admin 针对多维视觉信息图像和视频等的加密问题进行研究，提出一种基于离散小波和混沌序列的加密技术。该方法利用多维可视信号宿主的巨大可转换状态空间及各中间状态间的转换关系，获得一种视觉信息最佳保护系统结构框架模型，根据该模型，用DWT变换压缩知化视觉特征，用混沌序列破坏知化视觉特征，达到保护多维可视信息安全的目的。
一、可视信息加密理论框架与评价要素
1、加密信息信号空间分析与最优框架
通过视觉感知系统接收的信息是一类特殊的信息，是可感知、可理解的知识，称为可视知识信息(intelligible visual information，V信息)。给定V信息的一个样本，得到一幅静止图像或一个视频序列f(x，y，λ，k)，称为V图像。为描述方便，记为f1a(Sv)。V图像标称空间记为Ω(f1a)，一般情况下Ω(f1a)在其宿主空间Ω(f1a)中，可用式(1)表示。
式中：i∈(1，2，3)-彩色图像r(red)，g(green)，b(bLue)三分量，I1x，I1y——空间x与y的集合，If1——图像f1函数域。
对V图像f1a(Sv)加密就是将其从当前所处状态映射为标称或其宿主空间中的其它状态。在新状态下，完全不具有可理解的视觉形象信息。标称或宿主状态空间的大小是加密安全性的重要指标。按状态空间理论和式(1)，得到式(2)关系。
式中：n1≥n1a≥1。
2、加密系统理论框架分析
按V图像空间中各状态与可感知信息（简称V知识）的关联程度，将V图像划分为两类（如图1所示）。
V知识关联状态集（阴影部分）和非关联状态集（阴影以外的部分）。分别用前缀AF和NAF表示如下。
图像数据间相关性非常强，局部像素变化（如位置交换或改变其灰度值），变化前后的两幅图像在状态空间中代表两种不同状态，但其传递的视觉形象可能完全相同（它们在阴影区域）。还有视频序列中前后相邻的几帧图像，所表达的内容和视觉形象可能完全相同，但却分别代表其状态空间中几个不同的状态，如将其中的一帧映射为另外一帧。由阴影区域中的一个状态映射为另外一个状态，可能无法达到加密可视图像信息的目的。只有将当前状态映射变换为另外完全不同的状态（视觉形象表达的意义完全不同或没有任何意义，即不可理解），由阴影区域中的一个状态映射为阴影区域外的另外一个状态，才能说对信息实现了加密。
根据以上分析，结合现代密码体制的要求，V图像加密系统理论框架可用式(4)描述。
式中：C1——加密映射后图像为NAFΩ中元素，C2-加密映射方便可行，C3-授权者容易解密，非授权者解密具有要求的难度，C4-具有要求的鲁棒性，C5-加密导致的数据膨胀量尽量少。
该框架总体算子优化方程可用式(5)描述。
根据知化视觉信息特征，实现上述方程的一种最佳系统框架可用图2表示。
它的工作方程可用式(6)表示。
式中：O1单元检测提取被加密图像fl的知化视觉特征；O2信息冗余；03单元按照某种特定的扫描方式将二维数据一维化，便于04单元进行加密；05单元将一维数据f14还原为可视图像信息f'l，便于传递和分发。
二、多维视觉信息DWT-混沌加密技术
1、系统结构分析
现代图像和视频通信中，为节约传输带宽和存储空间，图像或视频一般都经过某种编码压缩，例如采用JPEG标准或JPEG2000标准对静止图像进行压缩编码，采用MPEG-x或h.26x来对视频数据进行压缩。它们主要以DCT变换为主来提取多维视觉信息的冗余。相对于DCT及其它变换域方法，DWT方法去像素间冗余效果更好[1'6'8]，新的编码方案已经开始推荐使用DWT方法。在JPEG2000已经开始使用DWT变换，MPEG-4仍然以DCT变换为主，但其中的静态文理编码技术提供高度可扩展能力，推荐使用DWT变换和零树算法和算术编码对小波系数进行量化和编码，采用DWT变换编码是大势所趋。采用DWT的另一个好处，就是改变DWT结果中的一个系数，其原域空间存在一个放大效应，变换的层次越多，影响的范围越大。变换域的系数取值比原域空间的取值范围大得多，能够提供的密钥空间也大得多，无形之中提高了系统的安全等级。
