CN1738235A - 基于混沌特性的图像防伪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的基于混沌特性的图像防伪方法，首先将需要进行保密防伪的信息采用混沌映射系统生成混沌序列，利用此混沌密码序列进行信息的加密，再将混沌加密的信息根据PDF417条码，打印生成二维条码图像；用扫描仪采集二维条码图像，对采集的二维条码图像进行图像分割、滤波、几何校正及分层的预处理，然后采用国家标准PDF417条码的解码规则对条码进行译码操作，得到条码图像中所承载的混沌加密信息。本发明充分利用了混沌系统和二维条码技术的特点，将二者结合进行图像防伪，具有保密性强、携带信息量大的特点，且能够自动识读。

Description

基于混沌特性的图像防伪方法

技术领域

本发明属于信息安全、信息隐藏技术领域，涉及一种图像的防伪方法，特别涉及一种基于混沌特性的图像防伪方法。

背景技术

信息安全、信息隐藏是当前人们关注的热点问题，人们经常需要将一些关键的信息隐藏，并在需要的时候能够方便的取出，从而实现信息的隐藏和防伪。密码学是信息安全的核心，要保证信息的保密性，使用密码对其加密是最有效的办法。加密是确保信息安全的最重要的技术措施之一，它不仅可以用来保护信息的保密性，而且还可以用于数据完整性的检测等，具有广泛的用途。但是随着密码学的发展，破译技术的提高，一些密码算法已经不够安全。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于混沌特性的图像防伪方法，其将混沌系统应用到信息的加密和解密中，解决了现有的密码算法不够安全的问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案，基于混沌特性的图像防伪方法，包括信息隐藏步骤和信息识别步骤，其中信息隐藏步骤包括对原始信息进行混沌加密隐藏、生成二维条码图像，信息识别步骤包括对条码图像进行识别得到条码中承载的混沌信息以及对混沌信息进行混沌解密处理得到原始信息，该方法按以下步骤进行：

信息隐藏

第一步，首先选择需要进行保密防伪的信息，并控制信息容量在二维条码支持的容量范围内；

第二步，采用Logistic混沌映射系统x_n+1＝μ·x_n(1-x_n)进行混沌加密，

其中x_n∈(0，1)，分岔控制参数μ∈(0，4)，当3.5699456＜μ≤4时，Logistic映射处于混沌状态，此时经过k次迭代后生成混沌序列x_k，利用此生成的混沌密码序列进行信息的加密，其中k等于原始信息的长度，X_k是长度为k的Logistic混沌映射序列；

第三步，获得混沌加密的信息后，采用国家标准生成PDF417条码，按照可容纳的条码图像的大小决定条码的尺寸，并打印在规定的位置上，生成二维条码；

信息识别

第一步，用扫描仪采集二维条码图像，对采集的二维条码图像进行图像预处理，然后采用国家标准PDF417条码的解码规则对条码进行译码操作，得到条码图像中所承载的混沌加密信息，具体步骤如下：

1)用扫描仪采集二维条码图像；

2)对采集的二维条码图像进行图像预处理；

a输入二维条码图像，采用Ostu最佳阈值分割算法对二维条码图像进行分割；

b对条码图像进行滤波、几何校正及分层处理；

采用5×1模板对条码图像进行中值滤波，去除条码图像中因扫描存在的盐粒式噪音；

采用Hough变换ρ＝xcosθ+ysinθ来获得PDF417条码起始符和终止符的直线方程和倾斜角，即根据PDF417条码的起始符和终止符来检测条码的左右边界，根据获得的倾斜角θ对条码图像进行旋转，旋转θ°校正到水平位置，旋转的过程中采用双线性插值对图像像素进行插值；

