专利名称：一种基于压缩感知的联合图像压缩/加密方法
技术领域：
本发明涉及图像处理技术领域，特别涉及图像的压缩/加密方法。
背景技术：
伴随着网络技术和多媒体技术的飞速发展，多媒体数据逐渐成为人们获取信息的重要来源，并成为人们生活的重要组成部分。如何传输大量的多媒体信息并保护其安全成为国际上研究的热门课题。数字图像压缩技术和数字图像加密技术应运而生，并且被广泛应用到多媒体、通讯、医学等等各个领域。传统的传输图像的方法都是先压缩去除冗余信息，再在已经压缩好了的图像格式上进行加密，例如Advanced Encryption Standard (AES),或者是先加密图像，再由网络供 应商独立地压缩图像。然而，这些方法都是将压缩和加密作为两个独立的步骤进行，攻击者在对图像进行破译时可以完全无视压缩环节直接对加密进行攻击。为了阻止这种攻击，通常我们采取多次迭代运行加密算法从而使密文达到更好的混乱性和扩散性。这样一来，总的处理时间将变长，算法的实用性降低。很多情况下，我们希望通信系统能够兼顾传输速率和安全性能。通过将加密和压缩方法联合起来，图像的密文数据流长度将变得不确定，同时，攻击者必须综合考虑整个加密和压缩过程，特别是因为压缩而给加密带来的影响。一种新的信息获取指导理论，即压缩传感(Compressive Sensing (CS)或Compressed Sensing)理论指出对可压缩的信号可通过远低于Nyquist标准的方式进行采样数据，仍能够精确地恢复出原始信号。该理论的核心思想是将压缩与采样合并进行，首先采集信号的非自适应线性投影(测量值)，然后根据相应重构算法由测量值重构原始信号。压缩传感的优点在于信号的投影测量数据量远远小于传统采样方法所获的数据量，突破了香农采样定理的瓶颈，使得高分辨率信号的采集成为可能。压缩传感理论主要包括信号的稀疏表示、编码测量和重构算法等三个方面。信号的稀疏表示就是将信号投影到过完备原子库上时，绝大部分系数的绝对值很小，所得到的变换向量是稀疏或者近似稀疏的，用稀疏表示方法取代原始的数据表示可以从本质上降低信号处理的成本，提高压缩效率，因此可以把信号的稀疏表示看作是对原始信号的一种简洁表达。常用的构造稀疏分解的过完备原子库也就是字典的方法有两大类，一类是拼接多个正交基形成的过完备原子库，这种方法易于实现，缺点是针对性差，而另一种也就是本发明采用的类似矢量量化中迭代训练的方法自适应生成的字典，由于训练图片都是有所选择的某一类图片，因此使用这种字典进行图像重建的效果很好。字典训练算法K-SVD是由K-均值聚类算法扩展而来的。K-均值聚类算法要解决的问题是:求解一个包括K个码字的码本，使得在此码本上，根据最近邻分配法则，对包括#个信号的信号集合
权利要求
1.一种基于压缩感知的联合图像压缩/加密方法，其特征是由下列步骤实现的 (i)字典生成 采用K-SVD算法生成字典，在K-SVD迭代过程中用到的稀疏分解算法为改进的正交匹配追踪算法，改进算法的具体过程如下先将训练图像分为m种不同的类型，如卫星云图、高光谱遥感、细胞显微图像、人脸、脑部CT或MRI等类型，每个类型选取M幅图像，一共为图像； 将每一类图像均分成8X8的子块，得到约IOOOOm个子块作为训练集； 经过K-SVD的迭代后，对于每一类的图像生成了一个大小为64X2000的通用字典Di，i=l,2,…，m，则最后得到的字典由m个子字典联合构成D = D1 U D2 U ---U Dtn (ii)稀疏编码用步骤(i)生成的字典D对测试图像进行压缩将测试图像分成/7个8X8的小块，对每一个小块采用正交匹配追踪算法进行稀疏分解，得到一列2000X1的稀疏系数向量，最后将列稀疏稀疏向量组成一个稀疏矩阵，即为待处理的稀疏矩阵； (iii)分离稀疏矩阵中非零项的大小和位置，首先用一个相同大小的矩阵记录非零项的位置，出现非零系数时则该位置记为1，否则为零，由此得到的二进制矩阵作为稀疏矩阵的索引矩阵；与此同时依次、连续记录非零项的数据，记为值数组； (iv)对索引矩阵进行变长码编码首先对索引矩阵采用zigzag扫描方式读入二进制数据流，接着对二进制数据流和值数组进行变长码编码，得到索引矩阵比特流和值数组比特流； (v)对两组经过处理的数据流进行混合加密处理首先由经过变长码编码的索引矩阵比特流通过SHA-I算法生成多个参数，再由这些参数混合初始密钥生成混沌序列的初始值，以此对值数组比特流进行混沌置乱，生成第一个置乱比特流，接着用第一个置乱比特流的最后位混合初始密钥对索引矩阵比特流做移位猫变换，然后经过熵编码后再结合初始密钥进行第二次混沌置乱，生成第二个置乱比特流，最终结合两个置乱比特流生成输出数据流，完成加密过程。
2.根据权利要求I所述的图像压缩/加密方法，其特征是在稀疏编码过程中，当待压缩/加密图像为某一类图像时，根据图像的类型选取字典中的子字典。
3.用权利要求I所述的图像压缩/加密方法压缩/加密图像的解密方法，其特征是首先，利用生成的第一个置乱比特流的最后32位作为参数，与初始密钥混合对第二个置乱比特流做置乱反变换，然后进行哈夫曼解码；接着用初始密钥和参数对哈夫曼解码后的比特流经行逆向移位猫变换，得到索引矩阵比特流，再由其通过SHA-I算法生成一系列参数，用来将第一个置乱比特流恢复，再进行哈夫曼解码得到值数组；最后由索引矩阵和值数组恢复出稀疏矩阵，通过字典恢复出原始图像块，拼接成原始图像。
全文摘要
一种基于压缩感知的联合图像压缩/加密方法，首先，字典由结合K-SVD方法分类训练得到的子字典联合构成；其次，稀疏编码中采用改进的正交匹配追踪算法；最后，将加密嵌入到压缩过程中，从而实现了图像的联合加密/压缩算法。本发明使加密和压缩密不可分，从而在基本不影响率失真性能的前提下，进一步改进了系统抗攻击性能和稳健性，实现的静态图像压缩的率失真性能优于目前国际上的主流算法如JPEG2000、SPIHT等，同时又增加了图像加密性能，能抵御常见的攻击如惟密文攻击、选择密文攻击，已知明文攻击和选择明文攻击等，本发明可用于信息安全传输领域如互联网、移动电话和视频会议的图像存储和传输中。
文档编号H04N7/50GK102891999SQ20121036105
公开日2013年1月23日 申请日期2012年9月26日 优先权日2012年9月26日
发明者吴建华, 吴燕, 周南润, 张烨 申请人:南昌大学