基于同類系數(shù)置亂的jpeg圖像加密方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于同類系數(shù)置亂的JPEG圖像加密方法，首先讀入JPEG圖像文件，獲得哈夫曼編碼表和經(jīng)JPEG編碼壓縮后的圖像數(shù)據(jù)，解碼獲取所有非零量化DCT系數(shù)數(shù)值和位置，并進行分類；選定密碼，利用該密碼進行混沌迭代生成混沌序列，利用混沌序列置亂每個類別的非零系數(shù)和8×8區(qū)塊；將置亂后的量化DCT系數(shù)矩陣進行熵編碼，將編碼后的數(shù)據(jù)寫入JPEG圖像文件，完成基于同類系數(shù)置亂的JPEG圖像加密，本發(fā)明通過混沌序列對不同類別的量化DCT系數(shù)進行置亂處理，直接用同一種加密方案處理量化后的DC系數(shù)和非零AC系數(shù)，能兼顧安全性和高效性，而且本發(fā)明加密圖像與明文圖像文件大小相似，壓縮率高。
【專利說明】基于同類系數(shù)置亂的JPEG圖像加密方法 【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于圖像處理技術領域，涉及一種基于同類系數(shù)置亂的JPEG圖像加密方 法。 【【背景技術】】
[0002] 隨著硬件技術的發(fā)展，圖像采集設備越來越普及，現(xiàn)階段絕大多圖像采集設備將 獲取到的圖像數(shù)據(jù)保存為JPEG格式，這些圖像通過公共網(wǎng)絡發(fā)布和交流時，對隱私內(nèi)容的 加密需求也與日倶增。圖像加密通過算法隱藏視覺信息，保護數(shù)據(jù)安全。傳統(tǒng)圖像加密方法 偏重內(nèi)容和細節(jié)的隱藏，不考慮圖像數(shù)據(jù)的存儲格式和加密后密文圖像的壓縮率。對JPEG 圖像采用傳統(tǒng)加密方法獲得的密文圖像，由于像素值分布均勻、細節(jié)混亂，其壓縮率比起明 文圖像大為降低，為圖像存儲和傳輸帶來不必要的損耗。JPEG圖像加密分析JPEG壓縮標準 對靜態(tài)圖像的壓縮過程，尋求合適的加密方法，維持加密前后圖像文件的壓縮率，目前主要 的做法有：
[0003] $DZhang，Dinghui，andFengdeng Zhang."Chaotic encryption and decryption of JPEG image"·Optik-International Journal for Light and Electron Optics 125.2，pp. 717-720，2014.其中是置亂8 X 8分塊:不改變分塊內(nèi)部的系數(shù)，將8 X 8分塊作為 單元，置亂這些單元。但是置亂8 X 8分塊，不處理分塊內(nèi)部的參數(shù)，攻擊者通過差分攻擊方 式，能夠找出置亂規(guī)律，密鑰空間小，難以對抗暴力攻擊，其安全性較差。
[0004] JPEG圖像編碼中的量化DCT系數(shù)分為直流系數(shù)和交流系數(shù)兩種，兩種系數(shù)的重要 性也有所區(qū)別:直流系數(shù)(DC)包含了每個8X8分塊的直流信息，是人眼最敏感的部分;交流 系數(shù)(AC)，特別是高頻的AC系數(shù)，人類視覺對其并不敏感。因此傳統(tǒng)方法往往對兩種系數(shù)采 用不同的加密方案:對直流系數(shù)的加密采取較復雜、安全性能比較高的方法;對交流系數(shù)的 加密采取較簡單、執(zhí)行速度快的方法。采用這種方法來兼顧安全性和高效性。例如在 SimYing 0ng,KokSheik Wong,Xiaojun Qi,Kiyoshi Tanaka,"Beyond format-compliant encryption for JPEG image"，Signal Processing: Image Communication,Volume 31, February，Pages 47-60，2015.