基于提升小波变换的图像加密寄生保护方法与流程

本发明涉及图像处理领域，尤其涉及一种基于提升小波变换的图像加密寄生保护方法。

背景技术：

目前，在现有的各种图像加密技术中，被传统标准加密方法处理过的加密图像，加密图像看起来类似于噪声信号，容易引起攻击者注意，容易使攻击者找到破绽从而对加密图像进行解密，存在着一定的安全隐患。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于提升小波变换的图像加密寄生保护方法及一种存储介质。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种图像加密寄生保护方法，包括：

获取预加密后的图像i′，将所述图像i′分解成8个位平面i′，依次对所述8个位平面i′中相邻的两个位平面i′进行异或运算，得到4个位平面i″；

获取参照图像r，对所述参照图像r进行双树离散小波变换，得到两组相同的4个子带，将每组中的子带的整数部分进行位平面分解，得到两个hh子带的最低四个位平面，然后得到8个位平面r；

根据所述4个位平面i″和所述8个位平面i′，对每组中选定的子带的位平面r进行替换；

根据替换后全部位平面r进行图像重构，得到加密后的图像ir。

本发明的有益效果是：本发明提供的图像加密寄生保护方法，通过将加密后的图像隐藏到参照图像中，能够使加密后的图像在视觉上看起来像参照图像，能够最大程度的保护图像，不会引起攻击者的注意，防止被攻击。

在此基础之上，本发明还可以做如下改进。

进一步地，所述4个子带包括：hh子带、hl子带、lh子带和ll子带，所述根据所述4个位平面i″和所述8个位平面i′，对每组中选定的子带的位平面r进行替换，具体包括：

从所述hh子带、所述hl子带和所述lh子带中选择任意一个子带作为目标子带；

将第一组中所述目标子带的低四位位平面按顺序替换成所述4个位平面i″；

将第二组中所述目标子带的低四位位平面按顺序替换成第一位平面i′、第三位平面i′、第五位平面i′和第七位平面i′。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过上述方法完成加密后图像的隐藏，能够提升最终得到的加密图像的观感，使其看起来与参照图像相同。

进一步地，所述获取预加密后的图像i′之前，包括：

获取图像i，对所述图像i进行提升小波变换处理；

将进行提升小波变换处理后的所述图像i分解成8个位平面i；

将所述8个位平面i的顺序随机打乱并重组，得到初始加密图像；

对所述初始加密图像进行阿诺德变换；

对进行阿诺德变换后的所述初始加密图像进行扩散处理，得到加密后的图像i′。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过提升小波变换对图像进行处理，相比于传统小波变化，可以提高计算的效率，需要的内存容量很少，并且没有量化误差，能够有效地减少图像的数据量，节省出冗余的空间进行传输，并通过对图像的位平面进行打乱重组，然后再进行阿诺德变换和扩散处理，能够得到直方图分布均匀的图像，这种状态对于图像的保护来说是最好的，因为攻击者无法根据直方图找到破绽从而对加密图像进行解密。

进一步地，所述将所述8个位平面i的顺序随机打乱并重组，得到初始加密图像，具体包括：

通过混沌映射算法随机生成一段整数序列；

将所述整数序列与每个所述平面i进行对应，根据所述整数序列的顺序调整所述8个位平面i的顺序；

对调整顺序后的所述8个位平面i进行重组，得到初始加密图像。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过混沌映射算法对分解得到的位平面进行随机重组，能够提高图像的安全性，使图像无法轻易被破解。

进一步地，所述对所述初始加密图像进行阿诺德变换，具体包括：

将所述初始加密图像划分成多个子块；

通过阿诺德变换算法对每个所述子块进行周期转换处理，其中，任意两个所述子块的置换次数互不相同。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过阿诺德变换算法对每个所述子块进行周期转换处理，能够在加密图像中保留原始图像中的冗余空间，同时进一步提高图像的安全性。

进一步地，所述对进行阿诺德变换后的所述初始加密图像进行扩散处理，具体包括：

通过混沌系统对进行阿诺德变换后的所述初始加密图像中各像素点的灰度值进行调整，使每个所述像素点的灰度值在同一个峰值的预设范围内。

进一步地，所述混沌系统为基于逻辑映射的混沌系统。

进一步地，所述获取参照图像r，对所述参照图像r进行双树离散小波变换，得到两组相同的4个子带，具体包括：

获取参照图像r；

对所述参照图像r实现一个二维可分离小波变换，分别得到2个相同的低频子带ll、2个相同的高频子带hl、2个相同的高频子带lh、2个相同的高频子带hh；

提取各所述子带中的整数部分，进行位平面分解。

本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：

一种存储介质，所述存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行如上述技术方案中任一项所述的图像加密寄生保护方法。