采用取中值的方法对每一层PDF417条码图像进行滤波整形，首先将条码图像按层分开，获得条码图像的层数和每一层的高度，然后对每一层进行滤波处理，采用Sobel水平边缘检测算子，得到条码图像的水平边缘，然后进行水平方向的投影，水平方向投影的峰值就对应着条码图像的水平层边界，得到条码图像的层数和每一层的高度，对每一层进行滤波整形，采用取中值的方法对每一层的每一列进行滤波，即对条码每一层中每一列像素的灰度值进行相加取平均值，和128相比，如果平均值大于128，则认为该列为空，像素灰度值赋值为255，否则认为该列为条，像素灰度值赋值为0；

3)根据PDF417译码规则对条码图像进行识别和译码，得到所承载的加密信息；

检测每一个符号字符的条空个数，查表确定每一个符号字符代表的信息，就将二维条码图像中的符号字符变成码字信息，

将上述得到的码字信息根据制定的PDF417国家标准译码，得到条码中存储的原始信息；

第二步，对得到的混沌加密信息根据解密密钥初始值x0和参数μ，用

Logistic混沌映射系统x_n+1＝μ·x_n(1-x_n)经过k次迭代后生成混沌序列X_k，将其作为流密钥对加密信息进行混沌解密，得到原始信息，其中k等于原始信息的长度，X_k是长度为k的Logistic混沌映射序列。

本发明将混沌理论应用到信息安全领域，实现对数字化的图像、语音、文本等各种信息的加密和解密。因为混沌系统具有良好的伪随机性、轨道不可预测性、对初始条件和控制参数的极端敏感性等一系列特性，这些特性和密码学的很多要求是吻合的，因此混沌加密实现简便，抗攻击性强，具有很高的实用价值。

本发明的特点还在于混沌系统与二维条码的结合，使得到的信息具有同一性、便于统一处理和自动识别，二维条码技术是一种自动识别技术，输入速度快、成本低、可靠性强，应用广泛，具有信息密度高、容量大、纠错能力强、能够快速识读等特点，而且二维条码自身还具有一定的安全防伪能力，能够提供一定的安全服务。

本发明充分利用了混沌系统和二维条码技术的特点，将二者结合，进行图像防伪，具有保密性强、携带信息量大的特点，且能够自动识读。

附图说明

图1是本发明方法的流程原理框图；

图2是待处理的原始信息图；

图3是将图2进行混沌加密后得到的混沌信息图；

图4是利用本发明方法最终生成的二维条码图形。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

本发明基于混沌特性的图像信息防伪方法，分为两大部分，一部分是信息隐藏，包括对原始信息进行混沌加密隐藏、生成二维条码图像；另一部分是信息识别，包括对条码图像进行识别得到条码中承载的混沌信息以及对混沌信息进行混沌解密处理得到原始信息，如图1所示，该方法按以下步骤进行：

信息隐藏

第一步，首先选择需要进行保密防伪的信息，如文字、图像等，如图2，并控制信息容量在二维条码支持的容量范围内；

如果信息容量较大，可以采用现有的压缩算法，比如基于DCT或者DWT变换的压缩算法，目前常见的JPEG和JPEG2000算法，将待处理的信息容量压缩在二维条码支持的容量范围内。

第二步，利用混沌映射系统，主要是基于计算机有限精度下实现的数字化混沌系统，来构造流密码或者分组密码，并利用得到的混沌密码序列进行图像、文本等的加密，如图3所示；

本发明采用Logistic混沌映射系统

          x_n+1＝μ·x_n(1-x_n)

其中x_n∈(0，1)，分岔控制参数μ∈(0，4)，当3.5699456＜μ≤4时，Logistic映射处于混沌状态，此时经过k次迭代后生成混沌序列x_k，k等于原始信息的长度，X_k是长度为k的Logistic混沌映射序列。

