钥，生成第一随机序列、第二随机序列；所述第二随机序列为二值序列，用于指示第一随机序列中取倒数的序列元素；
根据所述第一随机序列、第二随机序列，生成第三随机序列；
根据所述第三随机序列，执行随机进制转换，对输入的第一图像数据进行加密，包括：
(1)所述第一图像数据与所述第三随机序列第i个元素取余，作为所述第一图像数据加密后的加密图像数据的第i位元素；所述输入图像数据为非0的图像数据；
(2)所述输入数据与所述第三随机序列第i个元素取整，获取第二图像数据；
(3)i＝i+1，将所述第一图像数据更新为所述第二图像数据的数值，重复执行以上步骤，直至所述输入数据为0。
2.一种根据权利要求1所述的图像加密方法的加密图像的图像解密方法，其特征在于，包括：
基于加密密钥，生成第一随机序列、第二随机序列；所述第二随机序列为二值序列，用于指示第一随机序列中取倒数的序列元素；
根据所述第一随机序列、第二随机序列，生成第三随机序列；
根据所述第三随机序列，执行随机进制转换，对加密图像数据进行解密，包括：
(1)对于加密图像数据进行拆分，获取加密图像数据的自最低位到最高位第i位元素；
(2)根据如下公式，执行解密还原第一图像数据：
其中，x为第一图像数据；[y1,y2,y3,…]分别表示加密图像数据的自最低位到最高位的第i位元素；
为第三随机序列。
3.一种图像加密装置，其特征在于，包括：
第一、第二序列生成模块，基于加密密钥，生成第一随机序列、第二随机序列；所述第二随机序列为二值序列，用于指示第一随机序列中取倒数的序列元素；
第三序列生成模块，根据所述第一随机序列、第二随机序列，生成第三随机序列；
图像加密模块，根据所述第三随机序列，执行随机进制转换，对输入的第一图像数据进行加密，包括：
(1)所述第一图像数据与所述第三随机序列第i个元素取余，作为所述第一图像数据加密后的加密图像数据的第i位元素；所述输入图像数据为非0的图像数据；
(2)所述输入数据与所述第三随机序列第i个元素取整，获取第二图像数据；
(3)i＝i+1，将所述第一图像数据更新为所述第二图像数据的数值，重复执行以上步骤，直至所述输入数据为0。
4.一种根据权利要求3所述的图像加密装置的加密图像的图像解密装置，其特征在于，包括：
第一、第二序列生成模块，基于加密密钥，生成第一随机序列、第二随机序列；所述第二随机序列为二值序列，用于指示第一随机序列中取倒数的序列元素；
第三序列生成模块，根据所述第一随机序列、第二随机序列，生成第三随机序列；
图像解密模块，根据所述第三随机序列，执行随机进制转换，对加密图像数据进行解密；
拆分模块，对于加密图像数据进行拆分，获取加密图像数据的自最低位到最高位第i位元素；
解密还原模块，根据如下公式，执行解密还原第一图像数据；
其中，x为第一图像数据；[y1,y2,y3,…]分别表示加密图像数据的自最低位到最高位的第i位元素；
为第三随机序列。
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Application publication date: 20200623 Assignee: SHENZHEN BUTT JOINT PLATFORM TECHNOLOGY DEVELOPMENT CO.,LTD. Assignor: SHENZHEN INSTITUTES OF ADVANCED TECHNOLOGY CHINESE ACADEMY OF SCIENCES Contract record no.: X2023980044057 Denomination of invention: An image encryption method, device, and image decryption method and device Granted publication date: 20220809 License type: Common License Record date: 20231023 Application publication date: 20200623 Assignee: Achievement (Shenzhen) Industrial Technology Co.,Ltd. Assignor: SHENZHEN INSTITUTES OF ADVANCED TECHNOLOGY CHINESE ACADEMY OF SCIENCES Contract record no.: X2023980043760 Denomination of invention: An image encryption method, device, and image decryption method and device Granted publication date: 20220809 License type: Common License Record date: 20231019 |
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Application publication date: 20200623 Assignee: Zhongke Jingqi (Guangdong) Technology Co.,Ltd. Assignor: SHENZHEN INSTITUTES OF ADVANCED TECHNOLOGY CHINESE ACADEMY OF SCIENCES Contract record no.: X2023980045543 Denomination of invention: An image encryption method, device, and image decryption method and device Granted publication date: 20220809 License type: Common License Record date: 20231102 |
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