本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。

附图说明

图1为本发明一种图像加密寄生保护方法的实施例提供的流程示意图；

图2a为本发明一图像加密寄生保护方法的实施例提供的图像i示意图；

图2b为本发明一种图像加密寄生保护方法的实施例提供的图像i的直方图示意图；

图2c为本发明一图像加密寄生保护方法的实施例提供的加密后的图像i′示意图；

图2d为本发明一种图像加密寄生保护方法的实施例提供的加密后的图像i′的直方图示意图；

图3a为本发明一种图像加密寄生保护方法的其他实施例提供的加密后的图像i′示意图；

图3b为本发明一种图像加密寄生保护方法的其他实施例提供的参照图像r示意图；

图3c为本发明一种图像加密寄生保护方法的其他实施例提供的加密后的图像ir示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，为本发明一种基于提升小波变换的图像加密寄生保护方法的实施例提供的流程示意图，该图像加密方法包括：

s1，获取图像i，对图像i进行提升小波变换处理。

应理解，对图像i进行提升小波变换处理后，得到了图像i的4个子带，分别是lh子带、ll子带、hl子带和hh子带，后续再根据这4个子带将处理后的图像i分解成8个位平面i。

需要说明的是，提升小波变换是以小波为基础，并在此基础上进行提升和优化，与传统的小波相比，提升小波变换具有几个独特的特性：

1.它可以更有效的计算，并且需要极少的内存容量。

2.它对于建立非线性小波变换十分容易，并且拥有时间-频率定位能力。

3.与传统的小波变换相比，提升小波变换没有量化误差。

提升小波变换是在1998年由斯威尔登提出的，就它的计算复杂性而言，提升小波变换展示了一种比传统小波变换更加快速、更加有效的小波实现，并且提升小波变换的算法可能是一种更加全面的存在。提升小波变换的独特性质，例如无误差的量化的整数系数，更快的响应时间，时间-频率定位能力，使其在图像处理的领域已经增加了使用频率。

通过提升小波变换对图像进行处理，相比于传统小波变化，可以提高计算的效率，需要的内存容量很少，并且没有量化误差，能够有效地减少图像的数据量，节省出冗余的空间进行传输。

s2，将进行提升小波变换处理后的图像i分解成8个位平面i。

例如，图像i可以是一个八位的灰度图像，r和c则分别代表的是图像i中任意的一个像素点的灰度值所表示的横坐标和纵坐标。因此，计算图像i(r，c)的每个比特的公式(1-1)可以为：

然后，分配i(r，c)(k)到上面的第k个位平面中，第k个位平面中坐标(r，c)所代表的元素可以用公式(1-2)表示：

pk(r,c)＝i(r,c)k＝7,6,5,...,1,0(1-2)

其中，pk(r，c)就是第k个位平面中坐标(r，c)所代表的元素，x是预设的2的整数倍的数值。

根据公式(1-1)和(1-2)的计算，就能够得到图像分解的2个位平面i。

s3，将8个位平面i的顺序随机打乱并重组，得到初始加密图像di。

应理解，可以通过使用混沌映射的方法随机生成一段整数序列，并将整数序列中的每个元素与每个位平面一一对应，根据整数序列中每个元素的顺序调整每个位平面的顺序，最后将随机打乱后的八个位平面进行重构，形成初始加密图像di，实现位平面的无序化。

例如，初始加密图像di中每个位平面的位置可以通过公式(1-3)表示：

其中，k是原始图像i中每个位平面所在的位置，而edi(k)指的是在初始加密图像di中第k个位平面所在的位置。s1和s2则是正整数，并且不同的k的值对应着不同的s1和s2的值。