混沌加密可采用的方式1：将由上式得到的混沌映射序列作为随机噪声叠加到原始信息上，得到混沌加密信息，实现信息隐藏。

具体实现过程如下：

a由初始值x₀和参数μ作为密钥，代入Logistic方程迭代产生相应的混沌序列x_k，其中k等于原始信息的长度，x_k是长度为k的Logistic混沌映射序列；

b将混沌序列x_k作为随机噪声叠加到原始信息中，采用位异或来实现叠加操作。

混沌加密可采用的方式2：将由上式得到的混沌映射序列对原始信息进行置乱操作，打乱原始信息的存储位置，然后再将混沌序列作为随机噪声叠加到置乱的原始信息上，得到混沌加密信息，实现信息隐藏。

具体实现过程如下：

a由初始值x₀、y₀和参数μ₁、μ₂作为密钥，代入Logistic混沌映射系统x_n+1＝μ·x_n(1-x_n)迭代产生相应的混沌序列x_k和y_k，其中k等于原始信息的长度；

b根据原始信息的长度L对x_k进行变换，使得每一个元素x_i∈[0，L]，然后对原始信息进行置乱操作，将第一个字节信息与第x₁个字节的信息交换，依次类推，将第i个字节与第x_i个字节信息交换，从而打乱信息存贮顺序；

c将混沌序列y_k作为随机噪声叠加到置乱后的信息中，进行位异或操作实现叠加。

对于一般性保密防伪情况，采用方式1操作即可，方式2具有更高的安全防伪能力，适用于保密防伪要求高的场合。具体应用在(1)贵重物品的防伪标签，比如空调、冰箱等家电，机动车辆等交通工具等，(2)应用于证件的防伪管理，如身份证、护照、驾照等，(3)用于车票、彩票、支票等有价证券的防伪。

第三步，获得混沌加密的信息后，采用国家标准生成PDF417条码，按照可容纳的条码图像的大小决定条码的尺寸，并打印在规定的位置上，如图4所示，生成二维条码。

信息识别

第一步，条码图像的识别译码

用扫描仪采集二维条码图像，对采集的二维条码图像进行图像预处理，然后采用国家标准PDF417条码的解码规则对条码进行译码操作，得到条码图像中所承载的混沌加密信息，具体步骤如下：

1)用扫描仪采集二维条码图像；

2)对采集的二维条码图像进行图像预处理；

a输入二维条码图像，采用Ostu最佳阈值分割算法对二维条码图像进行分割；

Ostu算法将图像分割为目标和背景两部分，则这两类灰度值的组内方差最小，而组间方差最大，通过搜索计算类间方差最大值来得到最优阈值。

图像中目标和背景的平均灰度分别为

$u_o=\frac{1}{w_o\left(T\right)}\underset{0<i<T}{\mathrm{\&Sigma;}}i\&times;p\left(i\right)$

$u_b=\frac{1}{w_b\left(T\right)}\underset{0<i<T}{\mathrm{\&Sigma;}}i\&times;p\left(i\right)$

图像的总均值为

  u＝w_o(T)u_o+w_b(T)u_b

图像目标和背景之间的类间方差为

G(T)＝w_o(T)(u_o-u)²+w_b(T)(u_b-u)²

则图像的最佳阈值为

$g=\arg \underset{0\&le;T\&le;255}{\max }\left[G\left(T\right)\right]$

其中w_o(T)和w_b(T)表示目标和背景的像素个数，p(i)为像素值为i的像素个数。

b对条码图像进行滤波、几何校正及分层处理；

采用5×1模板对条码图像进行中值滤波，去除条码图像中因扫描存在的盐粒式噪音；

PDF417条码的起始符和终止符具有唯一性，而且是非重叠的，可以采用Hough变换ρ＝xcosθ+ysinθ来获得它们的直线方程和倾斜角，即根据PDF417条码的起始符和终止符来检测条码的左右边界，根据获得的倾斜角θ对条码图像进行旋转，旋转θ°校正到水平位置，旋转的过程中采用双线性插值对图像像素进行插值；

