一種基于混合域的高光譜圖像加密方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明以高光譜圖像為研究對(duì)象，屬于圖像處理與信息安全領(lǐng)域，具體涉及一種 基于混合域的高光譜圖像加密方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著遙感技術(shù)的飛速發(fā)展，成像光譜技術(shù)占據(jù)了遙感領(lǐng)域至關(guān)重要的地位。通過 搭載在不同空間平臺(tái)上的高光譜傳感器，即成像光譜儀，在電磁波譜的紫外、可見光、近紅 外和中紅外區(qū)域，以數(shù)十至數(shù)百個(gè)連續(xù)且細(xì)分的光譜波段對(duì)目標(biāo)區(qū)域同時(shí)成像。成像光譜 技術(shù)作為一種融合了電磁學(xué)、光學(xué)、信號(hào)處理等多學(xué)科交叉領(lǐng)域的新興學(xué)科，而高光譜圖像 也已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于軍事、地質(zhì)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、海洋生物、大氣和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。
[0003] 高光譜圖像數(shù)據(jù)中含有地理位置、傳感器參數(shù)以及地物波譜特征等信息，特別在 某些特殊領(lǐng)域，例如：軍事、國(guó)防等，成像光譜數(shù)據(jù)包含了大量重要的機(jī)密信息。因此，在傳 輸和使用高光譜圖像時(shí)，如何保證高光譜圖像的安全性成為遙感領(lǐng)域亟待解決的實(shí)際問題 之一。目前，信息隱藏和數(shù)字水印等技術(shù)是一種信息安全領(lǐng)域常用的數(shù)據(jù)安全保護(hù)手段。但 是遙感影像的特殊性，使得這類方法并不適合應(yīng)用于高光譜圖像。原因如下：信息隱藏技術(shù) 是一種利用信息載體有效隱藏機(jī)密信息的方法，具有極大的迷惑性，但是此方法僅僅可以 隱藏有限的信息，對(duì)于大規(guī)模的遙感影像數(shù)據(jù)顯然并不適用。此外，數(shù)字水印技術(shù)的出發(fā)點(diǎn) 是保護(hù)遙感數(shù)據(jù)的版權(quán)，并沒有從根本上解決遙感數(shù)據(jù)本身的安全性問題，一旦數(shù)據(jù)被攔 截或竊取，遙感圖像很容易被破解和非法使用。而對(duì)于傳統(tǒng)圖像加密技術(shù)在設(shè)計(jì)時(shí)一般考 慮的是二維圖像數(shù)據(jù)，沒有考慮到成像光譜圖像的立體性，即高光譜圖像不僅具有空間特 性，還具有光譜特性，顯然，這種傳統(tǒng)的圖像加密技術(shù)是無法直接應(yīng)用于高光譜圖像。
[0004] 基于混合域的高光譜圖像加密方法，在普通二維圖像加密方法的基礎(chǔ)上，引入了 真對(duì)高光譜圖像的光譜域特征加密，并且進(jìn)一步結(jié)合高光譜圖像的空間域特征以及光譜域 特征，實(shí)現(xiàn)了基于混合域的高光譜圖像加密，這種加密方法區(qū)別于普通的二維圖像加密，是 一種針對(duì)高光譜圖像的加密方法，在保護(hù)了高光譜圖像空間域特征的同時(shí)還保護(hù)了高光譜 圖像光譜域特征。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明方法通過結(jié)合高光譜圖像空間域特征以及光譜域特征對(duì)高光譜圖像進(jìn)行 加密保護(hù)，包括：1)基于復(fù)合混沌序列的高光譜圖像空間域特征加密；2)基于整數(shù)密碼序 列的高光譜圖像光譜域特征加密；3)將空間域和光譜域加密相結(jié)合，建立基于混合域的高 光譜圖像加密機(jī)制。
