遥感图像DNA颠换操作安全压缩方法

遥感图像dna颠换操作安全压缩方法
技术领域
1.本发明涉及遥感图像压缩加密技术领域，具体涉及一种遥感图像dna颠换操作安全压缩方法。


背景技术：

2.在当今大数据时代的背景之下，多媒体数据在互联网上传输过程中的保护成为研究的热点，数据信息安全迎来了前所未有的挑战。遥感图像在数据传输中发挥着十分重要的作用，而遥感图像压缩加密技术是保证图像安全的有效手段。在现代复杂多元的社会，一些特殊领域的遥感图像比普通图像更有价值，由于遥感图像比普通图像具有更多的信息，因此需要在传输过程中保护遥感图像不受攻击者的攻击，特别是用于遥感环境监测和遥感信息的保护。为此，现在的研究人员提供了大量的技术，加密技术被广泛应用于保护遥感图像的内容。虽然加密被认为是一种有效的保护图像的技术，但遥感图像固有的数据量大、冗余度高、相邻像素之间的强相关性等特性使得传统的加密方法效率低下。因此，针对遥感图像安全保护的算法得到了广泛的发展，如分数阶混沌系统，量子计算，压缩感知等方法。使用上述方法对遥感图像进行加密压缩保护已经成为近年来的研究热点。
3.遥感图像中包含大量有用的信息，例如水体资源，土地资源，生态资源等各种各样的资源，根据遥感图像我们能准确掌握所在地域的各种需要保护的信息，并根据遥感信息开展生产作业，大气监测环境保护等一系列的工作。鉴于遥感图像重要的战略地位和绝对价值，许多研究人员投身于保护遥感图像的工作当中，manjit等人于2021年提出七维超混沌映射图像加密方法通过设计的高维混沌系统保护遥感图像的各种信息。2016年，李等提出了一个基于dna序列、lorenz系统和哈希算法sha-2的图像编码算法，算法通过将图像分成各种rgb来分别保护图像的信息。虽然现有的图像加密技术在一定程度上保护了遥感图像的信息，但是遥感图像压缩加密传输的过程依旧不能兼顾安全和压缩效率的均衡。
4.现有的遥感图像传输的方法虽然满足了一般用户的使用需求，但是对于保密级别较高的遥感图像的安全与压缩效率依旧存在不少的问题，例如，bonny等人提出了一种基于dna编码的对称密钥加密算法，由于其密钥空间偏小，难以抵御穷举攻击，2015年，涂正武等提出了基于dna序列的彩色图像加密算法，该算法在平面内进行dna编码，维度较低复杂度较小，编码与解码方式单一，抗攻击能力弱。因此为了兼顾遥感图像的安全以及压缩效率，仍然需要不断的寻找最好的方式来解决上述现存的问题。


技术实现要素：

5.本发明解决了现有遥感图像加密传输过程中存在的安全问题以及传输效率低的问题，提供了一种遥感图像dna颠换操作安全压缩方法，先对遥感图像进行压缩处理，在保证遥感图像传输效率的基础上，再对遥感图像进行dna颠换操作以实现遥感图像的安全传输。
6.遥感图像dna颠换操作安全压缩方法，该方法由以下步骤实现：
7.步骤一、选择大小为m
×
n的遥感图像作为原始图像image，将所述的原始图像image按照波段拆分为b1，b2，b3，b4波段图像；
8.步骤二、计算任意两个波段的均值作为混沌系统的初始值x0、y0输入；采用用户设定的初始密钥userkey1迭代二维混沌系统，生成混沌序列x和混沌序列y；
9.步骤三、将步骤二所述的混沌序列x和混沌序列y均按照升序排序，获得索引矩阵x
index
和索引矩阵y
index
；
10.步骤四、将步骤一所述的四个波段b1，b2，b3，b4分别进行压缩，获得四个大小均为m
×
n/4的压缩矩阵is，并将所述压缩矩阵is合并为一幅大小为m
×
n的压缩矩阵i
cs
；具体过程为：
11.步骤四一、将步骤一中获得的b1，b2，b3，b4波段图像依次进行离散余弦变换，获得从空间域变换到频域的矩阵i
csk
；
12.步骤四二、对步骤四一所述的矩阵i
csk
设置阈值t，将绝对值小于t的数值删除，获得稀疏矩阵i
cskr
；
13.步骤四三、使用步骤三产生的索引矩阵x
index
对步骤四二的稀疏矩阵i
cskr
进行置乱操作获得置乱稀疏基矩阵i
sp
；
14.步骤四四、从步骤三生成的混沌序列x中取数量为m
×
n/4的元素构成测量矩阵φ；
