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专利号: 2022110348326
申请人: 西安理工大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 电通信技术
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.基于自适应压缩编码的加密图像可逆数据加密方法,其特征在于,具体包括如下步骤:步骤1、先将尺寸为M×N的原始图像Io中所有像素最低有效位面的原始数据用二进制序列Lsb存储,然后将其全部置为零得到修正图像Im;

2

步骤2、将步骤1得到的修正图像Im分成尺寸为n×n的m个非重叠的块,其中m=M×N/n;

步骤3、对步骤2得到的m个非重叠块设定阈值T,并将每个块的前H个最高有效位单独和阈值T做判定,将m个非重叠的块标记平滑块和粗糙块两种类型,根据判定结果生成位置图L;

其中标记非重叠的块为平滑块和粗糙块的具体方法为:对于Im中的每个块,检索块中每个像素的前H∈{4,5,6,7}个最高有效位,即HMSB,把块内相同的HMSB归为一种,如果块内有λ种HMSB,且不大于预先设定的阈值T∈{3,4,5,6,7},那么当前块被标记为平滑块,否则将被标记为粗糙块;

位置图L的生成方法为:每个块用一个二进制位来标记,若是平滑块用“1”来标记,若是粗糙块则用“0”来标记,生成公式为:步骤4、采用自适应编码将步骤3中的平滑块与粗糙块中的像素分别压缩,生成必要的辅助数据:哈夫曼编码规则、参考像素、恢复序列Rq、标签图;同时利用加密密钥伪随机生成一个二进制矩阵S,将二进制矩阵S与步骤1产生的修正图像Im进行位异或,生成加密图像Ie;

其中对平滑块进行自适应压缩编码的具体步骤为:将每一个平滑块像素 的自适应编码结果定义为

式中 表示多个前缀位,由连续的若干个“0”和一个终止位“1”构成, 是当前平滑像素的HMSB部分的自适应编码结果, 是HMSB之后未更改的部分;

①根据λ的类型数量对平滑块中不同的HMSB进行自适应编码并得到其码字;

②添加连续若干个“0”和一个终止位“1”,即 在其码字之前以满足公式(6)中的编码结果;

2

③在完成上述两步后,平滑块中所有共n个像素的HMSB都被自适应压缩编码完成;

步骤5、计算步骤4中生成的辅助数据的长度,记为Lenaux,再将Lenaux与哈夫曼编码规则、参考像素、位置图L、恢复序列Rq、标签图、原图二进制序列Lsb顺序存储到步骤4生成的加密图像Ie的最低有效位面中;利用数据隐藏秘钥对嵌入数据d做加密处理,得到秘密数据de;

步骤6、将步骤5得到的秘密数据de存储在步骤4生成的加密图像Ie中平滑块和粗糙块压缩后所提供的可嵌入空间中,得到载有秘密数据的载密图像Iew。

2.根据权利要求1所述的加密方法,其特征在于,所述步骤4中平滑块的压缩方法为:设置(α1,α2,α3)用于表示平滑块的λ,即用(α1,α2,α3)表示平滑块中共有多少种HMSB,根据这种HMSB在块中出现频率从高到低的顺序,将种HMSB的原始数据串联起来,形成的二进制序列,串联三个比特位的(α1,α2,α3)和λ×H位的原始HMSB数据,以生成当前平滑块所需的辅助数据,将平滑块的数量表示为μ,扫描这些平滑块并计算其辅助数据,再将它们顺序连接起来,得到恢复序列Rq,其Rq的长度η为:式中,r是当前平滑块的下标,λr为当前平滑块中不同类型HMSB的数量。

3.根据权利要求1所述的加密方法,其特征在于,所述步骤4中粗糙块的压缩方法为:首先计算修正图像Im中粗糙块像素的预测值,预测规则为:①第一个行第一列像素Im(1,1)的预测值为它本身;

②如果当前像素位于第一行,则其左侧相邻像素的值为它的预测值;

③如果当前像素位于第一列,则其上方相邻像素的值为它的预测值;

④对于其他粗糙块像素Im(i,j),其预测值使用中值边缘检测(MED)方法计算得出,计算公式如下:其中a=Im(i‑1,j‑1),b=Im(i,j‑1),c=Im(i‑1,j), 是Im(i,j)所对应的预测值;接下来,使用以下公式将原始值和预测值分别转换为两个8位的二进制序列:k

