《河南大学》 2019年
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基于混沌系统和压缩感知的视觉安全图像加密算法

武海洋  
【摘要】:最近几年来,计算机和互联网的迅猛发展使信息的传输变得越来越便捷,多媒体信息被越来越多的在互联网平台上传播和使用,其中,数字图像具有直观、生动的特点,在网络上作为主要的信息载体,被广泛使用,但是在完全开放的环境下进行信息传输时,信息泄露等安全事件频繁发生。保护图像信息安全最有效的方法就是对图像进行加密,但目前的图像加密方法几乎都是将明文图像加密成类似于噪声或纹理的密文图像,这种类型的密文图像在传输或者存储过程中很容易引起黑客的注意,然后被重点攻击。因此如何设计视觉安全的图像加密算法,即得到的密文图像不是杂乱无章的,在视觉上是有意义的,且能够同时保证信息的数据安全和视觉安全,已经成为人们研究热点,具有很高的研究价值。混沌系统具有内随机性,对初始值和参数的敏感性,遍历性等良好性能,被广泛用于图像加密中。在传输带宽和存储空间受限制的情况下,常常需要对图像进行压缩然后再传输和存储。压缩感知能同时对图像进行压缩和加密,开始用在图像加密领域中。本文基于混沌系统和压缩感知,提出了三种视觉安全图像加密算法,主要工作如下:(1)提出了一种基于压缩感知和三维猫映射的视觉安全图像加密算法。首先,将明文图像P使用二维离散小波变换(2-D DWT)转换为稀疏系数,然后通过Zigzag置乱方法将稀疏矩阵置乱,并使用三维猫映射生成的测量矩阵将置乱后的矩阵加密压缩成密文图像F。接着,再将密文图像F按照最低有效位嵌入(LSB)的方法嵌入到载体图像R中,最后获得视觉上安全的密文图像E。算法可以同时实现图像数据安全和图像外观安全,并且密文图像和明文图像的大小相等,不需要额外的传输带宽和存储空间。仿真结果和性能分析都证明了提出的加密方案良好的加密性能。(2)提出了一种基于二维压缩感知(2-D CS)的视觉安全多幅彩色图像加密算法。首先,将两幅彩色明文图像的R、G、B颜色分量使用2-D DWT进行稀疏,再对稀疏系数矩阵进行二维压缩测量、置乱、量化操作。然后,对载体图像进行DWT操作得到高频段LH、HL,再把量化后的矩阵随机的嵌入到高频段中,最后获得视觉安全的密文图像。把与明文相关的密钥参数嵌入到载体图像中,跟随密文图像一起传送给接收方,在大批量图像加密的情况下,不仅实现两幅图像同时加密,还节省了传输带宽和存储空间。仿真结果验证了该加密算法的有效性和安全性。(3)提出了一种基于压缩-置乱-扩散的多嵌入方案的视觉安全彩色图像加密算法。首先,对彩色明文图像的R、G、B颜色分量进行稀疏,再对稀疏矩阵进行二维压缩测量、置乱、量化、扩散操作,得到扩散矩阵。然后,对彩色或灰度载体图像采用整数小波变换(IWT)得到高频段,再把扩散后的矩阵随机的嵌入到后的高频段中,最后获得视觉上安全的彩色或者灰度密文图像,且密文图像的尺寸小于等于明文图像,不需要额外的传输带宽和存储空间。在扩散操中,利用局部二值模式(LBP)算法的阈值处理方法对Logistic混沌系统生成的矩阵进行处理,得到扩散用的密钥矩阵,提高了算法的随机性。实验结果验证了该算法的有效性和安全性。
【学位授予单位】:河南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TP309.7;O415.5

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