张晓明开题PPT

1、基于稀疏分解的图像压缩加密基于稀疏分解的图像压缩加密系统的设计与实现系统的设计与实现 开开题报告人：张晓明题报告人：张晓明指导指导老师：张淼老师：张淼 2015-1-6内容内容课题背景及目的意义国内外研究现状及分析研究内容及关键问题研究方法及技术路线可能遇到的困难课题背景 随着随着Internet技术与多媒体技术的飞速发技术与多媒体技术的飞速发展，图像在人与人之间的信息交流中发挥着重展，图像在人与人之间的信息交流中发挥着重要作用。然而数据在信息的传输过程中有可能要作用。然而数据在信息的传输过程中有可能被监听、窃取被监听、窃取，而且有时由于图像数据过大导而且有时由于图像数据过大导致传输速率过慢，

2、数字信息传输安全性变得尤致传输速率过慢，数字信息传输安全性变得尤为关键。如何在数字图像传输中既能保证图像为关键。如何在数字图像传输中既能保证图像的传输效率又能被防止被他人窃取成为了研究的传输效率又能被防止被他人窃取成为了研究的热门方向。基于稀疏分解的图像压缩与加密的热门方向。基于稀疏分解的图像压缩与加密算法就是在这样的背景下产生的算法就是在这样的背景下产生的。研究目的和意义随着当今科学技术的发展，数字图像在网络上的传输已随着当今科学技术的发展，数字图像在网络上的传输已经很普遍，然而其传输的安全性和传输速度面临着严峻的经很普遍，然而其传输的安全性和传输速度面临着严峻的挑战。为了防止图像在传输过程

3、中被他人窃取或攻击，同挑战。为了防止图像在传输过程中被他人窃取或攻击，同时人们对图像的大小、安全性也提出了更高的要求。本系时人们对图像的大小、安全性也提出了更高的要求。本系统采用的算法是当今比较流行的基于稀疏分解的图像压缩统采用的算法是当今比较流行的基于稀疏分解的图像压缩算法和基于混沌映射的图像加密算法，这两种算法结合起算法和基于混沌映射的图像加密算法，这两种算法结合起来，由于图像的密文数据流变得不确定，使得攻击者必须来，由于图像的密文数据流变得不确定，使得攻击者必须综合考虑整个加密和压缩过程以及因为压缩给加密带来的综合考虑整个加密和压缩过程以及因为压缩给加密带来的影响，在保证图像质量的同时可

4、以大大提高通信系统的传影响，在保证图像质量的同时可以大大提高通信系统的传输效率和安全性能。输效率和安全性能。 国内外研究现状图像压缩技术图像压缩技术 图像编码技术始于上世纪图像编码技术始于上世纪4040年代末，早期的熵编码、预年代末，早期的熵编码、预测编码和变换编码等这些经典的编码理论均来源于测编码和变换编码等这些经典的编码理论均来源于ShannonShannon的信息论，它们的出发点是要消除图像中的统计冗余信息。的信息论，它们的出发点是要消除图像中的统计冗余信息。目前在低比特率条件下的图像压缩仍是有待做进一步研究的目前在低比特率条件下的图像压缩仍是有待做进一步研究的难题难题, ,图像的稀疏分

5、解为此提供了一个新的可能解决方案。图像的稀疏分解为此提供了一个新的可能解决方案。由于稀疏分解的良好特性，它很快被推广到图像的研究上。由于稀疏分解的良好特性，它很快被推广到图像的研究上。19961996年在生物视觉的初级过程中找到了这种年在生物视觉的初级过程中找到了这种“过完备过完备稀疏稀疏”表达的证据，从另一个侧面推动了图像稀疏分解的研究进展。表达的证据，从另一个侧面推动了图像稀疏分解的研究进展。国内外研究现状图像加密技术图像加密技术 随着计算机网络的发展，数字图像的安全问题引随着计算机网络的发展，数字图像的安全问题引起了人们的广泛关注。传统的加密系统如起了人们的广泛关注。传统的加密系统如DE

