專利名稱：基于多方向稀疏表示的圖像壓縮安全編碼方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于圖像壓縮安全編碼方法，尤其涉及一種基于隨機算術(shù)編碼的 多方向稀疏表示的圖像壓縮安全編碼方法。
背景技術(shù)：
隨著網(wǎng)絡和圖像等多媒體的飛速發(fā)展，圖像等多媒體通訊已逐漸成為人們之間信 息交流的重要手段。目前的網(wǎng)絡是一種開放式系統(tǒng)，因此在傳輸重要的圖像之前，需要對圖 像進行加密處理以保證安全性。傳統(tǒng)的加密技術(shù)將其作為普通數(shù)據(jù)流進行加密，沒有考慮 多媒體數(shù)據(jù)的特點，因此有一定的局限性。如圖像的數(shù)據(jù)量一般比較大，加密所需的計算量 比較大，存在加密效率不高的問題。另外，圖像的數(shù)據(jù)規(guī)模比較大，在信道帶寬有限的情況 下，尤其是在無線環(huán)境下，必須對圖像進行有效的壓縮編碼以利于編碼傳輸。目前圖像有損壓縮都采用變換編碼的形式。如JPEG2000采用的是DWT變換。 但是，DWT有兩個主要的缺陷(1)缺少平移不變性，即輸入信號的微小平移可導致DWT 系數(shù)很大的變化；(2)缺少方向選擇性，即對于非水平或非垂直的奇異特征難以高效表 示。近年來，對偶雙樹離散小波(Dual-tree Discrete WaveletTransform, DDffT)由于 具有近似平移不變性和方向性引起了研究者的廣泛關(guān)注。Yang等人通過噪聲整形提高 了 DDWT系數(shù)的稀疏性，并用SPIHT編碼，在具有復雜結(jié)構(gòu)紋理的圖像上取得了較好的效 果(文獻 1 :Yang Jingyu，Xu Wenli, DaiQionghai, Wang Yao. Image compression using 2-D dual-tree discrete wavelettransform. Proceedings of IEEE International Symposium on Circuits and SystemsiNew Orleans,USAiMay 2007:297—300)。 ^iDDWT 只有6個方向，為了增加方向的靈活性，Yang等人提出了各向異性對偶雙樹離散小波包變 換(ADDWP)(文獻 2 :Yang Jingyu, Xu Jizheng，Wu Feng，Dai Qionghai，Wang Yao. Image coding using2_D anisotropic dual-tree discrete wavelet transform. Proceedings of IEEEInternational Conference on Image Processing，San Antonio, USA,Sep.2007 165-168.)。然而該變換需要尋找最優(yōu)的分解結(jié)構(gòu)，因此計算復雜度比較高。根據(jù)圖像壓縮過程，圖像加密分為三類(1)壓縮編碼前對圖像進行加密，該圖像 加密方式是在空域進行，通過混淆和置亂等手段對圖像加密，然而加密后的圖像像素之間 的統(tǒng)計性被破壞，無法進行壓縮處理，不利于圖像的存儲和傳輸。(2)圖像壓縮編碼后再進 行加密，圖像的數(shù)據(jù)量比較大，傳統(tǒng)的AES等加密手段的計算復雜度比較高，不利于實時處 理。(3)聯(lián)合圖像壓縮編碼和加密。為了降低加密算法的復雜度，通過置亂或者加密變換 (如DCT和DWT等)后的關(guān)鍵系數(shù)達到加密的效果。然而這將破壞變換域系數(shù)的規(guī)律，不利 于圖像的后繼壓縮編碼。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于隨機算術(shù)編碼的多方向稀疏表示的圖像壓縮安 全編碼方法，該加密算法的計算復雜度低，安全性高，解碼圖像有更好的客觀質(zhì)量和主觀效果，能夠保持較好的圖像局部細節(jié)特征。 