分別加密量化直流和非零交流系數(shù):對量化直流系數(shù)和量化 非零交流系數(shù)用不同的方法加密處理，需要至少兩種加密方案，整個系統(tǒng)較復雜。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0005] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術中存在的缺點，提供一種基于同類系數(shù)置亂的JPEG 圖像加密方法，針對JPEG圖像，利用混沌系統(tǒng)，對不同類別的量化DCT系數(shù)進行置亂處理，能 夠維持JPEG格式的加密圖像與明文圖像文件大小相似，壓縮率高。
[0006] 為了達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：
[0007] 包括以下步驟：
[0008] 步驟一:讀入待加密的JPEG圖像文件，獲得哈夫曼編碼表和經(jīng)JPEG編碼壓縮后的 圖像數(shù)據(jù)；
[0009]步驟二:通過哈夫曼編碼表解碼JPEG圖像數(shù)據(jù)，獲得量化DCT系數(shù)矩陣；
[0010]步驟三:按JPEG量化DCT系數(shù)編碼類別表將量化DCT系數(shù)矩陣中的非零系數(shù)分類， 并記錄每個非零系數(shù)在量化DCT系數(shù)矩陣中的位置;對待加密的圖像，統(tǒng)計量化DCT系數(shù)矩 陣中所有非零系數(shù)的個數(shù)η和8X8分塊個數(shù)m;
[0011] 步驟四：選定密碼，利用該密碼進行混沌迭代η+m次，生成長度為n+m的混沌序列；
[0012] 步驟五:將混沌序列前η個元素按照大小排列，其在原序列中的地址構成新的序列 I;
[0013] 步驟六:利用步驟五中生成的序列I對每個類別的非零系數(shù)進行置亂；
[0014] 步驟七:如果各個類別的非零系數(shù)都已置亂完畢，進入步驟八，否則返回步驟五；
[0015] 步驟八:將置亂后的非零系數(shù)按照步驟三中記錄的位置寫入新的矩陣，形成加密 后的量化DCT系數(shù)矩陣；
[0016] 步驟九：將加密后的量化DCT系數(shù)分割為不重疊的8X8區(qū)塊，將混沌序列的后m個 元素按照大小排列，其在原序列中的地址構成新的序列Π ，利用序列Π 將加密后的量化DCT 系數(shù)矩陣所有8 X 8分塊置亂；
[0017] 步驟十:將步驟九獲得的置亂后的量化DCT系數(shù)矩陣進行熵編碼，將編碼后的數(shù)據(jù) 寫入待加密的JPEG圖像文件，獲得加密后的JPEG圖像文件，完成基于同類系數(shù)置亂的JPEG 圖像加密。
[0018] 進一步地，步驟一中從待加密的JPEG圖像文件的文件頭中獲取圖像尺寸、量化表 和哈夫曼編碼表。
[0019] 進一步地，步驟十中置亂后的量化DCT系數(shù)矩陣利用文件頭中的哈夫曼編碼表進 行熵編碼。
[0020] 進一步地，步驟四中的混沌迭代，選用一維logistic map:
[0021] Χη+1=μΧη(?-Χη) (1)
[0022] 其中χο為初始值，μ為設定的控制參數(shù)。
[0023] 進一步地，〇〈χ〇〈1，3·570〈μ〈4。
[0024] 進一步地，步驟六中的置亂具體包括：
[0025] (a)取出混沌序列的前nl個元素，將其按照大小升序排列，元素在原序列中的地址 構成新序列A;其中，nl表示第一類非零系數(shù)的個數(shù)；
[0026] (b)利用該新序列A對第一類非零系數(shù)進行置亂；
[0027] (c)取出nl + 1至nl+n2個元素，重復步驟(a)和步驟(b)，完成對第二類非零系數(shù)的 置亂，直至完成最后一種類別的非零系數(shù)置亂;其中n2表示第二類非零系數(shù)的個數(shù)。