根据PDF417条码的多行结构特性采用取中值的方法对每一层条码图像进行滤波整形，条码图像由多层构成，每一层各不相同且有一定的高度，因此首先将条码图像按层分开，获得条码图像的层数和每一层的高度，然后对每一层进行滤波处理，采用Sobel水平边缘检测算子，得到条码图像的水平边缘，然后进行水平方向的投影，水平方向投影的峰值就对应着条码图像的水平层边界，由此可以得到条码图像的层数和每一层的高度，对每一层进行滤波整形，采用取中值的方法对每一层的每一列进行滤波，即对条码每一层中每一列像素的灰度值进行相加取平均值，和128相比，如果平均值大于128，则认为该列为空，像素灰度值赋值为255，否则认为该列为条，像素灰度值赋值为0。

3)根据PDF417译码规则对条码图像进行识别和译码，得到所承载的加密信息；

PDF417条码的每个符号字符是由4个条和4个空组成的，总的模块数为17，且符号字符总是以条开始，以空结束，每个符号字符表示一定的含义。识别过程就是将二维条码图像中的符号字符(条空组合)变成有意义的码字信息，检测每一个符号字符的条空个数，然后查表确定每一个符号字符代表的信息；译码就是将上述得到的码字信息根据制定的PDF417国家标准译码，得到条码中存储的原始信息。

第二步，对得到的混沌加密信息根据解密密钥初始值x₀和参数μ，用Logistic混沌映射系统x_n+1＝μ·x_n(1-x_n)经过k次迭代后生成混沌序列X_k，k取值等于待解密信息的长度，X_k是长度为k的Logistic混沌映射序列，将其作为流密钥对加密信息进行混沌解密，得到原始信息。

Claims (4)

1.一种基于混沌特性的图像防伪方法，包括信息隐藏步骤和信息识别步骤，其中信息隐藏步骤包括对原始信息进行混沌加密隐藏、生成二维条码图像，信息识别步骤包括对条码图像进行识别得到条码中承载的混沌信息以及对混沌信息进行混沌解密处理得到原始信息，其特征在于，该方法按以下步骤进行：

信息隐藏

第一步，首先选择需要进行保密防伪的信息，并控制信息容量在二维条码支持的容量范围内；

第二步，采用Logistic混沌映射系统

                     x_n+1＝μ·x_n(1-x_n)

其中x_n∈(0，1)，分岔控制参数μ∈(0，4)，当3.5699456＜μ≤4时，Logistic映射处于混沌状态，此时经过k次迭代后生成混沌序列x_k，利用此生成的混沌密码序列进行信息的加密，其中k等于原始信息的长度，X_k是长度为k的Logistic混沌映射序列；

第三步，获得混沌加密的信息后，采用国家标准生成PDF417条码，按照可容纳的条码图像的大小决定条码的尺寸，并打印在规定的位置上，生成二维条码；

信息识别

第一步，用扫描仪采集二维条码图像，对采集的二维条码图像进行图像预处理，然后采用国家标准PDF417条码的解码规则对条码进行译码操作，得到条码图像中所承载的混沌加密信息，具体步骤如下：

1)用扫描仪采集二维条码图像；

2)对采集的二维条码图像进行图像预处理；

a输入二维条码图像，采用Ostu最佳阈值分割算法对二维条码图像进行分割；

b对条码图像进行滤波、几何校正及分层处理；

采用5×1模板对条码图像进行中值滤波，去除条码图像中因扫描存在的盐粒式噪音；

采用Hough变换ρ＝xcosθ+ysinθ来获得PDF417条码起始符和终止符的直线方程和倾斜角，即根据PDF417条码的起始符和终止符来检测条码的左右边界，根据获得的倾斜角θ对条码图像进行旋转，旋转θ°校正到水平位置，旋转的过程中采用双线性插值对图像像素进行插值；