本發(fā)明實現(xiàn)其發(fā)明目的，所采用的技術(shù)方案是，一種基于多方向稀疏表示的圖像 壓縮加密方法，其步驟如下a、多方向的對偶雙樹離散小波變換首先對圖像用對偶雙樹離散小波變換分解， 分解時第一層采用⑶F 9/7濾波器組分解，其余各層分解采用6抽頭的q-shift濾波器組 分解，獲得-75°，-45°，-15°，15°，45°和75°六個方向的高頻子帶；然后對得到的六 個方向的高頻子帶用各向異性的方向濾波器組進行分解，各向異性的方向濾波器組由7階 最大平坦菱形濾波器經(jīng)過McClellan變換和調(diào)制構(gòu)造，且其高、低通濾波器的支撐長度分 別為(29，29)和(43，43)；分解后得到大小是原始圖像二倍的分解系數(shù)；b、系數(shù)稀疏化對a步得到的分解系數(shù)進行噪聲整形得到稀疏化表示的系數(shù)；C、系數(shù)交織采用擴展的空間方向樹結(jié)構(gòu)對稀疏化表示的系數(shù)進行交織，使相鄰 的子帶系數(shù)具有父子關(guān)系；交織時的策略如下對應于a步中用各向異性的方向濾波器組 進行分解時采用各向異性變換的系數(shù)，交織各行或者各列；對應于a步中用各向異性的方 向濾波器組進行分解時采用各向同性變換的系數(shù)，需要同時交織行和列；d、SPIHT編碼與加密對交織后的系數(shù)采用SPIHT位平面編碼，產(chǎn)生系數(shù)符號碼流 和反映空間方向樹結(jié)構(gòu)的碼流，及系數(shù)細化碼流；對系數(shù)符號碼流采用異或的方式加密，對 另外兩種碼流用隨機算術(shù)編碼進行加密，即得到圖像的壓縮加密碼流。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的收益效果是1、將對偶小波變換的高頻子帶用方向濾波器組進一步分解，增加了小波的方向數(shù) 目，提高了圖像表示的方向靈活性和稀疏性，并且分解結(jié)構(gòu)和方向濾波器組都具有各向異 性支集，形狀更接近于圖像中邊緣與輪廓等狹長形狀，從而能更有效地表達圖像的方向性 特征；2、用噪聲整形對對偶雙樹離散小波的系數(shù)進行稀疏化表示，噪聲整形技術(shù)通過量 化可去掉小的系數(shù)，并將量化引入的殘差提取出來，并反饋補償給保留下來的大系數(shù)，從而 保持信號的總能量恒定。它從一個較大的初始閾值在每一步迭代中以某一步長下降到預設 終止閾值，隨著迭代次數(shù)的增加，恢復信號越來越接近原始信號。經(jīng)噪聲整形稀疏化的系數(shù) 獲得了更好的非線性逼近性能。也使得解碼圖像具有更好的客觀質(zhì)量和主觀效果。3、對稀疏化的各個對偶小波子帶的方向子帶系數(shù)進行交織，使分解系數(shù)的相鄰層 具有類似小波的父子關(guān)系，有利于后繼編碼處理；從而可采用SPIHT位平面編碼方法對圖 像進行壓縮編碼，具有低的計算復雜度和低存儲空間需求，使得本發(fā)明的計算復雜度低，壓 縮效率高。4、對壓縮編碼，基于隨機算術(shù)編碼進行圖像加密，加密效果好，安全性高，對壓縮 沒有影響。且具有較低的復雜度和較快的加解密速?？傊景l(fā)明方法對圖像的加密效果好，安全性高，解碼圖像具有更好的客觀質(zhì)量 和主觀效果，能夠較好的保持圖像的局部細節(jié)特征。仿真實驗也說明本發(fā)明方法的壓縮效率高，安全性高在國際標準圖像 barbara(大小為512X512，每一個像素的量化比特為8)而言，在壓縮倍數(shù)為40倍 (0. 2bpp)的情況，本算法的解碼圖像質(zhì)量為28. 22dB,高于JPEG2000的27. 