融合壓縮感知的圖像安全的研究.pdf

1、多媒體通信在人們的日常生活中扮演著重要的角色。它給我們的生活帶來(lái)了便利，但也帶來(lái)了安全性問(wèn)題，比如多媒體數(shù)據(jù)容易被非法復(fù)制、篡改、竊取和傳播。
　　作為一種新的信息獲取技術(shù)，壓縮感知理論實(shí)現(xiàn)了采樣數(shù)據(jù)的同時(shí)壓縮數(shù)據(jù)。采樣者對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行隨機(jī)投影得到測(cè)量值。接收者利用少量的測(cè)量值，通過(guò)求解凸優(yōu)化問(wèn)題來(lái)重構(gòu)原始信號(hào)。壓縮感知具有同時(shí)采樣、壓縮和加密數(shù)據(jù)的良好特性，在圖像安全方面引起了研究人員的廣泛關(guān)注。本論文從圖像安全的應(yīng)用背景出發(fā)，對(duì)融

2、合壓縮感知的圖像加密、圖像哈希、數(shù)據(jù)隱藏和安全圖像檢索技術(shù)進(jìn)行研究。針對(duì)目前研究中存在的問(wèn)題，給出一些解決方案，推動(dòng)壓縮感知在圖像安全方面的應(yīng)用和發(fā)展。
　　目前已經(jīng)有一些圖像壓縮與圖像加密聯(lián)合方案，但方案存在復(fù)雜性較高、圖像壓縮程度不夠的問(wèn)題。本文將壓縮感知與圖像加密有機(jī)融合，提出融合壓縮感知的圖像加密算法。首先對(duì)圖像分塊，對(duì)分塊的圖像進(jìn)行離散小波變換，用混沌置亂技術(shù)置亂小波系數(shù)。然后生成結(jié)構(gòu)化隨機(jī)矩陣，作為壓縮感知測(cè)量矩陣進(jìn)行

3、壓縮感知過(guò)程，最后進(jìn)行相位編碼和分?jǐn)?shù)階傅里葉變換得到密文圖像。實(shí)驗(yàn)證明算法具有較好的圖像恢復(fù)性能，較高的安全性，能對(duì)抗已知明文攻擊和選擇明文攻擊，能對(duì)抗噪聲攻擊。
　　圖像哈希是一種有效的用來(lái)驗(yàn)證內(nèi)容的完整性和檢測(cè)篡改的圖像認(rèn)證技術(shù)。目前已有的圖像哈希算法，對(duì)于內(nèi)容保留的常用操作和惡意篡改的區(qū)分能力不強(qiáng)。如果篡改不能有稀疏表示，算法就只有有限的篡改恢復(fù)能力。本文提出融合壓縮感知和低秩表示的圖像哈希算法。首先對(duì)圖像預(yù)處理，用低秩表示

4、提取首要特征，對(duì)首要特征進(jìn)行離散小波變換得到特征向量。然后用混沌壓縮感知過(guò)程加密和壓縮特征向量。最后量化測(cè)量值和灰色編碼生成圖像哈希。接收方對(duì)接收到的圖像使用與發(fā)送方相同的步驟提取特征向量，用壓縮感知過(guò)程加密和壓縮特征向量。然后向認(rèn)證服務(wù)器請(qǐng)求圖像哈希值并進(jìn)行灰色解碼，進(jìn)行圖像認(rèn)證。最后利用壓縮感知恢復(fù)算法恢復(fù)首要特征，用低秩表示恢復(fù)篡改。實(shí)驗(yàn)證明提出的哈希算法對(duì)內(nèi)容保留的操作，如旋轉(zhuǎn)、剪切、加性噪聲、過(guò)濾和JPEG壓縮，都具有較好的健

5、壯性。與已有圖像哈希算法比較，有更好的對(duì)內(nèi)容保留操作和惡意篡改的區(qū)分能力，篡改恢復(fù)性能更好。
　　將密文圖像和信息隱藏結(jié)合起來(lái)，既能有效地保護(hù)傳輸圖像內(nèi)容的安全，也能實(shí)現(xiàn)版權(quán)保護(hù)、內(nèi)容完整性的功能。已有的密文數(shù)據(jù)隱藏方案存在健壯性不夠的問(wèn)題，不能用于有損信道的數(shù)據(jù)傳輸。一些基于壓縮感知的水印方法被提出來(lái)，它們可以用于有損信道的數(shù)據(jù)傳輸，但是水印提取精度不夠。本文提出對(duì)融合壓縮感知加密的圖像進(jìn)行水印嵌入的方案。首先提出融合壓縮感知的

6、圖像加密算法。對(duì)圖像使用離散小波變換得到低頻、中頻和高頻小波系數(shù)。分別采用貓映射置亂小波系數(shù)。然后使用混沌壓縮感知測(cè)量矩陣分別壓縮和加密低頻、中頻和高頻系數(shù)。最后聯(lián)合三部分的測(cè)量值得到密文圖像。利用Scalar Costa Scheme方法嵌入水印到中頻對(duì)應(yīng)的壓縮感知測(cè)量值中。方案實(shí)現(xiàn)了可交換的解密和水印提取。接收者可以從接收到的圖像中提取水印，然后解密和恢復(fù)圖像。接收者也可以直接解密接收到的圖像得到含水印的圖像，然后提取水印。該方案具

7、有嵌入容量大、水印提取正確率高、對(duì)抗剪切攻擊和噪聲攻擊、分級(jí)安全性的優(yōu)點(diǎn)，為壓縮感知在密文圖像數(shù)據(jù)隱藏方面的融合應(yīng)用做了新的探索。
　　在隱私保護(hù)的基于內(nèi)容的圖像檢索中，如何有效地、高效地構(gòu)建圖像特征保護(hù)方法和圖像檢索方法是基于內(nèi)容的圖像特征檢索關(guān)注的問(wèn)題?；谕瑧B(tài)加密的圖像特征保護(hù)方法借助同態(tài)加密算法，算法的安全性高，但計(jì)算復(fù)雜度和通信復(fù)雜度高，加密后圖像特征大小膨脹?；诰嚯x恒定的三種特征保護(hù)算法，并不是密碼學(xué)加密算法，而只是

8、隨機(jī)置亂技術(shù)。針對(duì)已有方案不能很好地兼顧有效性和高效性的問(wèn)題，提出了融合壓縮感知的加密圖像特征的隱私保護(hù)圖像檢索方案。首先提出融合壓縮感知的圖像特征加密算法。提取圖像特征，對(duì)圖像特征進(jìn)行離散小波變換，利用貓映射置亂小波系數(shù)，利用混沌壓縮感知測(cè)量矩陣進(jìn)行壓縮感知過(guò)程得到測(cè)量值，利用貓映射對(duì)測(cè)量值進(jìn)行置亂得到加密的圖像特征。然后提出圖像特征查詢信息生成算法和數(shù)據(jù)庫(kù)索引的生成算法。最后提出基于加密圖像特征的數(shù)據(jù)庫(kù)檢索算法。實(shí)驗(yàn)證明方案的安全性