多维视觉信息加密过程实际上是在原来比较有规律的数据序列上引入一个随机变量，使其丧失原来的规律性。现代密码体制要求，引入的序列具有较强的随机性，对初始条件特别敏感，产生同样序列简单易行。这正是混沌系统的突出优点，通过混沌系统产生随机序列来完成加密过程。
考虑到实际的加密系统与现有编码方案的兼容，系统需要针对不同的数据流采用不同的加密流程。对于未经过编码压缩处理的图像、视频或文本等信息，需要经过系统的o1、o2单元的变换压缩处理，去掉空间冗余铘视觉冗余信息，再经过03单元准备加密的数据源，然后经过04单元的混沌加密处理，05单元重新形成加密后的文件f14，便于发布和传递。经过JPEG标准或JPEG2000标准编码处理过的静止图像和经过MPEG-x或h 26x处理过的视频信息流，由于已经将数据流中的冗余信息去掉，对于这类信息，不再经过系统的01、02单元变换压缩处理，直接通过03单元、04单元、05单元顺序完成加密处理，形成新的加密数据流文件f14，用于发布或传递Dj安照上述分析具体化后，得到图3的多维视觉信息加密系统结构框图。
2、系统原理与工作方程
（1）DWT
f01k,m，…，fjlk,m为原图像信号f1在2j尺度空间的变换系数，当J=O时，有f01k,m=f1，并且令h0、h1分别为小波函数的低通和高通滤波器，二维信号fl进行小波变换的快速分解可用式(7)表示。
式中：[…]——二维数据的一维化。
IDWT可用式(8)表示。
式中：f14（i，l，j）-加密后的小波系数在相应层次的二维化。
（2 ）混沌序列的产生
一维离散混沌系统可以简单地用式(9)表示。
式中：xk∈V，k=0，1，2，…，称为状态，r——个非线性映射，将当前状态Xk映射到下一个状态xk+1。通过对初始参数集赋予初值，不同系统赋予不同的初始参数集。混沌加密模板fSkl、fSk2用于控制DWT系数矩阵在自身状态空间的映射。f9<i可用式(10)表示。
式中：p0(r)——产生离散序列的初始值集合，P1(r)——系统结构参数集合，p2(r)——抽取新序列的位置及结构方式，p3(r)-抽取新序列的长度，p4(r)-通过新序列产生模板的方法，P5(r)——选用的混沌映射系统。上述6个参数就唯一决定了一个加密模板，只有正确地得到以上6个参数才能够正确解密图像。
（3）信息加密
将二维视觉信息的一维向量形式k12，利用fsk1按照式(II)对其进行加密，得到f13，将f13进行二维化后，利用式(8)反变换得到解密的视觉信息：
式中：。——执行点乘。
三、实验及测试评价
按式(4)设计实验并逐项检验该系统性能，参考表1所示。
将Lena512作为实验对象，采用Daubechies小波。混沌序列模板产生的几个参数依次为P5(r)一logistic，用式(12)表示，p0(r)=α=1.6，p1(r)=x(1)=0.4，p2(r)=n2=310，依次抽取，p3(r)=128，p4(r)用式(13)方式产生新模板。
1、加密与解密实验