77dB、DDWT (Yang Jingyu, Xu Wenli, Dai Qionghai, Wang Yao. Image compression using2_D dual-treediscrete wavelet transform. Proceedings of IEEE InternationalSymposium on Circuits and Systems, New Orleans, USA, May 2007:297-300)的 27. 27dB 和 ADDWP 的(Yang Jingyu，Xu Jizheng，Wu Feng，Dai Qionghai，WangYao. Image coding using 2-D anisotropic dual-tree discrete wavelet transform. Proceedings of IEEE International Conference on Image Processing， San Antonio， USA， Sep.2007 165-168.)的26.66dB。壓縮加密后的圖像具有不可見性，安全性能高。對高分辨率的掌 紋圖像而言，(大小為512X512，每一個像素的量化比特為8)而言，在壓縮倍數(shù)為40倍的 情況，本算法的解碼圖像質(zhì)量為24. 24dB,高于JPEG2000的23. 67dB、DDffT (Yang Jingyu, Xu Wenli, Dai Qionghai, Wang Yao. Image compression using 2-D dual-tree discrete wavelet transform, Proceedings ofIEEE International Symposium on Circuits and Systems, New Orleans, USA, May2007 297-300)的 24. 08dB。由此可見，本算法具有更高的 壓縮效率，解碼得到的圖像效果能保持更好的圖像細節(jié)。下面結(jié)合附圖和具體的實施方式對本發(fā)明作進一步的詳細說明。


圖1為本發(fā)明實施例一的原始圖像。圖2為圖1的局部細節(jié)圖。圖3為對圖1采用PEG2000解碼方法在壓縮倍數(shù)為40 (0. 2bpp)時得到對應于圖 2的局部細節(jié)的壓縮(解碼)圖像。圖4為對圖1采用本發(fā)明實施例一的方法進行壓縮倍數(shù)為40(0. 2bpp)的壓縮加 密后在進行解密解碼得到的對應于圖2局部細節(jié)的壓縮(解碼)圖像。圖5為采用本發(fā)明實施例一的方法，對圖1進行壓縮數(shù)為40(0. 2bpp)倍的壓縮加 密的加密圖像。圖6為本發(fā)明實施例二的原始圖像。圖7為采用JPEG2000的壓縮算法對圖6在進行40 (0. 2bpp)倍壓縮后得到的壓縮 (解碼)圖像。圖8為采用本發(fā)明實施例二的方法對圖6進行40(0. 2bpp)倍壓縮及加密后再進 行解密解碼后得到的壓縮(解碼)圖像。圖9為采用本發(fā)明實施例二的方法對圖6進行壓縮倍數(shù)為40(0. 2bpp)倍的壓縮 加密后的得到的加密圖像。
具體實施例方式實施例一本發(fā)明的一種具體實施方式
為，一種基于多方向稀疏表示的圖像壓縮安全編碼方 法，其步驟如下a、多方向的對偶雙樹離散小波變換首先對圖像用對偶雙樹離散小波變換分解， 分解時第一層采用⑶F 9/7濾波器組分解，其余各層分解采用6抽頭的q-shift濾波器組 分解，獲得-75°，-45°，-15°，15°，45°和75°六個方向的高頻子帶；然后對得到的六 個方向的高頻子帶用各向異性的方向濾波器組進行分解，各向異性的方向濾波器組由7階最大平坦菱形濾波器經(jīng)過McClellan變換和調(diào)制構(gòu)造，且其高、低通濾波器的支撐長度分 別為(29，29)和(43，43)；分解后得到大小是原始圖像二倍的分解系數(shù)。在對得到的六個方向的高頻子帶用各向異性的方向濾波器組進行分解時，采用各 向同性變換。 