根据上面公式所得到的edi(k)，初始加密图像di的任意的像素可以由下面的式子(1-4)生成：

其中，表示初始加密图像di的任意一个位平面，r和c则分别代表的是初始加密图像di中任意的一个像素点的灰度值所表示的横坐标和纵坐标。

根据上述公式(1-3)和公式(1-4)就能够生成初始加密图像di，初始加密图像di除了实现了对原始图像i的初步加密外，而且还通过使用公式(1-3)限制了s1的值，成功地将原始图像i中的冗余空间传输到了初始加密图像di中的最低有效位中。

s4，对初始加密图像di进行阿诺德变换。

需要说明的是，阿诺德变换仅仅只是通过移动像素的位置来加密图像的。对于任意一个像素来说，阿诺德变换仅仅只是改变了像素的位置而不是改变了像素值，因此，这一步进行的加密算法也保留了冗余空间。

但是，使用阿诺德变换去处理整个图像也会引入一定的安全风险，因为相同大小的图像的转换周期是固定的。而图像的阿诺德转换周期与图像的阶数的这种特性有关，但它并不与图像的阶数成正比，当超过一定的转换周期后，图像会随着转换周期的增长来逐渐复原，与原始图像相差无比，而对初始加密图像di进行阿诺德变换的置换次数，可以根据实际需求设置，例如，可以为100次。

例如，阿诺德变换可以由公式(1-5)表示：

其中，(r′,c′)是(r,c)通过转换坐标之后得到的，r和c则分别代表的是初始加密图像di中任意的一个像素点的灰度值所表示的横坐标和纵坐标，δ是将被处理的正方形的图像的尺寸。

首先可以将初始加密图像di划分为子块，然后使用阿诺德变换对每一个子块进行不同的周期转换处理。

假设ed2是一个决定所有的子块必须是ed2*ed2维度的正整数，而为了降低攻击者解密图像的风险，ed2不应该设置太大。假设ea是一个m2*n2的矩阵，此时m2和n2相对地由下面的公式(1-6)和公式(1-7)控制：

m2＝h/ed2,hmoded2＝0(1-6)

n2＝w/ed2,wmoded2＝0(1-7)

其中，h表示初始加密图像di的高，w表示初始加密图像di的宽。

而ea中的每个元素的值决定了每一个子块相对应的转换次数。例如，对于任意一个ea中的元素，可以根据公式(1-8)进行下面的处理：

ea(m2,n2)＝t，1≤t＜c(1-8)

其中，c是矩阵ed2*ed2的阿诺德变换次数，t是1到c-1间的一个随机整数，表示转换次数，进一步加密后的图像di′的子块是通过对初始加密图像di中的子块转换t次后得到的。

当初始加密图像di中的所有子块根据ea转换完成后，生成进一步加密后的图像di′。在完成这步之后，原始图像i被彻底地加密，而且初始加密图像di中的主数据冗余仍然被保存在进一步加密后的图像di′中。

s5，对进行阿诺德变换后的初始加密图像di进行扩散处理，得到加密后的图像i′。

需要说明的是，虽然对图像进行了位平面加密和阿诺德变换后，图像的加密过程已经几乎完成了，但是这两种加密方法只是对明文图像进行了视觉上的变化和像素点的位置置换和转移，然而加密后的图像中每个像素点的灰度值之间的差距依然很明显，这对于攻击者来说去解密图像依然很容易，所以最后这一步所要做的就是改变每个像素点的灰度值，使每个像素点的灰度值维持在同一个峰值范围内，在同一个峰值的上下进行细微的波动，这样做才是最好的加密方法，而且这样图像的敏感信息的安全性也有保障。

例如，可以利用混沌系的方法去改变像素的灰度值，对图像的像素进行扩散。例如，可以根据公式(1-9)对图像的像素进行扩散：

yn+1＝αyn(1-yn)(1-9)

其中，α∈[0,4]是控制参数，n是自然数，当n＝0时，y0∈[0,1]是初始条件。

经过混沌系统改变了每个像素点的灰度值后，加密过程全部完成，生成了最终的加密图像，而此时，加密图像的直方图也呈现出均匀分布的状态，这种状态对于图像的保护来说是最好的，因为攻击者无法根据直方图找到破绽从而对加密图像进行解密。

如图2所示，为根据本实施例提供的图像加密寄生保护方法对图像进行加密后，图像的对比情况图，图2a是原始图像i，图像2b是图像i的直方图，图像2c是加密后的图像i′，图2d是加密后的图像i′的直方图。从图中可以看出，图像i经过加密后，直方图的变化十分明显，都集中分布在了一些像素值上，而对图像进行阿诺德变换并不会改变像素值，仅仅只是移动了像素的位置，因此直方图并不会有任何的改变。