[0028] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下有益的技術效果：
[0029] 本發(fā)明利用混沌系統(tǒng)的初值敏感性和復雜性，生成偽隨機序列，通過該序列對不 同類別的量化DCT系數(shù)進行置亂處理，不直接處理DCT系數(shù)，而是處理量化后的DC系數(shù)和非 零AC系數(shù)。JPEG編碼針對人類視覺特性設計了的量化表，精細地保留直流和低頻信息，粗略 地保留高頻信息。于是JPEG圖像編碼中，量化后的直流系數(shù)(QDC)絕對值較大，而量化后的 交流系數(shù)(QAC)絕對值較小，大多數(shù)為零，或接近于零，非零的值很少。在這種情況下，對量 化DC系數(shù)和非零AC系數(shù)用同一種加密方案，并不會顯著增大要處理的數(shù)據(jù)，從而也能兼顧 安全性和高效性，克服了傳統(tǒng)技術種需要區(qū)別對待兩種系數(shù)的難題。本發(fā)明提出的加密方 法，能夠維持JPEG格式的加密圖像與明文圖像文件大小相似，壓縮率高，加密后文件不會大 于加密前文件的105 %，加密方法簡單易實現(xiàn)，密鑰空間大，抵抗暴力攻擊的能力明顯增強， 安全系能高，既可以單獨使用，也易于與其他JPEG圖像加密方法結合使用。
[0030] 進一步地，本發(fā)明中混沌迭代的初值范圍相當大，因此密碼的選擇很多，初值選擇 可能為2 52 ,甚至更多，如此之大的密碼可能空間能有效地抵抗暴力攻擊。 【【附圖說明】】
[0031] 圖1是本發(fā)明的流程圖；
[0032] 圖2是本發(fā)明的加密效果圖；其中圖A為原始圖像，圖B為加密圖像，圖C為正確解密 圖像，圖D為錯誤解密圖像。 【【具體實施方式】】
[0033]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明進行詳細說明。
[0034]本發(fā)明提供一種維持JPEG圖像質(zhì)量和壓縮率的加密方法，用于加密JPEG圖像，參 見圖1，本發(fā)明方法包括如下步驟：
[0035]步驟一:讀入JPEG圖像文件數(shù)據(jù)流。從JPEG圖像文件的文件頭中獲取圖像尺寸、量 化表、哈夫曼編碼表等信息，并獲得JPEG圖像的文件體數(shù)據(jù)，即經(jīng)JPEG編碼壓縮后的圖像數(shù) 據(jù)。
[0036]步驟二:通過JPEG圖像文件的哈夫曼編碼表，解碼JPEG圖像數(shù)據(jù)，JPEG圖像數(shù)據(jù)的 主要部分是量化DCT系數(shù)編碼，因此解碼后獲得量化DCT系數(shù)矩陣。在這個矩陣中，大多數(shù)系 數(shù)取值為零，少量與人的視覺感知相關性較強的系數(shù)不為零。
[0037]步驟三:按JPEG量化DCT系數(shù)編碼類別表將非零系數(shù)分類。不區(qū)分DC和AC系數(shù)，只 按其取值進行分類，其中屬于第一類的系數(shù)個數(shù)為nl，屬于第二類的系數(shù)個數(shù)為n2…，n = nl+n2+…。記錄每個非零系數(shù)在量化DCT系數(shù)矩陣中的位置。對待加密的圖像，統(tǒng)計量化DCT 系數(shù)矩陣中所有非零系數(shù)的個數(shù)η和8X8分塊個數(shù)m; JPEG量化DCT系數(shù)編碼類別表如下表1 所示：
[0038] 表1 JPEG量化DCT系數(shù)編碼類別表
[0039]
[0040]^步驟四：在混沌迭代許可的初值范圍內(nèi)選定密碼。利用該密碼進行混沌迭代n+m 次，生成長度為n+m的混沌序列。混沌迭代，選用一維logistic map
[0041] Χη+1=μΧη(?-Χη) (1)