6、SDES和和IDEAIDEA等是基于叠代乘积密码实现的。在这些方法中，为保等是基于叠代乘积密码实现的。在这些方法中，为保证安全性，一般主要依靠由密钥以非常复杂的方式控证安全性，一般主要依靠由密钥以非常复杂的方式控制着替换过程，对于数据量极为庞大的多媒体数据流制着替换过程，对于数据量极为庞大的多媒体数据流而言，难以实现快速的加、解密算法。随着密码技术而言，难以实现快速的加、解密算法。随着密码技术的发展，混沌密码技术的出现，数字图像加密技术的的发展，混沌密码技术的出现，数字图像加密技术的发展达到了一个新的高度。发展达到了一个新的高度。19981998年，年，J.FridrichJ.Fridrich

7、在文在文献中首次提出了一种基于混沌映射的图像加密通用算献中首次提出了一种基于混沌映射的图像加密通用算法。该算法包括了现代密码体制所倡导的置换、替代、法。该算法包括了现代密码体制所倡导的置换、替代、扩散及混乱等基本要素。随后人们提出的很多混沌图扩散及混乱等基本要素。随后人们提出的很多混沌图像加密算法都是基于这种结构。像加密算法都是基于这种结构。研究内容 本系统提出了一种新型的联合图像压缩与加密算法。算法主要采用稀疏分解对图像进行压缩，稀疏分解使用固定字典的形式。寻求稀疏近似解采用正交匹配追踪算法，在经过稀疏分解后将得到的稀疏分解矩阵做参数分离处理，然后选择部分量化和熵编码。最后进入加密过程，我们

8、选择比较常用的logistic映射进行混沌加密，并用四种常用的测试图像测试安全性能和压缩性能。具体包括以下几个关键点： 基于稀疏分解的图像压缩算法 基于logistic映射的图像混沌加密算法 密文序列解密解压缩拼接图像 使用标准测试图像测试结果性能拟解决的关键问题本系统拟解决的关键问题主要有两个：本系统拟解决的关键问题主要有两个：字典的选取问题字典的选取问题 由于选择不同的过完备字典对图像信号进行稀疏分解由于选择不同的过完备字典对图像信号进行稀疏分解产生稀疏矩阵进而对图像的压缩性能有一定的差异，尽量产生稀疏矩阵进而对图像的压缩性能有一定的差异，尽量选取合适的字典来提高图像的压缩比。选取合适的字

9、典来提高图像的压缩比。实现压缩与加密的最优化问题实现压缩与加密的最优化问题 本系统采用的是基于稀疏分解生成的稀疏矩阵的基础本系统采用的是基于稀疏分解生成的稀疏矩阵的基础上量化编码实现压缩和混沌映射产生的混沌序列运算从而上量化编码实现压缩和混沌映射产生的混沌序列运算从而得到压缩加密的目的。如何既能达到较大的压缩比又能保得到压缩加密的目的。如何既能达到较大的压缩比又能保持较高的安全性是一个非常重要的问题。持较高的安全性是一个非常重要的问题。研究方法和技术路线本系统的整体功本系统的整体功能结构如右图所能结构如右图所示，主要分为四示，主要分为四个模块个模块。研究方法和技术路线该系统的主要工该系统的主要

10、工作流程大概如右作流程大概如右图所示。图所示。研究方法和技术路线字典的选取字典的选取过完备原子库的冗余程度和结构特性决定了图像稀疏分过完备原子库的冗余程度和结构特性决定了图像稀疏分解的优劣。解的优劣。选择合适的过完备原子库作为稀疏分解的字选择合适的过完备原子库作为稀疏分解的字典是进行稀疏分解的一个重要环节典是进行稀疏分解的一个重要环节。当前。当前研究者们提出研究者们提出了许多冗余字典，如小波包字典、小波和正弦函数了许多冗余字典，如小波包字典、小波和正弦函数的级的级联联、局部余弦字典、各自同性、局部余弦字典、各自同性Gabor字典、字典、AR-Gauss混合字典等混合字典等。我们打算采用当今比较

