[发明专利]一种兼容JPEG压缩标准的彩色图像加密方法

说明书

本发明涉及图像安全领域，提供一种便于JPEG压缩的彩色图像加密方法。它包含如下步骤：首先对待加密图像I₀进行降采样得到图像I₀′，并将I₀分成n个互不重叠的子块。然后使用SHA3‑256算法计算I₀′的哈希值并将其分比特段转换成密钥；将Logistic映射迭代产生混沌序列并转化成伪随机序列SK₁、SK₂、SK₃、SK₄、SK₅。再依次用这些序列对各明文图像块进行如下操作：用SK₁控制置乱n个子块之间的相对位置；用SK₂对3个颜色分量矩阵进行转置、颠倒；用SK₃置乱每个子块的3个颜色分量矩阵之间相对位置；用SK₄对每个子块的颜色分量矩阵作竖直或水平方向的循环移位；用SK₅决定子块各像素的异或运算。本发明具有加密速度快、兼容JPEG分级压缩优点，可以应用于移动社交平台系统中。

技术领域

本发明属于网络空间安全领域，旨在解决面向JPEG多级压缩的彩色图像在线安全传输与存储问题。

背景技术

随着移动互联网和图像传感器的快速发展，在互联网中传输的图像数据，无论是数量还是速度都在与日俱增。此外，由于数字图像生动、直观，同时可表示丰富信息，深受社交网络用户的喜爱。因为互联网的开放性，图像数据本身及其相关信息(比如拍摄或发布地址)容易造成用户的隐私泄露。而图像数据的快速增长使得大量的带宽和存储空间被占用。因此，研究一种既能保证用户图像数据的隐私安全性，同时兼顾快速处理和高数据压缩率的图像安全传输方法成为迫切需要。

使用哈希函数建立起明文图像与加密过程中所用伪随机序列的关联机制，可大幅度提高图像加密方法抵抗(已知或选择)明文攻击的能力。SHA-3是NIST在2015年发布的新一代哈希函数标准，相对于经典哈希函数标准SHA-2、SHA-1、SHA-0、MD5具有更高的安全性能。任何长度和类型的文件通过SHA-3函数计算生成固定长度的哈希值，其比特位的长度可以设定为224、256、384或512。如果文件有任何细微的改动都会导致最终计算出来的哈希值出现统计意义上巨大的变化，这就是安全哈希函数所应具备的“雪崩效应”。混沌系统具有良好密码学特性：对初值变化敏感性、非周期性、非收敛性、不可预测性。使用一维混沌Logistic映射作为伪随机数生成器，用它来实现图像加密，算法简单、加解密速度快同时具备较好的安全性能。JPEG是被广泛采用的国际图像压缩标准，它提供了可调节图像质量的功能，允许用户选用任意压缩比例对原图像进行量化压缩。JPEG对彩色图像的有损压缩过程主要包括以下几个关键步骤：

(1)颜色空间的转换：将RGB转换为YCbCr。

(2)采样：对Y、Cb、Cr分量分别进行采样，数据采样比例通常为4:1:1、4:2:2和4:4:4。

(3)分块：将3个颜色分量分别都分成8×8互相不重叠的子块。

(4)时频变换：对每个子块分别进行DCT变换。

(5)量化：对每个子块相对于量化表进行量化。

(6)编码：使用哈夫曼算法对量化系数进行熵编码。

根据加密运算与压缩步骤的执行顺序，与压缩过程相结合的图像加密算法可分为如下三类：先压缩后加密；先加密后压缩；加密和压缩同时进行。在很多应用系统中，图像是先加密后压缩，但是现有的大多数图像加密方法过于追求安全性能，造成加密步骤繁杂、加密效率低下，并且使得密文图像相邻像素之间的相关度太低，从而大幅度降低压缩过程所能取得的压缩率。

发明内容