15.步骤四五、将步骤四三获得的置乱稀疏基矩阵i
sp
与步骤四四获得的测量矩阵φ执行压缩感知操作，获得量化后大小为m
×
n/4的压缩矩阵is；
16.步骤四六、直至四个波段图像全部完成压缩，并将四个波段的压缩矩阵组合成大小为m
×
n的组合压缩矩阵i
cs
；
17.步骤五、根据步骤三生成的混沌序列y对步骤四六获得的组合压缩矩阵i
cs
进行dna编码操作，获得dna混沌矩阵dnay；
18.步骤六、采用用户设定的初始密钥userkey2迭代二维混沌系统，获得混沌序列z和混沌序列w；
19.步骤七、将步骤三中获得的索引矩阵y
index
作为dna颠换的规则选择器；
20.步骤八、采用步骤三生成的混沌序列y对步骤六获得的混沌序列z进行dna编码，获得dna混沌矩阵dnaz；根据步骤七获得的dna颠换规则选择器对混沌矩阵dnaz进行颠换操作得到新的混沌矩阵dnazt；
21.步骤九、将步骤五获得的dna混沌矩阵dnay与步骤八获得的dna混沌矩阵dnazt进行异或操作，获各复合dna混沌矩阵hyberdna；
22.步骤十、根据步骤六获得的w混沌序列对dna矩阵进行dna解码得到数字矩阵，所述数字矩阵即为最终的密文图cimage。
23.本发明的显著效果：本发明提出的基于混沌系统和遥感图像dna颠换操作安全压缩方法，由混沌系统生成混序列作为遥感图像压缩加密的密钥，同时对遥感图像的稀疏矩阵进行置乱以实现对稀疏矩阵的进一步加扰，然后对压缩后的图像矩阵进行dna颠换操作，之后使用混沌系统对dna矩阵进行扩散获得加扰后的图像矩阵，最后根据混沌系统产生的混沌序列对dna矩阵进行解码，获得最终的密文图像。
24.本发明所述的压缩方法，先对遥感图像进行压缩处理，在保证遥感图像传输效率的基础上，再对遥感图像进行dna颠换操作以实现遥感图像的安全传输。此方法在保障遥感
图像安全的同时提升了遥感图像的传输效率，使得遥感图像在信息安全和传输效率等方面得以平衡。
25.本方法使用混沌系统作为密钥生产者，此混沌系统密钥空间大，参数范围广，适用于遥感图像的加密，保证了遥感图像的安全性。对遥感图像进行分波段压缩，在保证传输效率的同时也最大程度保留了传输数据的完整性。
附图说明
26.图1本发明所述的遥感图像dna颠换操作安全压缩方法中加密过程流程图；
27.图2为本发明所述的遥感图像dna颠换操作安全压缩方法中加解密效果图；
28.图3为本发明所述的dna颠换操作规则图；
29.图4为本发明所述的dna颠换操作规则的效果图。
具体实施方式
30.具体实施方式一、结合图1至图3说明本实施方式，遥感图像dna颠换操作安全压缩方法，根据明文图像的像素均值得到一个混沌系统的初始值作为输入，获得混沌系统的混沌序列。该方法由以下步骤实现：
31.步骤一、选择大小为m
×n×
3的遥感图像作为原始图像image；
32.步骤二、将步骤一所述的原始图像image按照波段拆分为b1，b2，b3，b4波段图像：
33.步骤三、计算任意两个波段的均值作为混沌系统的初始值x0、y0输入；
34.步骤四、使用用户设定的初始密钥userkeyl迭代二维混沌系统，生成x、y两个混沌序列，并且去除前1000个数据，降低初值的干扰；
35.步骤五、将步骤四所述混沌序列x、y按照升序排序，获得索引矩阵x
index
和索引矩阵y
index
；
36.步骤六、将步骤二所述的四个波段分别进行压缩，得到四个大小为m
×
n/4的压缩矩阵is(s＝1，2，3，4)，并合并为一幅大小为m
×
n的压缩图片i
cs
；
37.步骤七、将步骤二中获得的波段图像b1，b2，b3，b4依次进行离散余弦变换，将其从空间域变换到频域i
csk
。(其中csk＝1，2，3，4)
38.步骤八、步骤七变换后的矩阵设置阈值t，将绝对值小于t的数值删除，获得稀疏矩阵i
cskr
。
39.步骤九、使用步骤五产生的索引矩阵x
index
对步骤八的稀疏矩阵进行置乱操作获得置乱稀疏基矩阵i
sp
。
40.步骤十、从步骤四生成的混沌序列x中取数量为m
×
n/4的元素构成测量矩阵φ。
41.步骤十一、将步骤九与步骤十分别产生的稀疏矩阵和测量矩阵执行压缩感知操作，然后将其进行量化得到大小为m