[0042] 混純迭代許可的初值范圍是XQ和μ這兩個參數(shù)的取值;其中XQ為初始值，μ為控制參 數(shù)，均由用戶設定，要求滿足該迭代為混沌狀態(tài)，因此取值范圍為〇〈XQ〈 1，3.570〈μ〈4。
[0043] 步驟五:將混沌序列的前η個元素按照大小升序排列，其在原序列中的地址構成新 序列I。
[0044] 步驟六:利用步驟五中生成的新序列I對每個類別的非零系數(shù)進行置亂。比如，對 第一類系數(shù)進行置亂時，取出前nl個元素，對第二類系數(shù)進行置亂時，取出第nl+1至nl+n2 個元素。
[0045] 步驟七:如果各個類別的非零系數(shù)都已置亂完畢，進入步驟八，否則返回步驟五。
[0046] 步驟八:將置亂后的非零系數(shù)按照步驟三中記錄的位置寫入新的矩陣，形成加密 后的量化DCT系數(shù)矩陣。
[0047]步驟九：將加密后的量化DCT系數(shù)分割為不重疊的8X8小塊，將混沌序列的后m個 元素按照大小升序排列，其在原序列中的地址構成新序列Π ，利用這個新序列Π 將加密后 的量化DCT系數(shù)矩陣所有8 X 8分塊置亂。
[0048]步驟十:將步驟九獲得的置亂后的量化DCT系數(shù)矩陣按照JPEG編碼過程重新編碼： 利用文件頭中的哈夫曼編碼表進行熵編碼，將編碼后的數(shù)據(jù)直接寫入原始待加密的JPEG圖 像文件，生成加密后的JPEG圖像文件。其中圖像大小、量化表、哈夫曼編碼表等參數(shù)保持不 變。
[0049] 結合圖2和具體的實施例，對本發(fā)明做進一步詳細說明：
[0050] 一、讀入 JPEG 圖像 Lena.
[0051] 二、解碼獲得量化DCT系數(shù)矩陣。
[0052]三、按表1將量化DCT系數(shù)矩陣中的非零系數(shù)讀出并分類，記錄下每個非零系數(shù)在 矩陣中的位置。所有非零系數(shù)總共有44442個，第一類系數(shù)共22597個，第二類9268個……；8 X 8分塊共4096個。
[0053]四、選擇密碼χ〇 = 〇 .426，μ = 3.68,迭代44442+4096 = 48538次。
[0054]五、取出混沌序列的前22597個元素，將其按照升序排列，元素在原序列中的地址 構成新序列。例如序列（〇. 356，0.732，0.364)按照升序排列后成為(0.356，0.364，0.732)， 元素在原序列中的地址構成的新序列為（1，3,2)。本實施例中待加密的JPEG圖像一共有 22597個第一類非零系數(shù)，因此需要混沌序列中的前22597個元素。如果選擇另一幅JPEG圖 像對其用本飯進行加密，其非零系數(shù)個數(shù)與本幅圖像不同，取出元素的個數(shù)也不同。
[0055]六、利用新序列對第一類系數(shù)進行置亂。具體來說，新序列的第i個元素為(^，則第 一類系數(shù)的第i個元素在置亂后變成了第ci個元素。
[0056] 七、取出混沌序列的第22598至22598+9268 = 31866個元素，重復步驟五到六，直至 最后一種類別置亂完畢。
[0057]八、將置亂后的系數(shù)按照步驟三中記錄的位置寫入新的量化DCT系數(shù)矩陣。
[0058] 九、取出混沌序列的最后4096個元素，重復步驟五，獲得地址序列。將4096個8X8 分塊利用該地址序列進行置亂。
[0059] 十、將步驟九獲得的量化DCT系數(shù)矩陣利用文件頭中的哈夫曼編碼表進行熵編碼， 將編碼后的數(shù)據(jù)寫入加密后的JPEG圖像文件。其中圖像大小、量化表、哈夫曼編碼表等參數(shù) 保持不變。
[0060] 加密效果結合圖2,可以看出加密后圖像置亂充分，無法反映原始圖像的任何信 息，加密效果良好;正確解密后的圖像與原始圖像完全一致。
[0061]解密的過程中，步驟六與步驟九與加密過程相反，其余都一樣。具體來說，解密過 程為：
