面向空间态势的震后重建图谱信息加密方法

摘要

本发明提供了面向空间态势的震后重建图谱信息加密方法，在加密前识别面向空间态势的震后重建图像的全部图谱信息；针对识别的图谱目标信息，基于超混沌序列与移位密码进行图谱信息加密，实现了对面向空间态势的震后重建图谱信息主动加密。本发明融合光谱特征增强、超混沌序列与移位密码的应用优势，有效完成面向空间态势的震后重建图谱目标信息识别、图谱目标信息加密；并通过实验验证了本发明的加密方法对面向空间态势的震后重建图谱信息的加密有效性，使图谱信息全部被隐藏，保护了图谱信息的安全，具备实际应用和推广价值。本发明对存在噪声的图谱信息目标同样存在显著的加密有效性。

说明书

技术领域

本发明属于图像加密技术领域，具体涉及面向空间态势的震后重建图谱信息加密方法。

背景技术

随着宽带网与多媒体技术的出现，图像数据的提取、传输、处理出现在数字时代的每个角落，图像信息安全问题十分关键。大量图像信息都必须实施加密传输与保存，比如军用卫星所拍图像、新型武器图纸等。其中，面向空间态势的震后重建图像中存在大量私密性图谱信息，如设计师在设计面向空间态势的震后重建方案时，涉及卫星所拍图像，为此，大量学者进行了相关信息加密方法的研究。

基于压缩感知加密方法，利用随机二相编码掩模作为采样矩阵，对图像数据降维程度不足的问题，将图像变换到K-Space，进行随机置乱排序，完成数据的压缩与第二次加密，使用Arnold变换进行三次加密，采用阈值法解出直流分量备用，在完成数据解密后使用Split-Bregman算法进行图像重构，可有效降低数据维度。基于小波域纹理分析，对机房图像目标信息保密性能优化，以人眼视觉对不同亮度范围产生的视觉敏感性为依据，获取加密后的机房信息置乱图像，提高机房的隐私安全性，有广泛的应用前景。基于包含离散混沌系统，根据加密强度需求选择不同的混沌系统组合，为了改变密文外观特性，将密文按位切割成3个数据后伪装隐藏在一个处理后的公开图像内，进行图像直方图分析，在图像保密传输中具有应用潜力。

常用的光谱匹配方法大多是按照识别判据实现图谱目标识别，未曾对光谱特征实施增强处理，且进行光谱识别时，需识别的目标信息特征因噪声的影响而变得显著性较差，如果不使用针对性方法增强图谱中此类光谱，将影响图谱目标识别精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供面向空间态势的震后重建图谱信息加密方法，用于对面向空间态势的震后重建图谱信息主动加密。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：面向空间态势的震后重建图谱信息加密方法，包括以下步骤：

S1：通过增强光谱特征识别面向空间态势的震后重建图谱的目标信息；

S2：通过混沌序列对面向空间态势的震后重建图谱信息的目标信息位置与像素值进行加密。

按上述方案，所述的步骤S1中，具体步骤为：

S11：读入面向空间态势的震后重建图谱作为待识别光谱；

S12：选择震前标准光谱作为对比光谱；

S13：多分辨率分解待识别光谱的各个像元得到系数向量；对待识别光谱的各个像元对应的光谱向量进行一维小波分解，每个像元分别对应一个一维光谱向量；对分解获取的小波系数进行非线性增强，设输入信号为C

S14：采用指数函数作为增强函数对系数向量进行非线性转换，增强微弱的光谱特征差异；使增强函数处理后的系数向量在待识别光谱和对比光谱的特征差异不显著的波段中，光谱差异变化不显著；增强函数处理后的系数向量在待识别光谱和对比光谱的特征差异显著的波段中，光谱差异被显著增强；