[0006] 本發(fā)明是采用以下技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)的：
[0007] -種基于混合域的高光譜圖像加密方法，包括：基于復(fù)合混沌序列的高光譜圖像 空間域特征加密方法、基于整數(shù)密碼序列的高光譜圖像光譜域特征加密方法、基于混合域 的高光譜圖像加密方法，其特征在于包括如下步驟：
[0008] 所述的基于復(fù)合混沌序列的高光譜圖像空間域特征加密方法，其特征在于，使 用復(fù)合混沌序列生成密碼序列，同時(shí)使用了兩組混沌序列一一Logistic映射序列和基于 Chebyshev映射的混純序列對(duì)高光譜圖像空間域特征加密，包括如下步驟：
[0009] 步驟I. 1 :選定Logistic映射分支參數(shù)μ及初值xJP Chebyshev映射系統(tǒng)參數(shù) k及初值Y1;
[0010] 步驟1. 2 :將圖像X1所有像素值相加得到Sum，并通過運(yùn)算mod('Sw?， 256)得到輔 256 助密鑰Key，將輔助密鑰與初值&，71分別相乘，得到新的系統(tǒng)初值X1'和y/，輔助密鑰與 原始圖像相關(guān)，因此當(dāng)圖像發(fā)生變化時(shí)，輔助密鑰也會(huì)改變，系統(tǒng)初值也會(huì)隨之改變；其中， X1，表示高光譜圖像第i波段的圖像；
[0011] 步驟1. 3 :使用新的系統(tǒng)初值生成基于Logistic映射和Chebyshev映射的混 純序列，設(shè)基于Logistic映射的混純序列為L(zhǎng)，基于Chebyshev映射的混純序列為H， 設(shè)常數(shù)S，利用初值X 1'及給定的參數(shù)μ，根據(jù)式⑴迭代（MXN-1+S)次得到序列 (x/，x，，L，W MXN+S)，最后舍棄前S個(gè)點(diǎn)并將其得到的實(shí)值序列記為（Γι，γ2Λ， Γμχν); 依據(jù)同樣的方法根據(jù)式⑵可以得到基于Chebyshev映射的實(shí)值混沌序列，記為 (P 1, p2, L, ρΜΧΝ)，將實(shí)值序列Cr1, r2, L, rMXN)和（P1, p2, L, ρΜΧΝ)逐位相乘得到新的實(shí)值序列， 并將其轉(zhuǎn)化為整數(shù)密碼序列，記為Ziz1, z2, L, zMXN};
[0012] 生成Logistic映射序列，方法如下：
[0013] χη+1= μ xn(l-xn) ne {1, 2L, } (I)
[0014] 其中，0 < μ彡4--分支參數(shù)，X1E (〇, 1)，i = 〇, 1，2,3，L ;當(dāng)分支參數(shù) 3. 5699456L < μ彡4時(shí)，Logistic映射工作于混沌狀態(tài)，由初值X。所產(chǎn)生的序列{x D i = 0, 1，2, 3, U是非周期的、不收斂的，并對(duì)初始值非常敏感；
[0015] 生成Chebyshev映射序列，方法如下：
[0016] xn+1= cos (ka cos (X n))，-I < xn< I (2)
[0017] 其中，k表征系統(tǒng)非線性強(qiáng)度的系數(shù)，當(dāng)k多2時(shí)，映射處于混沌狀態(tài)；在公式的初 值X。給定情況下，公式通過迭代將生成一組混純序列{χ η, η = 1，2, 3, L};
[0018] 步驟I. 4 :將序列Z {Zl，z2, L，ζΜΧΝ}與原圖像X1的像素值逐行異或得到加密圖像矩 陣Xi'，從而完成像素值異或置亂，然后再?gòu)男蛄衂 (ZdZdUzmxfJ中選取長(zhǎng)度為Μ+Ν的整 數(shù)密碼序列Z' Iz1, z2, L，ζΜ+Ν}，將前M個(gè)值作為行移位值，后N個(gè)值作為列移位值來對(duì)圖像 矩陣分別進(jìn)行向右和向下的行列移位；