×
n/4的压缩矩阵is。
42.步骤十二、依次执行步骤七至步骤十一的操作，直至四个波段图像全部完成压缩，之后将四个波段的压缩矩阵组合成大小为m
×
n的组合压缩矩阵i
cs
。
43.步骤十三、根据步骤四生成的混沌序列y对步骤十二获得的组合压缩矩阵i
cs
进行dna编码操作，得到dna混沌矩阵dnay。
44.步骤十四、使用与步骤四不同的用户设定的初始密钥userkey2迭代二维混沌系
统，得到z、w两个混沌序列。
45.步骤十五、将步骤五中获得的索引矩阵y
index
作为dna颠换的规则选择器。
46.步骤十六、根据步骤四生成的混沌序列y对将步骤十四产生的z混沌序列进行dna编码，得到dna混沌矩阵dnaz，根据步骤十五获得的dna颠换规则对混沌矩阵dnaz进行颠换操作得到新的混沌矩阵dnazt。
47.步骤十七、将步骤十三产生的dna混沌矩阵dnay与步骤十六产生的混沌矩阵dnazt进行异或操作，得到复合dna混沌矩阵hyberdna。
48.步骤十八、根据步骤十四生成的w混沌序列对dna矩阵进行dna解码得到数字矩阵，此数字矩阵也是最终的密文图cimage。
49.具体实施方式二、结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一所述的遥感图像dna颠换操作安全压缩方法的实施例：该方法由以下步骤实现：
50.步骤一、选择大小为256
×
256
×
3的彩色遥感图像“城市”作为原始图像image，如附图2所示，(a)表示彩色遥感图像“城市”的原始图像，(b)表示彩色遥感图像“城市”加密后的图像，(c)表示彩色遥感图像“城市”解密后的图像；
51.步骤二、将步骤一所述的原始图像image由式(1)所示方法拆分为四个波段，分别是b1，b2，b3，b4；
[0052][0053]
其中，shape()函数表示将原始图像image分成四个波段；b1，b2，b3，b4分别表示红，绿，蓝，近红外四个波段。
[0054]
步骤三、计算任意两个波段的均值作为混沌系统的初始值x0、y0输入，计算方法如公式(2)所示：
[0055][0056]
其中，mod()为求余函数，sum()为求和函数，b1、b2为任意两个波段，且b1，b2∈{b1，b2，b3，b4}。
[0057]
步骤四、以henon映射为例，使用用户设定的初始密钥userkey1迭代henon混沌系统，生成x、y两个混沌序列，二维henon混沌系统如式(3)所示：
[0058][0059]
其中，x，y为二维立方迭代混沌系统的状态变量；a，b为混沌系统的参数。当a∈(1.07，1.4)、b＝0.3，henon映射存在混沌吸引子。本实施方式中混沌系统的初值由公式(2)获取，去除混沌序列中前1000个数据，然后选择大小为m
×
n的混沌序列。
[0060]
步骤五、将步骤四中所述混沌序列按升序排序，得到索引矩阵x
index
和索引矩阵y
index
如公式(4)所示：
[0061][0062]
步骤六、将步骤二所述的四个波段分别进行压缩，得到四个大小为m
×
n/4的压缩矩阵is(s＝1，2，3，4)，并合并为一副大小为m
×
n的压缩矩阵i
cs
。以下步骤将详细介绍压缩过程。
[0063]
步骤七、将步骤二获得的波段图像b1，b2，b3，b4进行离散余弦变换，将其由空间域变换到频域矩阵i
csk
(其中csk＝1，2，3，4)。
[0064]icsk
＝dct(b)(5)
[0065]
其中，b表示遥感图像的各个波段，dct表示离散余弦变换，i
csk
表示由空间域变换到频域的矩阵。
[0066]
步骤八、为步骤七变换后的矩阵i
csk
设置阈值t，将绝对值小于t的数值删除，获得稀疏矩阵i
cskr
。
[0067][0068]
其中，t＝0.085，reshape表示将频域中的数据设置为大小为256
×
256，abs(c1)表示取c1的绝对值，find()函数表示返回符合条件的数据下标，表示将返回绝对值小于0.085的所有数据的下标，c1(thd)表示将绝对值小于0.085的值置为0，i
cskr