S15：按照待识别光谱和对比光谱的相似程度，通过匹配光谱角分辨待识别光谱的种类，识别待识别光谱的目标信息。

进一步的，所述的步骤S14中，具体步骤为：

设系数向量为Y，调节因子为d和θ，运算

设非线性变换后得到的新向量为H，则增强函数为：

通过增强函数对面向空间态势的震后重建图谱的各个像元进行非线性转换后，便于识别系数向量中微弱的光谱特征差异。

进一步的，所述的步骤S15中，具体步骤为：把每个光谱曲线设为存在方向、长度的向量，并投影至M维空间里，则每个光谱的夹角为光谱角；

在待识别光谱的多维空间里，采用光谱角ξ表示待识别光谱h

按上述方案，所述的步骤S2中，具体步骤为：

S21：读入面向空间态势的震后重建图谱作为待加密图谱，建立混沌序列；

S22：通过混沌序列的伪随机性与遍历性，随机转换待加密图谱的目标像素位置；

S23：根据移位密码转换待加密图谱的像素值。

进一步的，所述的步骤S21中，具体步骤为：

S211：设面向空间态势的震后重建图谱的目标信息为大小为a×b的像素矩阵B；

S212：设混沌序列的组数为x，超混沌系统的状态变量分别为i

进一步的，所述的步骤S22中，具体步骤为：

S221：根据光栅扫描顺序将像素矩阵B转换为一维数组Q

Q

S222：将混沌序列i

S223：根据序列值ri

Q＝Q

根据光栅扫描顺序采用新的数组Q进行重建，得到像素均匀分布的、不存在任何差异的图谱目标信息。

进一步的，所述的步骤S23中，具体步骤为：

S231：将混沌序列转换为8位无符号整数序列，用round()表示取最近整数函数，mod是一个求余函数，设像素扩展与混淆处理的可用混沌序列为rj

S232：设待加密图谱中当前被加密明文像素为Q(x)；当前明文像素加密后的密文像素为D(x)，前一密文像素为D(x-1)；设加密初始密文D(0)为密钥，通过序列

S233：通过移位密码混淆扩散后的图谱目标像素值：将D(x)转换成大小为a×b的像素矩阵A获取待加密图谱的加密信息为：

D(x)＝(D(x)+rj

图谱目标像素值通过扩散与混淆转换后，原图谱的灰度统计特征全部发生变化；根据光栅扫描顺序通过像素值加密数组D重建像素矩阵A，建立加密图谱文件，实现对待加密图谱的信息加密。

进一步的，还包括以下步骤：与加密方法对应的解密方法；对加密后的图谱进行解密时，依次进行像素值混淆解密、像素值扩散解密、像素位置解密；

像素值混淆解密的函数为：

D(x)＝(D(x)-rj

像素值扩散解密的函数为：

像素位置解密的函数为：

Q

解密后图谱逆转换为高亮高暗图谱：

把像素矩阵B变成8位无符号整数则得到面向空间态势的震后重建图谱的原图谱。

按上述方案，在步骤S1与步骤S2之间还包括以下步骤：图谱抗攻击处理；在加密前对待加密图谱的目标信息实施像素灰度范围缩小处理，将待加密图谱转换为一般灰度级图像，用于确保在对待加密图谱的目标信息加密时具有较好的抗干扰性；设灰度参数为n和m，待加密图谱的目标信息的原像素值为B

本发明的有益效果为：

1.本发明的面向空间态势的震后重建图谱信息加密方法针对所识别的图谱目标信息，基于超混沌序列与移位密码进行图谱信息加密，实现了对面向空间态势的震后重建图谱信息主动加密。

2.为保证图谱信息在加密时不被遗漏，本发明在识别判读执行前，使用非线性转换凸显需识别向量里微弱的光谱特征变动，在多分辨率条件下对面向空间态势的震后重建图谱进行了光谱特征增强，面向空间态势的震后重建图像的图谱信息全部被识别，为后续光谱匹配提供了便利。

3.本发明融合光谱特征增强、超混沌序列与移位密码的应用优势，有效完成面向空间态势的震后重建图谱目标信息识别、图谱目标信息加密；并通过实验验证了本发明的加密方法对面向空间态势的震后重建图谱信息的加密有效性：加密后图谱信息的数量相同，打乱了原始图谱的目标信息，使图谱信息全部被隐藏，保护了图谱信息的安全，具备实际应用和推广价值。

