（计算机应用技术专业论文）基于数字加密的交通视频监控模式的研究和应用.pdf

：i | 1 1 11 | i 洲1 1 , l | 1 1 1 y 18 2 18 7 7 上海海洋大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的 学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的 成果。除文中已经明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为 本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法 律结果由本人承担。 学位论文作者签名：邀埏腈1 同期：口1 1 年f 月，牛同 上海海洋大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅或借阅。本人授权上海海洋人学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 口 ，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于， 不保密 囱 学位论文作者签名：每录骶 e l 期：如1 1 年1 月f tr 指毒教师签名：听1 i f 向连 r 期：扣1 1 年1 月f 中同 上渔渔滢太堂博硕士学位论文 答辩委员会成员名单 姓名工作单位职称备注 刘广钟上海海事大学教授主席 袁红春上海海洋大学教授委员 陈明上海海洋大学教授委员 委员 委员 委员 委员 葛艳上海海洋大学副教授秘书 答辩地点信息学院3 0 6 会议室答辩日期 2 0 1 1 1 1 1 4 海海洋人学硕i ：学位论文 基于数字加密的交通视频监控模式的研 摘要 随着城市道路建设的发展，汽车数量的急剧增加，交通 城市交通堵塞及交通事故频发问题同趋严重，从而迫切要求 化。而交通视频监控技术是实现这一功能的重要手段，它是 个重要环节，其主要功能是对城市道路交通流量进行采集， 示出来，从而实现对交通状况的实时检测和监控。 并实时地在屏幕上显 本课题以上海市保安公司交通视频监控系统项目为背景，本课题所研究的系 统硬件采用编解码器的高端视频采集卡及摄像机等部件，软件应用v c + + 6 0 进行 编程，实现了对车速及车流量的实时监控，实现了监控过程信息的录制、定格回 放及加密传输等功能，保证了权限访问的可行性及图像传输的可靠性。 本论文首先分析了国内外视频监控系统的发展和现状，在此基础上进一步分 析了交通视频监控系统的基本原理及系统的组成。其次，本文研究了混沌映射及 其混沌序列，并着重研究了二维l o g i s t i c 混沌映射的图像n 解密算法。同时还 对小波变换理论及其对图像处理的算法进行了研究。针对交通视频监控系统中图 像加密传输的特点，设计了基于小波变换和混沌序列的数字加密交通视频监控系 统。 经过初步测试，基于小波变换和混沌序列的数字加密交通视频监控系统基本 达到预期的目标，该系统可以解决监控过程信息的录制、定格回放及加密传输等 功能。 可以预见，图像加密传输技术必将越来越广泛地应用于生活和工作的各个领 域，有着巨大的潜在市场和良好的经济效益。本文仅对交通视频监控系统中图像 加密传输技术作了部分研究，很多地方还有待进一步深入研究和完善。 关键字：数字加密，视频监控，混沌，小波变换 1 ：海海洋人学硕i ：学位论文 r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o nf o rt h et r a f f i cv i d e om o n i t o r i n g s y s t e mb a s e do nd i g i t a le n c r y p t i o n a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fu r b a nr o a dc o n s t r u c t i o n ，s h a r pi n c r e a s ei nt h en u m b e ro f c a r s ，s u b s t a n t i a li n c r e a s ei nt r a f f i cd e n s i t y , u r b a nt r a f f i cc o n g e s t i o na n dt h ei n c r e a s i n g p r o b l e mo ff r e q u e n tt r a f f i ca c c i d e n t s a nu r g e n tn e