面向手机服务的数字图像选择加密方法

摘要

一种面向手机服务的数字图像选择加密方法。该方法包括图像小波子带的选择、混沌序列初始值的确定、图像加密及加密质量评价四部分过程。采用计算原始图像各尺度分数小波低频子带的重要性值来选择重要的分数小波低频子带，将该子带作为待加密的图像低频子带，而不是对所有的图像子带进行加密；采用四个参数的集合作为图像加密的密钥，其中对于被选择的待加密分数小波低频子带，其混沌加密序列初始值的确定完全依赖于所选择的重要低频子带；采用Chebyshev映射而不是Logistic映射对所选择的低频子带进行加密；采用峰值信噪比的倒数与图像的边缘差异比之和作为图像加密质量的量化评价，而不是仅仅通过肉眼观察来判断图像加密的质量。

主权项

1.一种面向手机服务的数字图像选择加密方法，其特征在于：包括待加密分数小波低频子带的选择、图像混沌加密密钥的确定、图像的加密操作及加密质量评价四部分；（一）待加密分数小波低频子带的选择步骤1.对于给定的大小为M₁×M₂的原始图像I，进行β尺度分数小波变换；步骤2.对于所获得的β个分数小波低频子带，按照下列公式分别计算每个分数小波低频子带的重要性：${\mathrm{SIG}}_{\beta }^{\theta =4}=\frac{1}{(M_1/2^{\beta })\times (M_2/2^{\beta })}\underset{i=1}{\overset{M_1/2^{\beta }}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{M_2/2^{\beta }}{\Sigma }}{\left\{I_{\beta }^{\theta =4}(i,j)\right\}}^2---\left(2\right)$其中，θ∈{1,2,3,4}分别表示水平子带、垂直子带、对角线子带和低频子带，(M₁/2^β)×(M₂/2^β)是小波低频子带的大小，是分数小波低频子带的重要性；步骤3.取选择阈值其中0<Q<1是调节参数；步骤4.将每个小波低频子带的重要性与选择阈值α进行比较，进行如下操作：若满足不等式则判定此小波子带是重要的；如果不满足不等式则认为是不重要的；步骤5.若判断是重要的分数小波低频子带多于一个，则选择重要性最大的分数小波低频子带为最终选择的待加密小波低频子带；若具有最大重要性的小波低频子带不止一个，则任选其一作为待加密小波低频子带；若满足不等式的小波低频子带不存在，则调整调节参数Q的值，调整量由用户决定；（二）图像混沌加密密钥的确定要实现分数小波变换和混沌加密需要确定以下参数：（1）混沌序列的控制参数α，由用户给出；（2）图像小波变换的尺度β，由用户给出；（3）分数小波变换的分数阶数γ，且满足0<γ<2，由用户给出；（4）混沌序列初始值X(0)，它的确定过程如下：步骤1.设原始图像是m比特的，从被选择的子带中任选5个像素点P₁,P₂,P₃,P₄,P₅，由这5个点的像素值来获得该子带的混沌序列初始值；步骤2.按照下列公式计算所选小波子带的混沌序列初始值：$X\left(0\right)=\frac{P_1\times {10}^4+P_2\times {10}^3+P_3\times {10}^2+P_4\times {10}^1+P_5\times {10}^0}{{10}^m}---\left(3\right)$上述四个参数α,β，γ,X(0)构成所选子带图像加密的密钥；（三）图像的加密步骤1.对于所选择的小波低频子带，设该子带的大小是N₁×N₂，利用这个分数小波低频子带生成的系列初始值X(0)，按照如下映射生成混沌序列：X(n+1)=cos(α·arccos(X(n))    (4)其中，α是控制参数，且X(n)∈[-1,1]，此时所生成的序列是混沌的，由于这个混沌序列是双极性的，按照下述变换将其转化成[0,1]内的单极性序列：$Y\left(n\right)=\frac{1}{2}X\left(n\right)+\frac{1}{2}---\left(5\right)$这个序列的长度取为N₁×N₂，并将这N₁×N₂个数值转换成N₁行N₂列的混沌矩阵，记为U；步骤2.对所选择的分数小波低频子带进行加密，加密按如下公式计算：${\mathrm{Value}}_{\mathrm{New}}(i,j)=U(i,j)\otimes {\mathrm{Value}}_{\mathrm{Old}}(i,j)---\left(6\right)$其中，是XOR运算，Value_New(i,j)、Value_Old(i,j)分别是所选择分数小波低频子带加密后与加密前在第i行第j列的低频子带分数小波系数；步骤3.用加密后的分数小波低频子带替换加密前的分数小波低频子带之后，进行小波逆变换，获得初始加密图像；步骤4.将所获得的初始加密图像分割成4幅大小相同的子图像，之后对这4幅子图像依照顺时针方向做轮换处理后，所获得的图像就是最终的加密图像；（四）图像选择加密方法的质量评价步骤1.按照下列公式计算峰值信噪比：$\mathrm{PSNR}=10{\log }_{10}\frac{(M_1\times M_2)\max \left(\max \left(I^2\right)\right)}{\underset{i=1}{\overset{M_1}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{M_2}{\Sigma }}{(I(i,j)-I^{*}(i,j))}^2}---\left(7\right)$其中，I^*是加密后的图像；步骤2.按照Canny算子计算原始图像和加密图像的边缘，所获得的原始图像I的二值边缘图像记为B，加密图像I^*的二值边缘图像记为B^*；步骤3.按照下列公式计算图像的边缘差异比：$\mathrm{EDR}=\frac{\underset{i=1}{\overset{M_1}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{M_2}{\Sigma }}|B(i,j)-B^{*}(i,j)|}{\underset{i=1}{\overset{M_1}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{M_2}{\Sigma }}(B(i,j)+B^{*}(i,j))}---\left(8\right)$步骤4.图像加密质量的评价值是1/PNSR+EDR，此值越大，则加密质量越好。