專利名稱：一種基于Hankel矩陣掃描的圖像置亂方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于Hankel矩陣掃描的圖像置亂方法，是一種信息隱藏預(yù)處理方法和圖像加密手段，屬于數(shù)字圖像處理領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，大量個人和公眾信息在網(wǎng)絡(luò)上傳播，使得信息安全問題成為人們關(guān)注的熱點。對于公眾所關(guān)心的圖像信息，傳統(tǒng)的保密學(xué)尚缺少足夠的研究。而且圖像信息在網(wǎng)絡(luò)存儲和傳輸過程中很容易被非法截取，從而導(dǎo)致比較嚴(yán)重的后果和損失，對數(shù)字圖像進(jìn)行可靠的加密處理進(jìn)而顯得尤為必要。置亂實際上就是圖像的加密，與加密 保證安全性不同的是，將置亂的圖像作為秘密信息再進(jìn)行隱藏，可以很大限度的提高隱蔽載體的魯棒性。所以圖像置亂是信息隱藏中非常常用的一項技術(shù)；并且置亂技術(shù)是大部分圖像信息隱藏問題的基礎(chǔ)性工作，它既可作為一種圖像加密方法，又可作為進(jìn)一步隱藏圖像信息的預(yù)處理過程，是一個值得深入研究的課題。另外，特別是基于像素空間位置置亂的圖像加密技術(shù)，由于其方法本身簡單以及加解密方便等特點，得到了廣泛的研究和應(yīng)用。目前存在的置亂技術(shù)Arnold變換、Hilbert曲線掃描、Zig-Zag掃描以及P-Fibonacci變換等方法，主要大都存在取模運算，計算量比較大，置亂較為費時，置亂速度不太理想，效率比較低；而且它們主要用于方陣圖像，置亂的適用性不好；基于抽樣技術(shù)的置亂方法，具有抽樣周期，抽樣周期較短，但置亂效果不甚理想，置亂圖像能看到原始圖像的一些信息。已有很多文獻(xiàn)提出了圖像置亂的方法，基于像素空間位置的置亂技術(shù)頗多，其中掃描置亂技術(shù)也有不少應(yīng)用，比如較為常用的Hilbert曲線掃描和Zig-Zag掃描方法，但這兩種掃描方法比較復(fù)雜，計算量大，其掃描較為費時，因此研究一種好的基于掃描的快速置亂方法目前頗具有挑戰(zhàn)性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種基于Hankel矩陣掃描的圖像置亂方法，方法實現(xiàn)簡單，置亂度高，通用性強(qiáng)，并且能抵抗一定的攻擊，可以很好的用于信息隱藏的預(yù)處理和圖像加密，而且可以滿足數(shù)字圖像加密和隱藏的魯棒性要求。本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)的一種基于Hankel矩陣掃描的圖像置亂方法，其特征在于包括圖像正置亂與逆置亂兩個過程；
設(shè)定原始圖像IMAGE,大小為MXN像素；迭代次數(shù)為cycle,置亂密鑰為cycle,置亂后的圖像為FIG;
所述的圖像正置亂過程如下
O定義迭代次數(shù)cycle=k ；
2)定義一個一維數(shù)組fig，用于存放掃描后的待置亂圖像IMAGE數(shù)組中的元素，大小與原始圖像IMAGE大小相同；
3)找到待置亂圖像IMAGE中行號和列號較大的，并將這個較大的值賦值給r，生成2Xr大小的非負(fù)序列A，然后再生成序列A的Hankel矩陣，在此Hankel矩陣的基礎(chǔ)上截取待置亂圖像MXN大小的Hankel矩陣，存儲至數(shù)組h ;并得到h中最大的數(shù)，記為hmax，Hankel矩陣中的元素從I遞增至hmax ；
4)一次迭代開始按Hankel矩陣值遞增的方式掃描Hankel矩陣直到最后一個元素；掃描Hankel矩陣的同時按照這個掃描方式掃描待置亂圖像IMAGE，并將其存儲至fig中；將一維結(jié)構(gòu)的數(shù)組fig轉(zhuǎn)換成IMAGE大小的二維結(jié)構(gòu)，存儲至Fig中，再將Fig賦給IMAGE，一次迭代結(jié)束；
5)如果cycle不等于k，轉(zhuǎn)到步驟4)進(jìn)行下一次的迭代；直到cycle為k，則迭代結(jié)束，此時得到的Fig輸出為FIG，F(xiàn)IG即為置亂后的圖像；；正置亂過程結(jié)束；
所述圖像的逆置亂過程如下
O定義迭代次數(shù)cycle=k ；
2)定義一個二維數(shù)組Out，用于存儲恢復(fù)的圖像，大小與置亂圖像相同；