表示经过阈值过滤后最终的稀疏矩阵。
[0069]
步骤九、使用步骤五产生的索引矩阵x
index
对步骤八的稀疏矩阵进行置乱操作，获得置乱稀疏基矩阵i
sp
。
[0070]isp
＝scramble(x
index
，i
sp
)
ꢀꢀ
(7)
[0071]
其中，scramble()函数表示将稀疏基矩阵i
sp
按照x
index
序列进行置乱操作。
[0072]
步骤十、从步骤四生成的混沌序列x中取数量为m
×
n/4的元素构成测量矩阵φ。
[0073][0074]
res九ape()为矩阵变换函数，res九ape(a，m，n)则表示返回一个m
×
n的矩阵，矩阵中的元素是按列从a中得到的。
[0075]
步骤十一、将步骤九与步骤十分别产生的稀疏矩阵和测量矩阵执行压缩感知操作，然后将其进行量化得到大小为m
×
n/4的压缩矩阵is。
[0076]is
＝φ
·isp
·sꢀꢀ
(9)
[0077]
其中i
sp
表示稀疏基矩阵，φ表示测量矩阵，s表示稀疏系数。
[0078]
步骤十二、依次执行步骤七至步骤十一的操作，直至四个波段图像全部完成压缩，之后将四个波段的压缩矩阵组合成大小为256*256的组合压缩矩阵i
cs
。
[0079]
步骤十三、根据步骤四生成的混沌序列y对步骤十二获得的组合压缩矩阵i
cs
进行dna编码操作，得到dna混沌矩阵dnay。
[0080]
dnay＝dnaencode(mod(y，8)+1，i
cs
)
……
(10)
[0081]
其中，dnaencode()表示dna编码操作，dnaencode(y，i
cs
)则表示返回一个根据规
则y编码后的dna矩阵，mod(y，8)+1表示dna的变换规则。mod()表示对混沌序列y进行取模操作。
[0082]
步骤十四、使用与步骤四不同的用户设定的初始密钥userkey2迭代henon混沌系统，得到z、w两个混沌序列。
[0083]
步骤十五、将步骤五中获得的索引矩阵y
index
作为dna颠换的规则选择器，dna颠换规则如图3所示，dna颠换一共四种颠换规则，at可以颠换为ta或cg，gc可以颠换为cg或ta。
[0084]ytrans
＝dnatrans(mod(y
index
，4)+1，dnay)......(11)
[0085]
其中dnatrans()表示dna颠换规则选择函数，mod(y
index
，4)+1表示将索引矩阵转换为1到4的整数，分别对应四个dna颠换规则。图4表示dna颠换规则的一个例子。
[0086]
步骤十六、根据步骤四生成的混沌序列y对将步骤十四产生的z混沌序列进行dna编码，得到dna混沌矩阵dnaz，根据步骤十五获得的dna颠换规则y
trans
对混沌矩阵dnaz进行颠换操作得到新的混沌矩阵dnazt。
[0087]
dnaz＝encode(mod(y，8)+1，z)
ꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0088]
其中，encode()表示dna编码操作，返回一个dna编码后的dna矩阵，mod(y，8)+1表示dna的变换规则。mod()表示对混沌序列y进行取模操作。
[0089]
步骤十七、将步骤十三产生的dna混沌矩阵dnay与步骤十六产生的dna混沌矩阵dnazt进行异或操作，得到复合dna混沌矩阵hyberdna。
[0090][0091]
步骤十八、根据步骤十四生成的w混沌序列对dna矩阵进行dna解码得到数字矩阵，此数字矩阵也是最终的密文图像cimage。
[0092]
cimage＝unencode(mod(w，8)+1，hyberdna)
ꢀꢀ
(14)
[0093]
式中，unencode()表示dna解码操作，返回一个dna解码后的数字矩阵，mod(w，8)+1表示dna的解码的变换规则。
[0094]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0095]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。