e df o rt r a f f i cc o n t r o la n dm o n i t o r i n g a u t o m a t i o np r o g r e s s i v e l yr e a l i z e da p p e a r s ，t h e nt h et r a f f i cv i d e om o n i t o r i n gt e c h n o l o g y i sa ni m p o r t a n tw a yt oa c h i e v et h i sf u n c t i o n ，w h i c hi sa ni m p o r t a n tp a r to ft h ei n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m i ti sp r i m a r i l yr e s p o n s i b l ef o rt r a f f i cd e t e c t i o na n dm o n i t o r i n g ， a c q u i r i n gt h er o a dt r a f f i cs i t u a t i o na n dr e a l t i m ed i s p l a y i n go nt h es c r e e n i nt h i st h e s i s ，i td e p e n d so na s h a n g h a is e c u r i t yc o m p a n y st r a f f i cv i d e om o n i t o r i n g s y s t e mf o rt h eb a c k g r o u n d ，s t u d i e dt h i ss u b j e c tu s i n gt h es y s t e mh a r d w a r ec o d e c h i g h e n dv i d e oc a p t u r ec a r da n dc a m e r aa n do t h e rc o m p o n e n t s s o f t w a r ea p p l i c a t i o n p r o g r a m m i n gv c + + 6 0 r e a l i z et h er e a l - t i m em o n i t o r i n gs p e e da n dt r a f f i cv o l u m e t h e m o n i t o r i n gp r o c e s st oa c h i e v et h er e c o r d i n go fi n f o r m a t i o n ，e n c r y p t e dt r a n s m i s s i o na n d f r e e z e - f r a m e p l a y b a c kf u n c t i o n s g u a r a n t e e df i g h t st oa c c e s st h ef e a s i b i l i t ya n d r e l i a b i l i t yo fi m a g et r a n s m i s s i o n t h i sp a p e rf i r s ta n a l y z e st h ed e v e l o p m e n to fv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e ma th o m e a n da b r o a da n dt h es t a t u sq u o ，o nt h eb a s i so ft h i s ，f u r t h e r l ya n a l y s et h et r a f f i cv i d e o m o n i t o r i n gs y s t e mc o m p o s e do ft h eb a s i cp r i n c i p l e sa n ds y s t e m s s e c o n d l y , w es t u d i e d t h ec h a o t i cm a pa n dt h ec h a o t i cs e q u e n c ea n df o c u s e so nt w o d i m e n s i o n a l l o g i s t i c c h a o t i cm a pi m a g ee n c r y p t i o n