采用取中值的方法对每一层PDF417条码图像进行滤波整形，首先将条码图像按层分开，获得条码图像的层数和每一层的高度，然后对每一层进行滤波处理，采用Sobel水平边缘检测算子，得到条码图像的水平边缘，然后进行水平方向的投影，水平方向投影的峰值就对应着条码图像的水平层边界，得到条码图像的层数和每一层的高度，对每一层进行滤波整形，采用取中值的方法对每一层的每一列进行滤波，即对条码每一层中每一列像素的灰度值进行相加取平均值，和128相比，如果平均值大于128，则认为该列为空，像素灰度值赋值为255，否则认为该列为条，像素灰度值赋值为0；

3)根据PDF417译码规则对条码图像进行识别和译码，得到所承载的加密信息；

检测每一个符号字符的条空个数，查表确定每一个符号字符代表的信息，就将二维条码图像中的符号字符变成码字信息，

将上述得到的码字信息根据制定的PDF417国家标准译码，得到条码中存储的原始信息；

第二步，对得到的混沌加密信息根据解密密钥初始值x0和参数μ，用Logistic混沌映射经过k次迭代后生成混沌序列Xk，将其作为流密钥对加密信息进行混沌解密，得到原始信息。

2.按照权利要求1所述的图像防伪方法，其特征在于，所述利用混沌密码序列进行信息加密采用的方式为，将得到的混沌映射序列作为随机噪声叠加到原始信息上，得到混沌加密信息，实现信息隐藏，具体步骤如下：

a由初始值x₀和参数μ作为密钥，代入Logistic混沌映射系统x_n+1＝μ·x_n(1-x_n)迭代产生相应的混沌序列x_k，其中k等于原始信息的长度，x_k是长度为k的Logistic混沌映射序列；

b将混沌序列x_k作为随机噪声叠加到原始信息中，采用位异或来实现叠加操作。

3.按照权利要求1所述的图像防伪方法，其特征在于，所述利用混沌密码序列进行信息加密采用的方式为，将得到的混沌映射序列对原始信息进行置乱操作，打乱原始信息的存储位置，然后再将混沌序列作为随机噪声叠加到置乱的原始信息上，得到混沌加密信息，实现信息隐藏，具体步骤如下：

a由初始值x₀、y₀和参数μ₁、μ₂作为密钥，代入Logistic混沌映射系统x_n+1＝μ·x_n(1-x_n)迭代产生相应的混沌序列x_k和y_k，其中k等于原始信息的长度；

b根据原始信息的长度L对x_k进行变换，使得每一个元素x_i∈[0，L]，然后对原始信息进行置乱操作，将第一个字节信息与第x₁个字节的信息交换，依次类推，将第i个字节与第x_i个字节信息交换，从而打乱信息存贮顺序；

c将混沌序列y_k作为随机噪声叠加到置乱后的信息中，进行位异或操作实现叠加。

4.按照权利要求1所述的图像防伪方法，其特征在于，所述采用Ostu最佳阈值分割算法对二维条码图像进行分割，具体步骤为，Ostu算法将图像分为目标和背景两部分，则这两类灰度值的组内方差最小，而组间方差最大，通过搜索计算类间方差最大值来得到最优阈值，图像中目标和背景的平均灰度分别为

$u_o=\frac{1}{w_o\left(T\right)}\underset{0<i<T}{\mathrm{\&Sigma;}}i\&times;p\left(i\right)$

$u_b=\frac{1}{w_b\left(T\right)}\underset{0<i<T}{\mathrm{\&Sigma;}}i\&times;p\left(i\right)$

图像的总均值为

          u＝w_o(T)u_o+w_b(T)u_b

图像目标和背景之间的类间方差为

          G(T)＝w_o(T)(u_o-u)²+w_b(T)(u_b-u)²

则图像的最佳阈值为

$g=\arg \underset{0\&le;T\&le;255}{\max }\left[G\left(T\right)\right]$

其中w_o(T)和w_b(T)表示目标和背景的像素个数，p(i)为像素值为i的像素个数。

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