b、系數(shù)稀疏化對a步得到的分解系數(shù)進行噪聲整形得到稀疏化表示的系數(shù)。用噪聲整形對對偶雙樹離散小波的系數(shù)進行稀疏化表示，噪聲整形技術(shù)通過量化 可去掉小的系數(shù)，并將量化引入的殘差提取出來，并反饋補償給保留下來的大系數(shù)，從而保 持信號的總能量恒定。它從一個較大的初始閾值在每一步迭代中以某一步長下降到預設終 止閾值，隨著迭代次數(shù)的增加，恢復信號越來越接近原始信號。經(jīng)噪聲整形稀疏化的系數(shù)獲 得了更好的非線性逼近性能。C、系數(shù)交織采用擴展的空間方向樹結(jié)構(gòu)對稀疏化表示的系數(shù)進行交織，使相鄰 的子帶系數(shù)具有父子關(guān)系；交織時的策略如下由于a步中用各向異性的方向濾波器組進 行分解時是采用各向同性變換，因此對b步得到的系數(shù)需要同時交織行和列。d、SPIHT編碼與加密對交織后的系數(shù)采用SPIHT位平面編碼，產(chǎn)生系數(shù)符號碼流 和反映空間方向樹結(jié)構(gòu)的碼流，及系數(shù)細化碼流；對系數(shù)符號碼流采用異或的方式加密，對 另外兩種碼流用隨機算術(shù)編碼進行加密，即得到圖像的壓縮加密碼流。在進行SPIHT編碼與加密時，可以根據(jù)系統(tǒng)的實際要求和具體情況來設定壓縮編 碼的倍數(shù)。將圖像的壓縮加密碼流進行以上的逆操作即可得到解密解碼的壓縮(解碼)圖像本實施例方法的計算機仿真實驗如下仿真實驗的圖像為圖1，其大小為512X512像素。對偶小波變換的分解層數(shù)為6， 第一層采用雙正交CDF97濾波器，剩下的各層采用q-shift濾波器。低頻部分不進行方向 濾波器變換，對于圖1的圖像，方向濾波器變換采用各向同性變換，其各級分層分解數(shù)為W 0 0 2 2 3]。仿真實驗得到的圖像為圖1至圖5，其中圖1為原始圖像；圖2為圖1的局部 細節(jié)圖像；圖3為對圖1采用PEG2000解碼方法在壓縮倍數(shù)為40(0. 2bpp)時得到對應于 圖2的局部細節(jié)的仿真壓縮(解碼)圖像；圖4為對圖1采用本例的方法進行壓縮倍數(shù)為 40(0. 2bpp)的壓縮加密后在進行解密解碼得到的對應于圖2局部細節(jié)的仿真壓縮(解碼) 圖像。與圖3的JPEG2000圖像比較，本例方法得到的圖4的壓縮圖像，具有更好的客觀 質(zhì)量和主觀效果，圖像的局部細節(jié)和方向性特征保持更好。圖5為采用本發(fā)明實施例的方法，對圖1進行壓縮數(shù)為40(0. 2bpp)倍的壓縮加密 的仿真加密圖像。圖5表明本例得到的加密圖像的加密效果很好。表1為不同碼率下本例方法和JPEG2000方法、文獻1、2的方法，得到圖1的解碼 圖像的峰值信噪比(bpp 平均每一個像素占有的比特數(shù)) (注bpp為平均每一個像素占有的比特數(shù))表1表明，在壓縮倍數(shù)為16到80倍的范圍內(nèi)，本例方法對圖1處理后的得到的壓 縮(解碼)圖像，其壓縮圖像的峰值信噪比均高于現(xiàn)有的3種方法。說明本例方法得到的 壓縮圖像，具有更好的客觀質(zhì)量。實施例二本例與實施例一得操作基本相同，不同的僅僅是a步的操作中，在對得到的六個 方向的高頻子帶用各向異性的方向濾波器組進行分解時，采用各向異性變換。相應地c步 交織時的策略改為對b步得到的系數(shù)交織各行或者各列。本例方法的仿真實驗如下本實驗選取的原始圖像為紋理豐富的掌紋，其大小為512X512的灰度圖像。方向 濾波器分解采用各向異性變換，其各級分層分解數(shù)為W O 0 3 3 3]。本實驗得到的圖像為圖6至圖9，其中圖6為原始圖像；圖7為對圖6采用 PEG2000解碼方法在壓縮倍數(shù)為32(0. 25bpp)時得到的仿真壓縮(解碼)圖像；圖8為對 圖6采用本例的方法進行壓縮倍數(shù)為32 (0. 25bpp)的壓縮加密后在進行解密解碼得到的仿 真壓縮(解碼)圖像。