d e c r y p t i o na l g o r i t h m a l s os t u d i e dt h ew a v e l e tt r a n s f o r m t h e o r ya n di t si m a g ep r o c e s s i n ga l g o r i t h m f o rt r a f f i cv i d e om o n i t o r i n gs y s t e mf o ri m a g e e n c r y p t i o nc h a r a c t e r i s t i c si nt h et r a n s m i s s i o n ，a n dd e s i g n e dt h ec h a o t i cs e q u e n c eb a s e d o nw a v e l e tt r a n s f o r ma n dd i g i t a le n c r y p t i o no ft r a f f i cv i d e om o n i t o r i n gs y s t e m a f t e rap r e l i m i n a r yt e s t ，c h a o t i cs e q u e n c eb a s e do nw a v e l e tt r a n s f o r ma n dd i g i t a l e n c r y p t i o no ft r a f f i cv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e mt oa c h i e v et h eb a s i cd e s i r e dg o a l s t h e s y s t e mc a nm o n i t o rt h ep r o c e s so fi n f o r m a t i o nr e c o r d i n gs o l u t i o n ，f r e e z e - f l a m ep l a y b a c k a n de n c r y p t e dt r a n s m i s s i o na n do t h e rf u n c t i o n s i tc a nb ee x p e c t e dt h a ti m a g ee n c r y p t i o n t r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yw i l lb e c o m ei n c r e a s i n g l yw i d e l ya n di tc a nb eu s e di na l la r e a s l ：海海洋人学硕i ：学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章引言1 1 1 课题来源1 1 2 国内外研究现状及发展趋势1 1 - 3 课题的研究意义2 1 4 本文研究工作2 1 5 论文结构3 第二章混沌加密数字图像的研究4 2 1 图像数字加密4 2 2 图像视频加密的特点5 2 3 图像数字加密的原理和通用模型6 2 4 混沌密码在数字加密中的应用6 2 4 1 混沌系统的特性7 2 4 2 基于l o g i s t i c 混沌序列的数字图像加密8 第三章小波变换理论在图像处理中的应用研究1 1 3 1 小波变换与小波分解1 l 3 1 1 小波变换1 l 3 1 2 连续小波变换1 l 3 1 3 离散小波变换1 3 3 1 4 小波分解树与小波包分解树1 4 3 2 图像小波变换与图像小波分解1 7 3 2 1 图像小波变换1 7 3 2 2 小波分解在图像压缩中的特点2 0 3 2 3 图像小波分解小波基的选择2 1 3 2 4 图像小波分解边界延拓方式的选择2 1 第四章交通视频监控系统分析2 4 4 1 交通视频监控系统的发展2 4 4 2 数字视频监控系统的优势2 5 4 3 交通视频监控系统的原理分析2 5 ：海海洋人学硕i ：学位论文 4 4 交通视频监控系统的组成 4 4 1 硬件系统 4 4 2 软件系统2 7 第五章数字加密交通视频监控系统的设计研究2 9 5 1 概述2 9 5 2 系统基本技术要求2 9 5 3 系统组成条件3 0 5 3 1 硬件条件3 0 5 3 2 软件要求3 0 5 3 3 软件总体设计3 1 5 4 图像实时捕获的关键技术3 l 5 4 1 使用a v i c a p 窗口类3 2 5 4 2 视频捕获结构框图3 3 5 4 3 视频捕获的开发步骤3 4 5 5 基于小波变换和混沌加密算法的应用3 8 5 5 1 加密模板和置乱序列的生成3 8 5 5 2 加密解密算法3 9 5 5 3 图像加密的步骤3 9 第六章总结和展望4 1 参考目录4 2 致谢4 4 附录攻读硕士学位期间发表学术论文情况4 5 ：海海洋人学硕l ：学位论文 第一章引言 1 1 课题来源 本课题来源于上海市保安公司的交通视频监控系统的研发项目。