具有视觉安全性的图像压缩加密算法研究

作     者：蒋东华 

作者单位：长安大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘立东

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 081201[工学-计算机系统结构] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 

主      题：隐私图像加密 混沌系统 压缩感知 斜变换 分数阶傅里叶变换 安全分析 

摘      要：伴随着远距离无线通信技术的快速发展,现如今不论我们身处何地都能利用无线通信设备进行实时的信息传递。同时,存储信息的实体也从黑白文字转变为能够携带更多消息内容的多媒体数据。作为新兴的信息传递介质,数字图像因其易于产生、处理和存储等优势被广泛地应用于民生、工业以及国防等领域。然而,在信息共享高效化、便捷化的当下,这些承载着隐私信息的数字图像在公用信道传输时将面临着巨大的潜在安全威胁。在这样的背景下,如何保证隐私图像的安全已然成为当今社会一个极具挑战性的课题。在资源受约束的应用场景中,对图像进行加密的同时还需要兼顾对冗余数据的压缩。被看作是对称加密的一种变体,压缩感知不仅能实现数据的同步压缩与加密,还具有高安全性和良好的健壮性。此外,为保证加密数据的隐蔽性,即隐蔽保密传输的行为事实,为不具备语义特征的加密图像添加一有意义的“视觉标签也是必不可少的。因此,本文旨在结合混沌系统、压缩感知以及数据嵌入技术设计出安全、高效、健壮、压缩性好的数字图像加密算法。本文主要的工作如下:(1)针对现有方案不具有视觉安全性的缺陷,设计出一种结合并行压缩感知和自适应嵌入手段的视觉安全隐私图像加密方案。在该方案中,首先在离散小波域上对明文图像进行稀疏分解。其次,对经过硬阈值化处理后的明文系数矩阵执行阿诺德置乱策略和并行测量以得到秘密数据。然后,再利用噪声可见函数寻找非涉密传输介质中适合嵌入的区域子块,并通过斜变换嵌入算法将未量化的秘密数据按分块的方式嵌入其中,最终得到具有语义特征的密文图像。同时为了抵抗选择明文攻击,将明文的频域系数用于控制忆阻超混沌系统以构建相应的密码流。数值仿真结果表明:所提方案在视觉安全性和健壮性方面得到明显的提升。(2)针对现有方案传输效率低的缺陷,设计出一种高效的双隐私图像视觉安全加密方案。在该方案中,首先利用高纳德随机置乱策略和依赖明文构建的部分哈达玛矩阵对双源明文稀疏系数执行初步加密和压缩。其次,再通过分数阶傅立叶变换嵌入算法将两组秘密数据在复频域中隐藏到非涉密传输介质的像素值和其透明度通道中以获得最终有意义的密文图像。另外,在密钥的辅助下将明文特征值嵌入至密文图像的透明度通道中以减轻密钥管理的负担。数值仿真结果表明:与现有相关成果相比,在所提方案的各项安全性指标没有出现衰减的情况下,其隐写空间提升了一倍。同时,健壮性方面也得到改善。(3)针对现有方案压缩性能不稳定的缺陷,提出一个自适应阈值稀疏模型以稳定明文图像在变换域中进行稀疏表示时的稀疏性。在此基础上,将其与新忆阻混沌映射和矩阵编码相结合设计出一种新颖的视觉安全图像加密方案。首先,通过自适应阈值稀疏化压缩模型对明文图像执行压缩采样和加密。其次,再经过FAN变换置换和异或扩散操作之后,在空域上通过编码的方式将具有统计伪随机性的秘密图像嵌入到非涉密传输介质中。数值仿真结果表明:所提方案在视觉安全性、压缩性能以及执行效率方面得到显著的性能增益。