其中P (i,j)和 分别为原始值和预测值所对应的二进制序列,从最高有效位(MSB)到最低有效位(LSB)比较这两个序列,直到其中某一位不同,用标签值ε来标记其原始值与预测值序列之间从MSB到LSB中共有多少位相同,计算公式如下:式中Im(i,j)为修正图像中位置为(i,j)的像素值, 为其对应的预测值,εMSB代表当前像素值和预测值,从最高有效位(MSB)至最低有效位(LSB)的第ε个比特位的值;

取两个序列的前7位来做处理,修正图像中的第一行第一列像素Im(1,1)将作为唯一的参考像素被存储;

扫描所有粗糙块像素,并通过上述处理过程,获得所有粗糙块像素对应的标签图τ。

4.根据权利要求1所述的加密方法,其特征在于,所述的步骤4中,对粗糙块进行自适应压缩编码的具体步骤为:定义8个哈夫曼码来表示八种标签值ε,即{“00”,“01”,“100”,“101”,“1100”,“1101”,“1110”,“1111”},根据标签图τ计算不同类型标签值的数量,再根据其出现频率从高到低对这八种标签进行排序,依次分配8种哈夫曼码,在实现压缩过程后,哈夫曼编码后的标签图τ的长度可通过以下公式计算:式中,nt表示粗糙块中标签值为t像素的数量,ct表示相应哈夫曼码的长度。

5.根据权利要求1所述的加密方法,其特征在于,所述的步骤4中,加密图像Ie的计算公式为:式中S(i,j)为使用加密密钥生成的二进制伪随机矩阵S中位置为(i,j)的伪随机值,Im(i,j)为修正图像Im中位置为(i,j)的像素值,代表进行的是异或运算,Ie(i,j)是加密结果。

6.根据权利要求1所述的加密方法,其特征在于,所述的步骤5中,辅助数据的长度Lenaux的存储长度为20个比特位,并且将其放置于整个辅助数据序列的头部,长二进制辅助数据序列。

7.根据权利要求1所述的加密方法,其特征在于,所述的步骤5中,整个加密图像Ie共有三处可嵌入的空间,最低有效位面、平滑块中的可嵌入空间和粗糙块中的可嵌入空间,通过位替换的方式将整个二进制辅助数据序列按照以上三个可嵌入空间的顺序,嵌入到加密图像Ie中。

8.基于自适应压缩编码的加密图像可逆数据解密方法,其特征在于,是用于使用权利要求1‑7所述加密方法所获取的加密图像的解密方法,具体包括如下步骤:步骤1、将载密图像Iew的最低有效位面中的所有辅助数据提取出,并依次恢复得到:辅助数据长度Lenaux、哈夫曼编码规则、参考像素、位置图L、恢复序列Rq、标签图τ、原图二进制序列Lsb;

步骤2、通过比较辅助数据长度Lenaux与载密图像Iew最低有效位面的可嵌入量M×N来确定秘密数据de的起始位置,并提取这一部分秘密数据;根据位置图来区分出载密图像Iew中的平滑块,再依赖于自适应编码规则表将其嵌入在平滑块中的秘密数据部分提取出来;根据位置图来区分出载密图像Iew中的粗糙块,再依赖于哈夫曼编码规则、标签图τ将其嵌入在粗糙块中的剩余秘密数据提取出来;

步骤3、将步骤2中提取出的秘密数据片段顺序相连,得到完整的秘密数据de,并利用数据隐藏秘钥对秘密数据de进行解密,得到解密后的嵌入数据d;

步骤4、根据恢复序列Rq和位置图L,将所有平滑块中的数据进行恢复;根据哈夫曼编码规则、参考像素、标签图和位置图,将所有粗糙块中的数据进行恢复;

步骤5、利用加密密钥伪随机生成一个二进制矩阵S,将二进制矩阵S与步骤4处理后的图像进行位异或;

步骤6、将原图二进制序列Lsb中的数据一一对应地放回步骤5处理后图像的最低有效位面,最终得到无损恢复的原始图像Io。