[发明专利]基于压缩感知的视觉安全和数据安全的图像加密、解密方法

说明书

本发明涉及一种基于压缩感知的视觉安全和数据安全的图像加密、解密方法，首先利用SHA 256哈希函数得到明文图像的256位哈希值作为图像秘钥，并计算一维skew tent混沌映射和zigzag置乱的初始数值；对明文图像进行稀疏，对系数矩阵进行zigzag置乱；然后利用一维skew tent混沌映射生成测量矩阵，对置乱矩阵进行测量和量化，得到压缩加密后的图像，嵌入到视觉有意义的载体图像中，得到最终视觉有意义的密文图像。本发明实现明文图像的视觉安全和数据安全，秘钥空间大，对明文高度敏感，具有更强的抵抗蛮力攻击、选择明文攻击、已知明文攻击的能力，不需要额外存储空间，密文图像可以被快速有效的传输和存储。

技术领域

本发明涉及图像加、解密技术领域，特别涉及一种基于压缩感知的视觉安全和数据安全的图像加密、解密方法。

背景技术

随着数字技术和网络技术的迅猛发展，越来越多的多媒体数据产生，通过网络传输和在云服务器等平台进行存储。数字数据包含大量信息，例如，一张军事油库图片不仅可以告诉我们它的尺寸和数量，而且还可以给出它的大概位置；一幅人脸照片不仅可以暴露他或她的长相，还可以给出大概的年龄和身体状况。因此，在医学图像系统、军事图像系统和视频会议中，保护图像数据的安全引起了广泛的关注，图像加密是一种可以有效保护数据安全的方法。

目前，许多图像加密算法被提出，它们使用了混沌系统、DNA计算、元胞自动机、光学变换、布朗运动、波函数传输等技术。已知的大多数图像加密算法的一个最重要的特点就是：明文图像被转化为一幅类噪声密文，密文图像的直方图是平滑的，像素值在[0，255]之间均匀分布，密文图像的信息熵接近8，密文图像被发送方传递到接收方，网络攻击者通过分析密文很难得到秘钥和相应的明文。大多数加密算法都可以有效保护图像数据的安全，其中一些算法由于秘钥空间小或者算法和明文相关性小而被攻破。此外，这些算法有一个共同缺点，就是类噪声的密文在传输和存储中很容易引起攻击者的注意，从而被发现和攻击。基于此，如果我们设计一种视觉安全的密文，即密文图像具有有意义的外观，在它们被存储和传输中，就很难被发现，从而避免了被攻击的可能，保证了自身的安全。因此，设计具有视觉安全和数据安全的图像加密算法是一件很有意义的工作。同时，考虑到传输带宽、存储空间和实时应用的考虑，我们不希望图像加密之后得到的密文图像的尺寸大于相应的明文图像。

2006年，Candes和Donoho提出了压缩感知的概念，其核心思想是利用信息空间结构，将压缩和采样合并进行，突破了香农采样定理的限制，可以大大减少采样点数，在压缩感知概念出现不久，就有研究者考虑将压缩感知用于图像加密中。例如，H.Fang等把zigzag置乱和压缩感知用于图像和视频的压缩加密中，发现zigzag置乱可以有效提高重建图像和视频的信噪比。张玉书等利用混沌系统和压缩感知用于图像的压缩加密中，首先图像的稀疏系数被混沌序列排序置乱，然后利用压缩感知进行测量加密，最后一个类噪声的密文图像被得到。周南润等利用非线性分数阶梅林变换和二维压缩感知技术设计了一种新的图像压缩加密算法，明文图像被测量矩阵从两个方向进行测量，然后利用非线性分数阶梅林变换进行二次加密。在这些加密算法中，置乱过程和压缩感知过程的结合可以有效放松压缩感知的有限等距限制，降低了算法的计算复杂度，同时增强了算法的压缩和加密性能。但是，加密算法中，置乱过程和明文无关，这就意味着相同的置乱向量用于不同的明文图像加密，算法抗选择明文攻击和已知明文攻击性差。因此，增加算法和明文之间的关联，有助于进一步提升算法的安全性。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提出一种基于压缩感知的视觉安全和数据安全的图像加密、解密方法，高度依赖明文，提高加解密过程中的抗选择明文和已知明文攻击的能力，SHA 256哈希函数的使用使得秘钥空间大大提高，增强图像加解密技术抵抗暴力攻击的能力。

按照本发明所提供的设计方案，一种基于压缩感知的视觉安全和数据安全的图像加密方法，包含如下步骤：