11、流行的我们打算采用当今比较流行的Gabor字典。字典。图像的稀疏分解图像的稀疏分解首先将测试图像分成首先将测试图像分成N个个88的小块，对每一个小块采的小块，对每一个小块采用正交匹配追踪算法（用正交匹配追踪算法（OMP）进行稀疏分解，生成待处）进行稀疏分解，生成待处理的稀疏分解矩阵。理的稀疏分解矩阵。研究方法和技术路线遍历稀疏系数矩阵遍历稀疏系数矩阵分离稀疏矩阵中非零项的大小和位置，当遍历出现非零分离稀疏矩阵中非零项的大小和位置，当遍历出现非零系数时则依次在数组中记下该系数的横坐标，由此得到系数时则依次在数组中记下该系数的横坐标，由此得到的为索引数组。同时创建一个数组依次记录非零项的数的为索引

12、数组。同时创建一个数组依次记录非零项的数值，记为值数组。值，记为值数组。量化量化编码编码首先我们设计一个无损的熵编码器对其进行压缩编码，首先我们设计一个无损的熵编码器对其进行压缩编码，通常采用通常采用Huffman编码来实现。这就产生了第一个表示编码来实现。这就产生了第一个表示索引数组的二进制码流，记为序列索引数组的二进制码流，记为序列A。为了提高整个算。为了提高整个算法的压缩性能，我们将对值数组进行量化。接着对量化法的压缩性能，我们将对值数组进行量化。接着对量化后的输出进行熵编码，这就产生了另一个表示值数组的后的输出进行熵编码，这就产生了另一个表示值数组的二进制码流，用序列二进制码流，用序列

13、B表示。表示。研究方法和技术路线基于基于logisticlogistic映射的混沌加密映射的混沌加密 算法中用到的用到的两个算法中用到的用到的两个logistic映射如下映射如下:输入密钥输入密钥 ，在，在logistic映射的作用下开始迭代，抛弃映射的作用下开始迭代，抛弃前前500个输出值，从个输出值，从501个开始，产生实数混沌序列个开始，产生实数混沌序列取取整并记为整并记为 x,y。用整数混沌序列。用整数混沌序列x 对序列对序列A进行加密生成进行加密生成A。用整数混沌。用整数混沌序列序列 y对序列对序列B进行加密生成进行加密生成B。最后把两个密文序列。最后把两个密文序列 A和和B 组组合

14、形成密文字节流进行传输。合形成密文字节流进行传输。图像的解密解压缩图像的解密解压缩 根据密文字节流的头部信息分离出两个密文序列根据密文字节流的头部信息分离出两个密文序列 A和和B ，由，由已知的密钥流按照已知的密钥流按照logistic映射过滤掉前映射过滤掉前500个输出值生成两个混个输出值生成两个混沌序列与密文序列异或得到加密前的序列沌序列与密文序列异或得到加密前的序列A和序列和序列B。将序列。将序列A和和序列序列B进行熵解码后恢复成稀疏矩阵，利用接收端已有的字典解进行熵解码后恢复成稀疏矩阵，利用接收端已有的字典解密恢复图像块，最终拼成整幅图片。密恢复图像块，最终拼成整幅图片。0021、yx研究方法和技术路线图像的仿真测试图像的仿真测试为了评估提出方案的性能，仿真实验为了评估提出方案的性能，仿真实验拟拟选择在选择在Matlab上进行。上进行。为了得到客观的实验结果，本算法采用四种标准测试图像为了得到客观的实验结果，本算法采用四种标准测试图像（Lena，Boat，Barb和和Baboon）。）。LenaBoat研究方法和技术路线u安全性能分析安全性能分析 输出序列的随机性输出序列的随机性 密钥空间分析密钥空间分析u压缩性能分析