4.本发明对存在噪声的图谱信息目标同样存在显著的加密有效性。

附图说明

图1是本发明实施例的一维小波分解示意图。

图2是本发明实施例的光谱角示意图。

图3是本发明实施例的图谱目标识别流程图。

图4是本发明实施例的图谱信息加密流程图。

图5是本发明实施例的面向空间态势的震后重建图谱信息的加密前示意图。

图6是本发明实施例的加密后示意图。

图7是基于小波域纹理分析的加密后示意图。

图8是基于混沌集的加密后示意图。

图9是本发明实施例的加密前图谱信息数量图。

图10是本发明实施例的加密后图谱信息数量图。

图11是本发明实施例的存在噪声的面向空间态势的震后重建图谱信息示意图。

图12是本发明实施例的图谱信息目标识别图。

图13是本发明实施例的存在噪声的面向空间态势的震后重建图谱信息的加密效果图。

图14是本发明实施例的面向空间态势的震后重建图谱信息的解密效果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

防泄密的目的不仅是防止外人窃取机密信息，更是防止内部人员主动泄露机密信息。防泄密机制的主要难点在于如何使内部员工正常使用和查看机密数据和信息，同时防止其泄露。在不需要解密密钥的情况下，主动加密技术可以在任何地方以密文的形式显示机密数据信息，从数学原理上保证了机密信息的安全性。

参见图1，本发明的面向空间态势的震后重建图谱信息加密方法，包括以下步骤：

S1：参见图3，通过增强光谱特征识别面向空间态势的震后重建图谱的目标信息；

S11：读入面向空间态势的震后重建图谱作为待识别光谱；

S12：选择震前标准光谱作为对比光谱；

S13：分解面向空间态势的震后重建图谱的各个像元得到系数向量：参见图1，对面向空间态势的震后重建图谱的各个像元对应的光谱向量进行一维小波分解，每个像元分别对应一个一维光谱向量；

对分解获取的小波系数进行非线性增强，设输入信号为C

通过小波分解后，每个像元所对应的一维光谱向量为由小波系数构建的系数向量，用于充分描述原始图谱里光谱信号的细节特征；

S14：采用指数函数作为增强函数对系数向量进行非线性转换，增强微弱的光谱特征差异；使增强函数处理后的系数向量在待识别光谱和震前标准光谱的特征差异不显著的波段中，光谱差异变化不显著；增强函数处理后的系数向量在待识别光谱和震前标准光谱的特征差异显著的波段中，光谱差异被显著增强；