3)與正置亂過程一樣找到待置亂圖像行號和列號中較大的，并將這個較大的值賦值給r，生成2Xr大小的非負(fù)序列A，然后再生成序列A的Hankel矩陣，在此Hankel矩陣的基礎(chǔ)上截取待置亂圖像大小的Hankel矩陣，存儲至數(shù)組h ;并得到h中最大的數(shù)，記為hmax, Hankel矩陣中的元素從I遞增至hmax ；
4)一次迭代開始先將置亂圖像轉(zhuǎn)換為一維結(jié)構(gòu)的數(shù)組out ;按Hankel矩陣值遞增的方式掃描Hankel矩陣直到矩陣最后一個元素；掃描Hankel矩陣的同時將out中的元素依次放入掃描Hankel矩陣的位置中，即二維數(shù)組Out中對應(yīng)的掃描位置，將Out賦值給FIG, 一次迭代結(jié)束；
5)如果cycle不等于k,轉(zhuǎn)到步驟4)繼續(xù)迭代；直到cycle為k,則迭代結(jié)束，此時得到的Out輸出為OUT，OUT即為置亂恢復(fù)圖像；逆置亂過程結(jié)束。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明采用上述方案，正置亂在置亂密鑰的前提下得到了置亂后的圖像FIG，從FIG中看不到原始圖像的任何信息，F(xiàn)IG置亂效果好，保證了原始信息的安全性。在置亂密鑰的前提下，經(jīng)逆置亂過程恢復(fù)的圖像OUT與原始圖像無絲毫差別，達(dá)到完全恢復(fù)原始圖像的目的。由于本發(fā)明是一種基于Hankel矩陣掃描的新的圖像置亂方法，方法是通過掃描Hankel矩陣的方式掃描待置亂圖像，來改變圖像像素坐標(biāo)位置的，而且方法實現(xiàn)簡單，只需生成Hankel矩陣，由于Hankel矩陣是對稱的，所以其生成比較簡單，然后按照掃描Hankel矩陣的方式掃描待置亂圖像，整個實現(xiàn)過程與已有的掃描置亂方法相比較為簡單，這就解決了已有掃描置亂方法較為費時的置亂問題。本發(fā)明提出的方法是基于掃描Hankel矩陣的方式進(jìn)行的，而對生成的對稱的Hankel矩陣是可以剪切處理的，即可以按照待置亂圖像的大小對其進(jìn)行處理，這樣就使得方法放寬了對圖像尺寸的要求，即本方法適用于任意尺寸的圖像，因此該發(fā)明對圖像尺寸的適用性較強(qiáng)。該置亂方法能抵抗一定的剪切、壓縮、濾波和噪聲的攻擊，且恢復(fù)圖像的可讀性不受影響，因而方法抗攻擊能力較強(qiáng)，可以很好的用于信息隱藏的預(yù)處理和圖像加密，而且可以滿足數(shù)字圖像加密和隱藏的魯棒性要求。


圖I (a)是標(biāo)準(zhǔn)Iena原始圖像。
圖I (b)是標(biāo)準(zhǔn)Iena圖經(jīng)本方法置亂后的圖。圖I (c)是標(biāo)準(zhǔn)Iena圖置亂后的恢復(fù)圖。圖I (d)是長矩形Iena圖。圖I (e)是長矩形Iena圖經(jīng)本方法置亂后的圖。圖I (f)是長矩形Iena圖置亂后的恢復(fù)圖。圖I (g)是高矩形Iena圖。圖I (h)是高矩形Iena圖經(jīng)本方法置亂后的圖。
圖I (i)是高矩形Iena圖置亂后的恢復(fù)圖。圖2是用灰度值連續(xù)置亂度評價方法對本方法的置亂程度進(jìn)行的評價曲線圖。圖3 (a)本方法經(jīng)過剪切攻擊后的置亂圖像。圖3 (b)本方法經(jīng)過剪切攻擊后的恢復(fù)圖像。圖3 (C)本方法經(jīng)過加入椒鹽噪聲攻擊后的置亂圖像。圖3 (d)本方法經(jīng)過加入椒鹽噪聲攻擊后的恢復(fù)圖像。圖3 (e)本方法經(jīng)過JPEG壓縮攻擊后的置亂圖像。圖3 (f )本方法經(jīng)過JPEG壓縮攻擊后的恢復(fù)圖像。圖3 (g)本方法經(jīng)過高斯低通濾波攻擊后的置亂圖像。圖3 (h)本方法經(jīng)過高斯低通濾波攻擊后的恢復(fù)圖像。
具體實施例方式首先介紹一下本發(fā)明基于的理論基礎(chǔ)
I)赫爾曼· Hankel
赫爾曼· Hankel (德語=Hermann Hankel，1839 年 2 月 14 日一1873 年 8 月 29 日)，德國數(shù)學(xué)家，生于薩克森-安哈爾特州哈雷市。Hankel曾與莫比烏斯、黎曼、維爾斯特拉斯和克羅內(nèi)克等數(shù)學(xué)家共同學(xué)習(xí)和工作。Hankel著名的貢獻(xiàn)包括他提出的貝塞爾方程的一類特殊函數(shù)解(稱為“第三類貝塞爾函數(shù)”或Hankel函數(shù))，和線性代數(shù)中的Hankel矩陣。2 ) H a n k e I 矩陣 定義設(shè)非 負(fù)序 列{%},eo = ，簡寫為( },這個序列的Hankel矩陣為
^a0 Ai1 U2 ......、
O1α a3 ......