與圖7的JPEG2000圖像比較，本例方法得到的圖8的壓縮圖像，具有更好的客觀 質(zhì)量和主觀效果，圖像的局部細節(jié)和方向性特征保持更好。圖9為采用本例的方法，對圖6進行壓縮數(shù)為32(0. 25bpp)倍的壓縮加密的仿真 加密圖像。圖9表明本例得到的加密圖像的加密效果很好。表2為不同碼率下本例方法和JPEG2000及文獻1的方法，得到的圖6的解碼圖像 的峰值信噪比 (注bpp為平均每一個像素占有的比特數(shù))表2表明，在壓縮倍數(shù)為16到80倍的范圍內(nèi)，本例方法對圖6處理后的得到的壓 縮(解碼)圖像，其壓縮圖像的峰值信噪比，僅比壓縮16倍的JPEG2000方法低，其它情況 均高于現(xiàn)有的2種方法。說明本例方法得到的壓縮圖像，具有更好的客觀質(zhì)量。本發(fā)明在進行a步的操作中，在對得到的六個方向的高頻子帶用各向異性的方向 濾波器組進行分解時，既可以采用各向同性變換，也可以采用各向異性變換。通常對在方向 特征較多地集中在某一方向上的圖像采用各向異性變換，而對方向特征沒有明顯集中趨勢 的圖像采用各向同性變換。
權(quán)利要求
一種基于多方向稀疏表示的圖像壓縮安全編碼方法，其步驟如下a、多方向的對偶雙樹離散小波變換首先對圖像用對偶雙樹離散小波變換分解，分解時第一層采用CDF 9/7濾波器組分解，其余各層分解采用6抽頭的q-shift濾波器組分解，獲得-75°，-45°，-15°，15°，45°和75°六個方向的高頻子帶；然后對得到的六個方向的高頻子帶用各向異性的方向濾波器組進行分解，各向異性的方向濾波器組由7階最大平坦菱形濾波器經(jīng)過McClellan變換和調(diào)制構(gòu)造，且其高、低通濾波器的支撐長度分別為(29，29)和(43，43)；分解后得到大小是原始圖像兩倍的分解系數(shù)；b、系數(shù)稀疏化對a步得到的分解系數(shù)進行噪聲整形得到稀疏化表示的系數(shù)；c、系數(shù)交織采用擴展的空間方向樹結(jié)構(gòu)對稀疏化表示的系數(shù)進行交織，使相鄰的子帶系數(shù)具有父子關(guān)系；交織時的策略如下對應于a步中用各向異性的方向濾波器組進行分解時采用異性變換的系數(shù)，交織各行或者各列；對應于a步中用各向異性的方向濾波器組進行分解時采用同性變換的系數(shù)，需要同時交織行和列；d、SPIHT編碼與加密對交織后的系數(shù)采用SPIHT位平面編碼，產(chǎn)生系數(shù)符號碼流和反映空間方向樹結(jié)構(gòu)的碼流，及系數(shù)細化碼流；對系數(shù)符號碼流采用異或的方式加密，對另外兩種碼流用隨機算術(shù)編碼進行加密，即得到圖像的壓縮加密碼流。
全文摘要
一種基于多方向稀疏表示的圖像壓縮安全編碼算法。先對圖像進行離散雙樹小波變換，再對得到的各個高頻子帶進行方向濾波，得到精細化的圖像方向稀疏表示；用噪聲整形技術(shù)對得到的方向子帶系數(shù)進行稀疏化處理；再對每一層系數(shù)進行交織，使層數(shù)相鄰的子帶系數(shù)具有父子關(guān)系，采用SPIHT對系數(shù)進行量化編碼；最后對碼流中的系數(shù)符號采取異或的方式加密，對其它的部分碼流采用隨機算術(shù)編碼加密。對編碼得到的碼流采用隨機算術(shù)編碼加密，加密效率高，效果好，安全性高，且對圖像的壓縮性能沒有影響。對圖像的高頻分量采用方向濾波器分解，方向表示更加靈活，獲得了更加稀疏的圖像表示，有利于圖像編碼壓縮處理，解碼圖像具有更好的客觀質(zhì)量和主觀效果。
文檔編號H04N7/30GK101848390SQ201010165909
公開日2010年9月29日 申請日期2010年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月10日
發(fā)明者張家樹, 李恒建 申請人:西南交通大學