[0062]步驟一:讀入加密后的JPEG圖像文件數(shù)據(jù)流。從JPEG圖像文件的文件頭中獲取圖 像尺寸、量化表、哈夫曼碼表等信息，以及文件體數(shù)據(jù)。
[0063]步驟二:通過JPEG圖像文件的哈夫曼編碼表，解碼文件體數(shù)據(jù)，獲得加密后的量化 DCT系數(shù)矩陣。
[0064]步驟三:按JPEG量化DCT系數(shù)編碼類別表將非零系數(shù)分類。不區(qū)分DC和AC系數(shù)，只 按其取值進行分類。記錄每個非零系數(shù)在量化DCT系數(shù)矩陣中的位置。假設所有非零系數(shù)的 個數(shù)為η，其中屬于第一類的系數(shù)個數(shù)為nl，屬于第二類的系數(shù)個數(shù)位n2…，n = nl+n2+… η 15。該圖像的8 X 8分塊個數(shù)為m。
[0065] 步驟四：輸入加密時的密碼XQ和μ，利用logistic map進行混純迭代，迭代m+n次， 生成混沌序列。
[0066] 步驟五:將長度為n+m的混沌序列元素按順序分為15組，組內(nèi)元素的個數(shù)分別為 nl,n2,……nl5，每組元素按照大小升序排列，其在原序列中的地址構成新的序列。
[0067] 步驟六：利用步驟五中生成的15組地址序列對每各類別的非零系數(shù)進行反向置 亂。
[0068] 步驟七:如果各個類別都已置亂完畢，進入步驟八，否則返回步驟六。
[0069]步驟八:將解密后的非零系數(shù)按照步驟三中記錄的位置寫入原量化DCT系數(shù)矩陣。 [0070]步驟九:將新的量化DCT系數(shù)矩陣分割為不重疊的8X8小塊，將混沌序列的后半部 分m個元素按照大小升序排列，其在原序列中的地址構成新的序列，利用這個序列將加密后 的量化DCT系數(shù)矩陣所有8X8分塊反向置亂。
[0071] 步驟十:將步驟九獲得的反向置亂后的量化DCT系數(shù)矩陣按照JPEG編碼過程重新 編碼:利用文件頭中的哈夫曼碼表進行熵編碼，將編碼后的數(shù)據(jù)寫入JPEG圖像文件。其中圖 像大小、量化表、哈夫曼碼表等參數(shù)保持不變。這樣就獲得了解密后的JPEG圖像文件。
[0072] 混沌迭代的初值范圍相當大，因此密碼的選擇很多。如果攻擊者試圖采用窮舉法 搜索密碼，運算量極大，因此能有效抵抗暴力攻擊。
[0073]該方法置亂每種類別的系數(shù)，能夠保持JPEG圖像數(shù)據(jù)中非零量化DCT系數(shù)的個數(shù)、 類別和具體數(shù)值，不影響游程編碼的游程長度，維持了 JPEG編碼的壓縮能力;采用原有的熵 編碼方法，編碼結果與源圖像相比，有一定變化但在可接受范圍內(nèi)，能夠維持JPEG格式的加 密圖像與明文圖像文件大小相似，壓縮率高。本發(fā)明有效解決了現(xiàn)有技術中普通圖像加密， 不針對JPEG圖像進行處理，導致密文圖像壓縮率下降的問題，安全性能高，系統(tǒng)易于實現(xiàn)。 [00 74]該方法采用運算容易的logistic map生成混純序列，對JPEG圖像數(shù)據(jù)直接進行操 作，不區(qū)分DC和AC系數(shù)，只關心非零量化DCT系數(shù)的具體取值，加密方法簡單易實現(xiàn)。
[0075]利用該方法加密后的JPEG圖像，仍然維持JPEG格式，可以繼續(xù)利用其他JPEG圖像 加密方法進行多輪加密。該方法既可以單獨使用，也易于與其他JPEG圖像加密方法結合使 用。
[0076] 混純迭代的初值范圍相當大，因此密碼的選擇很多。本發(fā)明方法采用的logistic map的初值選擇可能為252。如果選用coupled logistic map作為混純迭代用于生成混純序 列，則初值的選擇可能為21()4。如此之大的密碼可能空間能有效地抵抗暴力攻擊。