用式(13)、(14)产生混沌模板fsk1、fSk2，按式(11)实现图像加密和解密。图4(a)是原图像，图4(b)是加密结果，原视觉形象完全被破坏；用A。对图4(b)代表的数据进行解密运算，得到与原图一致的解密图，如图4(c)所示。对图4(b)进行解密，得到图4(d)、图4(e)的结果，图像十分混乱，无法获取任何有价值的视觉信息。密钥可表示为K=(Ci，a，x0，n0，n1；Wj，b0，n2，n3)，其中ci、wj分别表示采用的混沌系统的种类和离散小波的种类，a和x为混沌系统的参数和初始值，no为混沌序列的起始位置，n1为模板的数量，n2为采用的DWT的级数方法，n3为加密的级数。这些参量可任意选择，更改十分方便。
要破译Lena密图，存在如下三种状态：(1)对整个加密过程一无所知；(2)对加密过程有一定了解，知道使用了DWT和零树量化方案；(3)在前面的基础上甚至知道采用了混沌加密技术。对于第一种情况，要实现解密根本无从谈起，因此只对后两种状态进行讨论。
假设攻击者不知道使用了何种小波。1995年，Villase-nor在研究图像编码时仅双正交小波就讨论了4300余个；小波构造已成为一个开放性问题，自己构造的小波没有公布出来，破译者是无法将其列入攻击备选序列中。破译者寻找该小波的过程让他伤透脑筋，更谈不上解密了。假设攻击者知道DWT的参数，此时的关键转移到混沌序列的猜测和解密上。他要猜测如何生成混沌序列，目前存在的混沌映射非常多，这又是一个使他伤脑筋的地方。再进而假设他的备选序列中正好存在加密使用的混沌系统，采用穷举法来猜测初始值和参数。由前面实验证明，哪怕0.000001的误差，也无法得到正确图像。况且任何一个混沌系统的初始值和参数的取值范围均为一定范围的实数域，如果采用穷举法，目前还没有计算机能够胜任该工作，成功破解加密图像文件的机会为零。
2、抗干扰实验
在传输过程中，如果信号受到干扰或被篡改，造成加密信息的丢失，授权方也无法得到正确的信息，那么该加密方法就不是最佳的方法，最佳方法一定是能够抗干扰和防篡改的。因此在传输信号中引入随机噪声，观察对解密结果的影响。
图5(a)是对密图4(b)加入随机脉冲噪声脉冲(salt＆pepper，强度参数0.01)，图5(b)是在此基础上加入噪声（gaussian，强度参数0.01），图5(c)、5(d)是对图5(a)、5(b)的解密结果，可见图像上仍然存在非常严重的噪声痕迹，虽然图像的质量下降了，但图像所要表述的内容已基本清楚了，通过进一步降噪和直方图均衡处理，图像表达的信息能够得到加强如图5(e)所示。该方
法加密图像数据能够经受传输和存贮过程中的随机噪声的干扰和影响。
3、抗压缩实验
对于经过编码压缩处理的多维视觉信息，加密过程是在编码压缩之后，无论怎样压缩，均不会对后面的加密／解密过程产生影响。对于未经过编码压缩处理的多维视觉信息，加密过程是在DWT低频系数中进行，在对系数零树小波量化编码时，根据当前的阈值To，丢掉绝对值比To小的系数。DWT低频系数绝对值往往较大，解码时用与该系数最接近的To整数倍的值来代替。图5(f)为To—16时，去掉所有小于16的系数，得到解密图像。此时压缩比CR≈20，PSNR一76. 43，虽然图像中边缘区域存在毛刺，并不影响图像视觉效果。说明高压缩比处理只会造成解密图像质量下降，不会对图像要表达的视觉内容构成实质性损害。
小知识之视觉
视觉是一个生理学词汇。光作用于视觉器官，使其感受细胞兴奋，其信息经视觉神经系统加工后便产生视觉（vision）。通过视觉，人和动物感知外界物体的大小、明暗、颜色、动静，获得对机体生存具有重要意义的各种信息，至少有80%以上的外界信息经视觉获得，视觉是人和动物最重要的感觉。