Cl)
α α3 α4 ......
+j … … ……」
其中η階Hankel矩陣記為Hji = (<3i+i)oa/<H-i ,它的行列式記為弋=det(/iTK),顯然Ats是
一個對稱矩陣。
定理η階矩陣H是Hankel矩陣的充要條件是
權(quán)利要求
1. 一種基于Hankel矩陣掃描的圖像置亂方法，其特征在于包括圖像正置亂與逆置亂兩個過程； 設(shè)定原始圖像IMAGE,大小為MXN像素；迭代次數(shù)為cycle,置亂密鑰為cycle,置亂后的圖像為FIG ； 所述的圖像正置亂過程如下 定義迭代次數(shù)cycle=k ； 定義一個一維數(shù)組fig，用于存放掃描后的待置亂圖像IMAGE數(shù)組中的元素，大小與原始圖像IMAGE大小相同； 找到待置亂圖像IMAGE中行號和列號較大的，并將這個較大的值賦值給r，生成2Χι■大小的非負(fù)序列A，然后再生成序列A的Hankel矩陣，在此Hankel矩陣的基礎(chǔ)上截取待置亂圖像MXN大小的Hankel矩陣,存儲至數(shù)組h ;并得到h中最大的數(shù),記為hmax, Hankel矩陣中的元素從I遞增至hmax ； 一次迭代開始按Hankel矩陣值遞增的方式掃描Hankel矩陣直到最后一個元素；掃描Hankel矩陣的同時按照這個掃描方式掃描待置亂圖像IMAGE，并將其存儲至fig中；將一維結(jié)構(gòu)的數(shù)組fig轉(zhuǎn)換成IMAGE大小的二維結(jié)構(gòu)，存儲至Fig中，再將Fig賦給IMAGE，一次迭代結(jié)束； 如果cycle不等于k，轉(zhuǎn)到步驟4)進(jìn)行下一次的迭代；直到cycle為k，則迭代結(jié)束，此時得到的Fig輸出為FIG，F(xiàn)IG即為置亂后的圖像；；正置亂過程結(jié)束； 所述圖像的逆置亂過程如下 定義迭代次數(shù)cycle=k ； 定義一個二維數(shù)組Out，用于存儲恢復(fù)的圖像，大小與置亂圖像相同； 與正置亂過程一樣找到待置亂圖像行號和列號中較大的，并將這個較大的值賦值給r,生成2Xr大小的非負(fù)序列A,然后再生成序列A的Hankel矩陣,在此Hankel矩陣的基礎(chǔ)上截取待置亂圖像大小的Hankel矩陣，存儲至數(shù)組h ;并得到h中最大的數(shù)，記為hmax，Hankel矩陣中的元素從I遞增至hmax ； 一次迭代開始先將置亂圖像轉(zhuǎn)換為一維結(jié)構(gòu)的數(shù)組out ;按Hankel矩陣值遞增的方式掃描Hankel矩陣直到矩陣最后一個元素；掃描Hankel矩陣的同時將out中的元素依次放入掃描Hankel矩陣的位置中，即二維數(shù)組Out中對應(yīng)的掃描位置，將Out賦值給FIG，一次迭代結(jié)束； 如果cycle不等于k，轉(zhuǎn)到步驟4)繼續(xù)迭代；直到cycle為k，則迭代結(jié)束，此時得到的Out輸出為OUT，OUT即為置亂恢復(fù)圖像；逆置亂過程結(jié)束。
全文摘要
一種基于Hankel矩陣掃描的圖像置亂方法，屬于數(shù)字圖像處理領(lǐng)域。包括圖像正置亂和圖像逆置亂過程兩部分。圖像正置亂部分先生成一個遞增的非負(fù)序列A，再生成這個非負(fù)序列的Hankel矩陣，然后截取圖像大小的Hankel矩陣；按序列A的順序掃描Hankel矩陣，同時也按照掃描Hankel矩陣的方式掃描待置亂圖像，并存儲至一維數(shù)組中，最后轉(zhuǎn)換為原始圖像大小，得到置亂后的圖像。圖像逆置亂為圖像正置亂的逆過程。本發(fā)明是Hankel矩陣掃描的圖像置亂方法，并利用掃描Hankel矩陣的方式掃描待置亂圖像，實現(xiàn)了對圖像的快速置亂，試驗表明該方法能快速達(dá)到理想的置亂效果，置亂相當(dāng)穩(wěn)定，置亂度高，通用性強(qiáng)，安全性好，且置亂恢復(fù)的圖像無損失；并有較強(qiáng)的抵抗剪切、縮放、濾波和噪聲攻擊的能力。
文檔編號H04N1/44GK102833458SQ201210263660
公開日2012年12月19日 申請日期2012年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月28日
發(fā)明者范鐵生, 張忠清, 曲大鵬, 王軍 申請人:遼寧大學(xué)