设系数向量为Y，调节因子为d和θ，运算

设非线性变换后得到的新向量为H，则增强函数为：

通过增强函数对面向空间态势的震后重建图谱的各个像元进行非线性转换后，便于识别系数向量中微弱的光谱特征差异；

S15：通过匹配光谱角识别面向空间态势的震后重建图谱目标信息：按照待识别光谱和震前标准参考光谱的相似程度即光谱间的夹角，分辨未知光谱的种类；

参见图2，光谱角匹配原理是把每个光谱曲线设为存在方向、长度的向量，并投影至M维空间里，每个光谱的夹角为光谱角；

在震后重建图谱的多维空间里，采用光谱角ξ表示待识别光谱h

S2：参见图4，通过混沌序列对面向空间态势的震后重建图谱信息的目标信息位置与像素值进行加密；

S21：读入面向空间态势的震后重建图谱作为待加密图谱，建立混沌序列；

S211：设面向空间态势的震后重建图谱的目标信息为大小为a×b的像素矩阵B；

S212：设混沌序列的组数为x，超混沌系统的状态变量分别为i

S22：通过混沌序列的伪随机性与遍历性，随机转换待加密图谱的目标像素位置到其他位置：

S221：根据光栅扫描顺序将像素矩阵B转换为一维数组Q

Q

S222：将混沌序列i

S223：根据序列值ri

Q＝Q

根据光栅扫描顺序采用新的数组Q进行重建，得到像素均匀分布的、不存在任何差异的图谱目标信息；

S23：根据移位密码转换待加密图谱的像素值；

S231：将混沌序列转换为8位无符号整数序列：

用round()表示取最近整数函数，mod是一个求余函数，设像素扩展与混淆处理的可用混沌序列为rj

S232：设待加密图谱中当前被加密明文像素为Q(x)；当前明文像素加密后的密文像素为D(x)，前一密文像素为D(x-1)；设加密初始密文D(0)为密钥，通过序列

S233：通过移位密码混淆扩散后的图谱目标像素值：将D(x)转换成大小为a×b的像素矩阵A获取待加密图谱的加密信息为：

D(x)＝(D(x)+rj

图谱目标像素值通过扩散与混淆转换后，原图谱的灰度统计特征全部发生变化；根据光栅扫描顺序通过像素值加密数组D重建像素矩阵A，建立加密图谱文件，实现对待加密图谱的信息加密。

加密方法必须提供对应的解密方法。对加密后的图谱进行解密时，依次进行像素值混淆解密、像素值扩散解密、像素位置解密；

像素值混淆解密的函数为：

D(x)＝(D(x)-rj

像素值扩散解密的函数为：

像素位置解密的函数为：

Q

解密后图谱逆转换为高亮高暗图谱：

把像素矩阵B变成8位无符号整数则得到面向空间态势的震后重建图谱的原图谱。

图谱抗攻击处理；在加密前对面向空间态势的震后重建图谱目标信息实施像素灰度范围缩小处理，将面向空间态势的震后重建图谱转换为一般灰度级图像，用于确保在对面向空间态势的震后重建图谱目标信息加密时具有较好的抗干扰性；

设灰度参数为n和m，面向空间态势的震后重建图谱目标信息的原像素值为B

选取某地区面向空间态势的震后重建图像的图谱信息进行加密，生成100000个元素的列向量r，每个元素都是一个随机数，这些随机数服从高斯分布，均值为0，标准差为1；分别使用本发明的加密方法、基于小波域纹理分析方法和基于混沌集方法进行加密实验，加密前如图5所示，加密后分别如图6、图7、图8所示：相较于基于小波域纹理分析方法和基于混沌集方法，本发明的加密方法使用光谱角匹配方法实现了对面向空间态势的震后重建图谱的目标识别，保证了所有图谱信息不被遗漏，为加密提供了基础；按本发明的加密方法加密后，该地区面向空间态势的震后重建图像的图谱信息全部被隐藏，加密效果较好，加密后图谱信息不能被直接提取，本发明的加密方法的加密功能有效。

面向空间态势的震后重建图谱信息在采用本发明的加密方法加密前、后的图谱特征变化情况参见图9、图10。采用本发明的加密方法加密后，单位像素中的面向空间态势的震后重建图谱信息数量相同，表示本发明的加密方法能够有效隐藏图谱信息，起到“障眼法”的作用。

参见图11，为实验本发明的加密方法在加密面向空间态势的震后重建图谱信息时的抗干扰性，向图5中引入噪声向量X，取值范围在实数空间Rn,噪声向量X的每个元素都是一维随机的以保证实验的公正性。

采用本发明的加密方法对图8进行图谱信息目标识别，识别结果如图12所示，图谱信息加密结果如图13所示。

一个性能优越的加密方法必须可以实现解密，且解密效果需要有效保留原始信息特征，图像是以矩阵的形式存储的，因此，在主动解密过程中要保存图像数据和字符串间的转换处理，本发明的加密方法的解密效果如图14所示。

分析图12、图13、图14可知，本发明的加密方法识别存在噪声的震后重建图谱信息目标后，图谱信息目标均被有效识别凸显；对存在噪声的震后重建图谱信息加密后，存在噪声的震后重建图谱信息被全部隐藏加密，从视觉角度分析不能直接提取图谱信息；对所加密后存在噪声的震后重建图谱信息实施解密后，解密效果图和原始面向空间态势的震后重建图谱信息一致。由此验证，本发明的加密方法在加密面向空间态势的震后重建图谱信息时，具有较显著的抗干扰性。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。