维持压缩率的JPEG图像选择性加密方法研究

Images compressed by JPEG standard are the majority of transmitting images on Internet. It is common to encrypt image for protecting private information. However, traditional image encryption schemes do not pay attention to the compression method and format of plain-text image. which leads to a reduction of compression ratio for cipher-text image and a low-speed encryption processing. This project focuses on selective JPEG image encryption schemes with preserved image quality and compression ratio. These schemes should solve the conflict among image quality, compression ratio, encryption security and speed of processing. JPEG standard will be analyzed to generate constrains for encryption procedure to preserve the compression ratio. Plain-text related transform of chaotic sequence will be presented to keep its pseudo-randomness for security. The information contained in plain-text JPEG image will be distinguished and selectively encrypted by its importance and significance, which accelerates the speed of processing. For the chosen object or region of interest in JPEG images, object detection and localization will be performed before selective partial encryption. The system that realizes all the functions mentioned above will also be established. The effort and conclusion of this project could be employed for image security. It is also a meaningful attempt for enriching the theory of image encryption.

通过互联网发布和交流的图像，绝大部分采用JPEG标准压缩。这些JPEG图像包含的隐私内容需要通过加密来保护。传统的图像加密方法未考虑压缩方法和存储格式，导致JPEG图像加密后压缩率降低，处理速度慢。本项目研究维持图像质量和压缩率的JPEG图像选择性加密方法：分析JPEG压缩编码标准，总结对加密操作的限制；提出明文相关的混沌序列转换为密钥序列映射方法，保证密钥序列的类随机特性；设计新的视觉信息重要程度标准，将JPEG图像信息按照重要程度分类，用得到密钥序列对不同类别的信息用不同的方法加密，提出维持图像质量和压缩率、安全高效的JPEG图像选择性加密新方法；针对图像局部内容加密的需求，利用目标定位方法，对局部区域进行选择性加密，提出JPEG图像局部内容加密方案；建立实现以上功能的JPEG图像加密系统。本项目的研究，能够保护图像隐私内容，扩展图像加密理论，具备理论价值和实用意义。

各个领域广泛使用JPEG标准压缩编码后的图像。这些图像通过公共网络发布和交流时，需要对隐私内容加密。研究保持图像质量和压缩率的JPEG图像加密方法，能够保障信息安全、满足用户需求。本项目的研究内容包括：JPEG图像整体内容加密方案；JPEG图像局部内容加密；JPEG图像加密系统。在研究过程中，本项目提出了类间系数加密JPEG图像的方案，将混沌序列映射为系数在类别内的地址偏移量，并采用类别融合、双向扩散等方法，对该方法进行改进，获得了安全性能高、能够维持图像质量和压缩率的JPEG图像全局及局部加密方法，并建立了实现以上功能的JPEG图像加密系统；提出了同类别离散余弦变换系数置乱加密方案，将量化离散余弦变换直流系数和非零交流系数按照JPEG标准的哈夫曼编码分类，对同类别的系数间进行置乱操作，兼顾安全性和高效性，得到新的JPEG图像加密方案；通过理论分析和统计，分析了量化离散余弦变换直流系数的差分编码对JPEG图像加密的约束和限制；研究图像加密效果自动量化评估，提出了基于Poker Test和Gap Test对图像加密效果的评估标准，不需要明文图像信息，能够评估各种不同类型的图像加密方案，参数选择简单，计算过程易于实现和调整，评估速度快；利用量化离散余弦变换系数来分类图像信息；结合8*8分块内非零系数个数攻击和选择明文攻击，提出了一种对JPEG图像加密进行攻击的新方法，并针对这种攻击改进现有加密方案。上述研究成果的有效性已通过各种实验验证，对于推动JPEG图像加密的发展具有重要的理论意义和实用价值。