[0019] 所述的基于整數(shù)密碼序列的高光譜圖像光譜域特征加密方法，其特征在于，高光 譜圖像的波段數(shù)可以看作是一個(gè)一維序列，通過利用整數(shù)密碼序列將其置亂，從而打亂高 光譜圖像的波段順序，對(duì)高光譜圖像的光譜域特征進(jìn)行保護(hù)；首先選取對(duì)最后一波段圖像 進(jìn)行加密所用的密碼序列Z Iz1, z2, L，ζΜΧΝ}中的前b (b為高光譜圖像波段數(shù)量）個(gè)整數(shù)組成 的序列Z" (Z1, z2, L, zb}，將序列Z" (Z1, z2, L, zb}中的元素與高光譜圖像的波段--對(duì)應(yīng)， 然后將序列Z" Iz1, z2, L，zb}按從小到大的順序進(jìn)行重新排列；
[0020] 所述的基于混合域的高光譜圖像加密方法，其特征在于，將高光譜圖像的空間域 和光譜域進(jìn)行置換；同時(shí)將高光譜圖像看作是一個(gè)三維立體數(shù)據(jù)，并把高光譜圖像數(shù)據(jù)的 三維坐標(biāo)打亂，方法如下：
[0021] 用X(i，j，η)來表示原始高光譜圖像第η個(gè)波段圖像的第i行第j列處的像素值， 將空間域加密以及光譜域加密后的高光譜圖像設(shè)為t (i，j，η)，將t (i，j，η)的三維坐 標(biāo)進(jìn)行置換，即將t (i，j，n)轉(zhuǎn)換為t (n，i，j)，即新的加密圖像的空間域與光譜域發(fā)生 混疊，即t (n，i，j)表示第j波段，第η行第i列的像素值。
[0022] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有一下明顯的優(yōu)勢(shì)和有益效果：
[0023] 本發(fā)明首先對(duì)高光譜圖像進(jìn)行空間域加密，利用復(fù)合混沌序列對(duì)高光譜圖像每個(gè) 波段的圖像進(jìn)行像素值異或，然后利用隨機(jī)序列對(duì)圖像矩陣進(jìn)行行列循環(huán)移位，從而完成 對(duì)高光譜圖像的空間域加密，保護(hù)了高光譜圖像的空間域特征。
[0024] 然后對(duì)高光譜圖像進(jìn)行光譜域加密，利用已經(jīng)生成的復(fù)合混沌序列對(duì)高光譜圖像 的波段順序進(jìn)行加密保護(hù)，從而保護(hù)了高光譜圖像的光譜域特征。
[0025] 最后對(duì)高光譜圖像進(jìn)行混合域加密，進(jìn)一步保護(hù)了高光譜圖像的空間域特征以及 光譜域特征。
[0026] 該方法考慮了高光譜圖像的空間域特征以及光譜域特征的特殊性，將傳統(tǒng)對(duì)于二 維平面圖像的加密方法經(jīng)過改良之后運(yùn)用到了三維立體數(shù)據(jù)的高光譜行圖像加密中，同時(shí) 解決了傳統(tǒng)方法不利于加密數(shù)據(jù)量大的三維立體數(shù)據(jù)的問題。
[0027] 本發(fā)明的特點(diǎn)：
[0028] 本發(fā)明以高光譜圖像為研究對(duì)象，提出一種基于混合域的高光譜圖像加密方法， 充分利用高光譜圖像特有的空間域特征以及光譜域特征，并將空間域特征及光譜域特征相 結(jié)合，實(shí)現(xiàn)基于混合域的高光譜圖像加密。首先對(duì)原始高光譜圖像進(jìn)行空間域加密，然后再 對(duì)高光譜圖像進(jìn)行光譜域加密，光譜域加密不需要生成新的密碼序列，降低了運(yùn)算的復(fù)雜 度，最后結(jié)合高光譜圖像的光譜域以及空間域特征對(duì)高光譜圖像進(jìn)行混合域加密，有效的 保護(hù)了高光譜圖像的光譜域特征以及空間域特征。
【附圖說明】：
[0029] 圖1基于混合域的高光譜圖像加密總體示意圖；
[0030] 圖2高光