本实施例提供的图像加密寄生保护方法，先对图像的位平面进行打乱重组，然后再进行阿诺德变换和扩散处理，能够得到直方图分布均匀的图像，这种状态对于图像的保护来说的最好的，因为攻击者无法根据直方图找到破绽从而对加密图像进行解密。

可选地，在一些实施例中，如图1所示，得到预加密图像i′的步骤可以包括：

s6，将图像i′分解成8个位平面i′，依次对8个位平面i′中相邻的两个位平面i′进行异或运算，得到4个位平面i″。

s7，获取参照图像r，对参照图像r进行双树离散小波变换，得到两组相同的4个子带，将每组中的子带的整数部分进行位平面分解，得到两个hh子带的最低四个位平面，然后得到8个位平面r。

s8，根据4个位平面i″和8个位平面i′，对每组中选定的子带的位平面r进行替换。

s9，根据替换后全部位平面r进行图像重构，得到加密后的图像ir。

通过将加密后的图像隐藏到参照图像中，能够使加密后的图像在视觉上看起来像参照图像，能够最大程度的保护图像，不会引起攻击者的注意，防止被攻击。

可选地，在一些实施例中，4个子带包括：hh子带、hl子带、lh子带和ll子带，根据4个位平面i″和8个位平面i′，对每组中选定的子带的位平面r进行替换，具体可以包括：

从hh子带、hl子带和lh子带中选择任意一个子带作为目标子带；

将第一组中目标子带的低四位位平面按顺序替换成4个位平面i″；

将第二组中目标子带的低四位位平面按顺序替换成第一位平面i′、第三位平面i′、第五位平面i′和第七位平面i′。

通过上述方法完成加密后图像的隐藏，能够提升最终得到的加密图像的观感，使其看起来与参照图像相同。

如图3所示，为根据上述可选实施方式对图像隐藏后的对比情况图，图3a是加密后的图像i′，图3b是参考图像，图3c是加密后的图像ir。图3c在视觉上和图3b相同，能够起到很好的隐藏作用。

可选地，在一些实施例中，将8个位平面i的顺序随机打乱并重组，得到初始加密图像，具体可以包括：

通过混沌映射算法随机生成一段整数序列；

将整数序列与每个平面i进行对应，根据整数序列的顺序调整8个位平面i的顺序；

对调整顺序后的8个位平面i进行重组，得到初始加密图像。

通过混沌映射算法对分解得到的位平面进行随机重组，能够提高图像的安全性，使图像无法轻易被破解。

可选地，在一些实施例中，对初始加密图像进行阿诺德变换，具体可以包括：

将初始加密图像划分成多个子块；

通过阿诺德变换算法对每个子块进行周期转换处理，其中，任意两个子块的置换次数互不相同。

通过阿诺德变换算法对每个子块进行周期转换处理，能够在加密图像中保留原始图像中的冗余空间，同时进一步提高图像的安全性。

可选地，在一些实施例中，对进行阿诺德变换后的初始加密图像进行扩散处理，具体可以包括：

通过混沌系统对进行阿诺德变换后的初始加密图像中各像素点的灰度值进行调整，使每个像素点的灰度值在同一个峰值的预设范围内。

需要说明的是，预设范围可以根据实际需求设置，保证每个像素点的灰度值都在同一个峰值的范围内。

可选地，在一些实施例中，混沌系统可以为基于逻辑映射的混沌系统。

应理解，逻辑映射显示了良好的行为，并且在许多的应用中被频繁地使用。这种逻辑映射的动态特征是通过使用霍普夫分岔图进行的验证，而且初始值的轻微变化会产生随机生成的值，这就是一个非周期和非聚合序列的主要差别。而选择基于逻辑映射的混沌系统的原因在于它与其他一些混沌系统相比，逻辑映射更加简单并且拥有更高的安全性水平。

可选地，在一些实施例中，获取参照图像r，对参照图像r进行双树离散小波变换，得到两组相同的4个子带，具体包括：

获取参照图像r；

对参照图像r实现一个二维可分离小波变换，分别得到2个相同的低频子带ll、2个相同的高频子带hl、2个相同的高频子带lh、2个相同的高频子带hh；

提取各子带中的整数部分，进行位平面分解。

可以理解，在一些实施例中，可以包含如上述各实施例中的部分或全部步骤。

在本发明的其他实施例中，还提供一种存储介质，该存储介质中存储有指令，当计算机读取指令时，使计算机执行如上述实施例中任一项的图像加密寄生保护方法。

读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。

作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。