[发明专利]一种动态概率和空频域复合的图像选择性加密和解密方法

说明书

本发明提供一种动态概率和空频域复合的图像选择性加密和解密方法，将待加密图像MD5值和SHA‑1值复合以提高单Hash特征的抗冲撞能力，通过和用户密钥紧耦合来生成中间密钥参数用于概率区间划分、概率生成、待加密像素块筛选以及确定概率加密事件和变换参数。所设计的加密事件包括空域和频域置换操作以提高加密效率和避免频域系数溢出对恢复图像视觉质量的影响，所提方法对待加密图像的加密特征和用户密钥都进行了更新，使得不同加密次数下的密钥参数有很大不同同时又与待加密图像特征和用户密钥紧密关联，同时又可通过预先设定的加密阈值进行图像视觉质量和频域溢出筛选控制。在解密时，需首先恢复中间密钥集，再对筛选出的像素块执行逆向解密操作。

技术领域

本发明属于信息安全和数字图像信号处理交叉研究领域，涉及一种图像加密和解密方法，特别涉及一种动态概率和空频域复合的图像选择性加密和解密方法。

背景技术

传统图像加密通常针对的是整幅图像，用于将整幅图像转换为面目全非的随机密图，不仅带来了高昂的计算代价，也掩盖了待加密图像几乎除大小以外的所有特征。在很多实际应用中，往往不需对整幅图像进行加密，而仅需对图像选定的比特位面、区域和部分像素进行加密，并且在加密的同时需提供原始图像的部分特征来给潜在的用户以更多体验，从而换取更大的商业利益，而这些加密图像所保留的图像特征，还可进一步用于图像分类、检索和识别等，从而相对于传统图像加密，具备更多的使用价值。这种仅对图像选定的比特位面、区域和部分像素加密的方法，被称为选择性加密。

针对选择性图像加密，目前比较典型的选择性图像加密方法主要有：

①对选取的部分比特位面或比特位进行选择性加密。例如，Rehman A U,2015.(Rehman A U,Liao X,Kulsoom A,et al.Selective encryption for gray images basedon chaos and DNA complementary rules[J].Multimedia Tools and Applications,2015,74(13):4655-4677)对待加密图像的高低位比特位面通过不同的DNA序列加密。Kulsoom A,2016.(Kulsoom A,Xiao D,Aqeel-ur-Rehman,et al.An efficient and noiseresistive selective image encryption scheme for gray images based on chaoticmaps and DNA complementary rules[J].Multimedia Tools and Applications,2016,75(1):1-23.)进一步引入图像的MD5值来提高Rehman A U,2015所述策略的抗选择明文攻击能力。Moon D,2006.(Moon D,Chung Y,Pan S B,et al.An efficient selectiveencryption of fingerprint images for embedded processors[J].ETRI journal,2006,28(4):444-452.)将像素的LSB作为随机密钥流与高位比特位进行异或加密来掩盖待加密图像特征，并通过保密LSB来提高所述策略的安全性。Vanogenbroeck M,2002.(Vanogenbroeck M,Benedett R.Techniques for a selective encryption ofuncompressed and compressed images[C]//in Proceedings of Advanced Conceptsfor Intelligent Vision Systems(ACIVS)2002.2002:90-97.)利用与密图等大的2值随机密钥对选定的比特位面进行逐位异或加密。钟鸣,2008.(钟鸣,廖晓峰,周庆.一种基于四叉树的空域图像选择加密算法[J].计算机工程,2008,34(18):174-178.)将图像选定的比特位面划分为8×8小块，通过改变小块的位置关系和交换8×8小块4叉树同层分解结点的位置顺序来对选定的比特位面进行加密。Xiang T,2007.(Xiang T,Wong K,LiaoX.Selective image encryption using a spatiotemporal chaotic system[J].Chaos:An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science,2007,17(2):415-427.)采用基于斜帐篷映射的1维耦合映射格子对选中的比特位面进行选择性加密，并通过调整待加密的显著比特位面数量在安全性和加密性能上进行折中。Hoang T,2014.(Hoang T,Tran,D.Cryptanalysis and security improvement for selective image encryption[J].European Physical Journal Special Topics,2014,223(8):1635-1646.)对Xiang T,2007的安全性进行了分析，通过改变每个像素参与加密的显著比特位数来提高所述策略的安全性。Rehman A U,2015，Kulsoom A,2016，Moon D,2006，Vanogenbroeck M,2002，钟鸣,2008，Xiang T,2007和Hoang T,2014都是基于比特位面或比特位的选择性图像加密。不同的是Rehman A U,2015和Kulsoom A,2016对高低位比特位面采用了不同的加密策略；MoonD,2006是将低位比特位面作为对高位比特位面异或加密的密钥；Vanogenbroeck M,2002，钟鸣,2008和Xiang T,2007是对选中的比特位面进行加密；Hoang T,2014对不同的像素进行不同数量的比特位加密。基于比特位面和比特位的选择性加密策略可通过调整加密的比特位面和加密比特位的数量来调整待加密图像的视觉质量，若加密数量过多，则趋于传统图像加密，若仅对显著位或显著位面进行加密，则丧失图像的辨识特征，若仅对不显著比特位面加密，则无法有效地降低图像的视觉质量。若将LSB作为密钥，则在传输过程中易于破坏，导致加密图像无法恢复。对于灰度或彩色图像，仅有有限个可供选择的比特位面，通过选择不同的比特位面来对图像加密代价和加密图像的视觉质量进行调控，所能起到的调控作用十分有限。