[0077]利用新方法對JPEG圖像進行加密，能夠維持JPEG格式的加密圖像與明文圖像文件 大小相似，壓縮率高。表2是一些實驗JPEG圖像加密前后的文件尺寸，可以看出加密后文件 不會大于加密前文件的105%，在可接受范圍內(nèi)。
[0078]表2加密前后文件大小變化 [0079]
【主權項】
1. 基于同類系數(shù)置亂的JPEG圖像加密方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟一：讀入待加密的JPEG圖像文件，獲得哈夫曼編碼表和經(jīng)JPEG編碼壓縮后的圖像 數(shù)據(jù)； 步驟二:通過哈夫曼編碼表解碼JPEG圖像數(shù)據(jù)，獲得量化DCT系數(shù)矩陣； 步驟三:按JPEG量化DCT系數(shù)編碼類別表將量化DCT系數(shù)矩陣中的非零系數(shù)分類，并記 錄每個非零系數(shù)在量化DCT系數(shù)矩陣中的位置;對待加密的圖像，統(tǒng)計量化DCT系數(shù)矩陣中 所有非零系數(shù)的個數(shù)η和8 X 8分塊個數(shù)m; 步驟四：選定密碼，利用該密碼進行混沌迭代n+m次，生成長度為n+m的混沌序列； 步驟五:將混沌序列前η個元素按照大小排列，其在原序列中的地址構成新的序列I; 步驟六:利用步驟五中生成的序列I對每個類別的非零系數(shù)進行置亂； 步驟七:如果各個類別的非零系數(shù)都已置亂完畢，進入步驟八，否則返回步驟五； 步驟八:將置亂后的非零系數(shù)按照步驟三中記錄的位置寫入新的矩陣，形成加密后的 量化DCT系數(shù)矩陣； 步驟九：將加密后的量化DCT系數(shù)分割為不重疊的8 X 8區(qū)塊，將混沌序列的后m個元素 按照大小排列，其在原序列中的地址構成新的序列Π ，利用序列Π 將加密后的量化DCT系數(shù) 矩陣所有8 X 8分塊置亂； 步驟十:將步驟九獲得的置亂后的量化DCT系數(shù)矩陣進行熵編碼，將編碼后的數(shù)據(jù)寫入 待加密的JPEG圖像文件，獲得加密后的JPEG圖像文件，完成基于同類系數(shù)置亂的JPEG圖像 加密。2. 根據(jù)權利要求1所述的基于同類系數(shù)置亂的JPEG圖像加密方法，其特征在于，步驟一 中從待加密的JPEG圖像文件的文件頭中獲取圖像尺寸、量化表和哈夫曼編碼表。3. 根據(jù)權利要求2所述的基于同類系數(shù)置亂的JPEG圖像加密方法，其特征在于，步驟十 中置亂后的量化DCT系數(shù)矩陣利用文件頭中的哈夫曼編碼表進行熵編碼。4. 根據(jù)權利要求1所述的基于同類系數(shù)置亂的JPEG圖像加密方法，其特征在于，步驟四 中的混純迭代，選用一維logistic map: Xn+l 一 14Χη( 1-Xn) ( 1 ) 其中χο為初始值，μ為設定的控制參數(shù)。5. 根據(jù)權利要求4所述的基于同類系數(shù)置亂的JPEG圖像加密方法，其特征在于，0〈Xq〈1， 3·570〈μ〈4〇6. 根據(jù)權利要求1所述的基于同類系數(shù)置亂的JPEG圖像加密方法，其特征在于，步驟六 中的置亂具體包括： (a) 取出混沌序列的前nl個元素，將其按照大小升序排列，元素在原序列中的地址構成 新序列A;其中，nl表示第一類非零系數(shù)的個數(shù)； (b) 利用該新序列A對第一類非零系數(shù)進行置亂； (c) 取出nl+1至nl+n2個元素，重復步驟(a)和步驟(b)，完成對第二類非零系數(shù)的置亂， 直至完成最后一種類別的非零系數(shù)置亂;其中n2表示第二類非零系數(shù)的個數(shù)。
【文檔編號】G06T9/00GK105975866SQ201610265512
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年4月26日
【發(fā)明人】李珊珊, 孫偉陽, 趙祥模
【申請人】長安大學