随着我国经 济建设的迅速发展，汽车数量的急剧增加，交通密度的大幅提高，城市交通堵塞 现象及交通事故r 趋严重，交通问题已经成为城市管理工作中的重大社会问题， 它阻碍和制约着城市经济建设的发展。而智能交通系统( r r s ) 由于其显著的缓解 交通拥挤，提高交通效率的作用，已经受到了普遍的重视。它融合了计算机技术、 电子信息技术、安全通信技术、自动控制理论和传统的交通工程学等多个学科的 理论，并将其应用于现代的交通运输管理体系中，从而实现交通运输服务和管理 智能化。交通视频监控技术是实现这一目标的重要手段。 本课题所要研究的是在深入了解图像数字加密和混沌理论基础上，结合小波 变换在图像处理中的应用而提出的一种基于小波变换和混沌序列数字加密的交通 视频监控系统。本系统硬件采用编解码器的高端视频采集卡，摄像机等硬件和应 用v c + + 6 0 编程环境模拟程序，实现了对车速及车流量的实时监控，实现了监控 过程信息的录制、回放和传输等功能，具有一定的实用性。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 2 0 世纪8 0 年代中期以来，智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e m ) 简称 i t s 将先进的信息技术、通信技术、自动化技术、及计算机处理技术等有效的运用 于整个交通管理系统中，建立一个大范围、全方位、实时发挥监控作用的交通管 理系统，已经在世界范围内竞相开发与研究。在2 0 世纪6 0 年代术，美国、欧洲、 日本等发达国家先后统一制定了研发计划并投入大量经费，已经取得了重要成果。 在国外发达国家，很少发生交通堵塞，城市交通井然有序主要得益于交通监控系 统。交通控制中心通过公路上布设的摄像机传来的信号，在屏幕上监视公路交通 情况，及时指挥交通应急分队前往清除故障和疏导交通。此外，这些信息还会出 现在公路的显示设备上。向司机提供实时警告，帮助他们选择顺畅的行车路线。 可以说监控系统已在发达国家的城市中得到了广泛的应用。 近年来随着我国国民经济的日益发展，各种车辆迅速增加，公路，特别是高 速公路的里程数逐年增长，这些在使人们生活便利的同时，也引发了新的问题， 交通事故、交通拥堵不断发生。通过对公路、高速公路的交通流量以及路况信息 i ：海海洋人学硕l ：学位论文 进行监测、建立交通监控系统是非常必要的。交通监控系统既保障了交通安全， 又减少人力物力，降低劳动强度。提供了较先进的技术管理手段。因此，建立有 效的监控系统是交通管理现代化的重要标志之一。目前由于对交通监控、安全管 理的要求同益增高，采用智能交通管理系统( i t s ) 已成为当前公路交通、城市交通 管理的主要手段和发展方向。据不完全统计，目前，全国的汽车拥有量有3 5 0 0 多 万辆，而汽车驾驶员的数量也超过5 0 0 0 万人，这对城市道路，尤其是高速公路的 交通监控和管理工作就增大了难度。交通视频监控系统具有监督和管理的科学性、 实时性和准确性，其建设势在必行。 交通视频监控系统的发展方向是功能综合化、视频数字化、监控网络化、系 统集成化，数字化是网络化的前提，而网络化又是系统集成化的基础，所以，交 通视频监控发展的最大两个特点就是数字化和网络化。系统功能综合化、视频数 字化、监控网络化、系统集成开放与标准化是交通视频监控系统发展的必然趋势。 1 3 课题的研究意义 随着我国经济建设的快速发展，我国的公路交通条件有了很大的改善，但是 随着车辆数量的增加、交通量的不断增长和交通密度的大幅提高，有效的交通管 理成为我国各大城市面i 临的难题。为了保障交通的安全畅通，采用先进的交通视 频监控系统来预防和减少交通阻塞、交通事故，就显得非常重要。 另外，由于交通视频监控系统的发展方向趋向于视频数字化和监控网络化， 这关系到视频图像的压缩、安全传输和关键图像信息的保密。如在监控某敏感地 段时的信息隐藏、视频图像在存储后的权限访问等方面具有实际意义，这涉及到 视频图像的加密方面。 1 4 本文研究工作 ( 1 ) 综述了视频图像加密的进展情况，分析和比较了当前几种图像加密技术， 同时指出了它们各自的优缺点和应用的局限性，分析了图像数字加密和文本加密 的区别，及图像视频加密的特殊特点。 ( 2 ) 给出了混沌的数学定义以及其特征表现，分析了常见的混沌映射及其混 沌序列，重点研究了基于l o g i s t i c 混沌序列的数字图像加密技术及其加密算法。 ( 3 ) 研究了小波理论在图像处理中的应用，以及图像分解小波基的选择和边 界延拓方式的比较。 ( 4 ) 以上海市保安公司的交通视频监控系统项目为背景，应用小波变换和混 2 i ：海海洋人学硕j ：学位论文 沌理论设计了基于小波变换和混沌序列的交通视频监控系统，并给出了系统实现 的方法步骤。 1 5 论文结构 ( 1 ) 第一章：引言。这一章主要介绍了本课题的来源，提出了本文的主要研 究任务，分析了国内外相关技术发展状况及其发展趋势，说明了本课题研究的意 义。 ( 2 ) 第二章：混沌加密数字图像的研究。比较了图像加密和文本加密的区别， 分析了图像加密的几种常用技术，分析了常见的混沌映射及其混沌序列和混沌的 基本原理，重点研究了二维l o g i s t i c 混沌映射图像加解密算法。 ( 3 ) 第三章：小波变换理论在图像处理中的应用研究。根据小波变换的基本 理论，分析了二维小波变换在图像分解中的过程。 ( 4 ) 第四章：交通视频监控系统分析。分析了交通视频监控系统的基本原理 及系统组成。 ( 5 ) 第五章：数字加密交通视频监控系统的设计研究。首先给出系统的软件 总体设计思想及图像实时捕获的关键技术的实现。应用基于小波变换和混沌序列 的数字加密原理，根据对称一次耦合项形式的二维l o g i s t i c 映射，提出加密模板和 置乱序列的生成及加密解密算法，实现了对捕获的图像进行加密传输。 ( 6 ) 第六章：总结与展望。 3 i ：海海洋人学硕i ：学位论文 第二章混沌加密数字图像的研究 所谓加密，就是把原始消息转换成未经授权人员不可读的形式的过程，它是 在不知道执行加密所使用的算法和密钥的情况下从被加密的消息( 或密文) 中获 得最初消息( 或明文) 的过程。加密过程就是隐藏消息的过程1 1 j 。对明文消息加密 有流密码和分组密码两种方式，由于图像数据具有不同于普通数据流的特点。所 以利用传统的对称加密算法如d e s 实行加密有一定的困难，而且易受到差分密码 分析的攻击。数字图像加密的密钥由移位参数、方向参数、迭代次数参数共同组 成。解密是加密的逆操作过程。 2 1 图像数字加密 一幅二维平面图像可以用一个二元函数i = f ( x ，y ) 来表示，( x ，y ) 表示二维空间坐 标系中一个坐标点的位置，则f ( x ，y ) 代表图像在这一点的灰度值，与图像在这一点 的亮度相对应，并且图像的亮度值是有限的，因而函数l = f ( x ，y ) 也是有界的。在图 像数字化之后，i = f ( x ，y ) 则对应于一个矩阵，矩阵元素所在的行与列就是图像显示 在计算机屏幕上诸像素点的坐标，元素的数值就是该像素的灰度( 用0 2 5 5 表示) 。 常见的加密算法如d e s 、a e s 、r s a 等都是针对文本信息、数据加密提出的。 在加密图像时，常见的思路是也采用这些文本加密技术加密图像。例如采用d e s 算法对b m p 和j p e g 的图像进行加密。但是图像和文本也存在很多区别，主要是： ( 1 ) 数字图像信息量非常大。图像信息比文本要大得多，大小为2 5 6 x 2 5 6 的8 位灰度图，在未压缩的情况下能达2 m 。如果应用现代密码体制加密的话需要 很长的时间，而且要求计算机的内存容量要大。 ( 2 ) 数字图像相邻像素具有很强的相关性。由于图像的可视性，一定区域内 色彩是相近的，因此相邻像素间有很强的相关性，其信息的冗余度也很大。而文 本加密技术并没有考虑这种相关性，而是依次加密每个像素。 ( 3 ) 加密数字图像在解密时可以允许有一定的失真度。这种数字图像的失真 只要控制在人的视觉范围内是完全觉察不到的。显然在对数字图像进行加密和解 密时，需要考虑图像的这种特点，而文本加密技术不需要考虑失真度的问题。 ( 4 ) 在对图像进行加密处理前，需要进行图像的预处理。数字图像一般以二 维数组的数据格式存储，如果图像很大的话，需要一定的图像预处理时间，而在 一些拍摄的图像中夹杂了噪声干扰以及环境变化对图像质量的影响，必须要对图 像进行预处理，以消除图像的噪声和增强图像的质量，这些都将降低数字图像加 4 i ：海海洋人学硕i ：学位论文 密的效率。而文本加密技术都是先将待加密的数据转换为二进制的数据流。 ( 5 ) 数字图像占用的频带较宽，对频带压缩技术的要求也较高。 2 2 图像视频加密的特点 在图像视频加密系统，要求支持不同环境下的不同媒体服务的特殊功能。这 些特殊要求通常以压缩和加密组合实现，这就需要在图像视频加密算法强加一些 限制。 ( 1 ) 格式兼容 这个特征意味着加密图像视频在接受端不知道密钥的情况下仍能解密。对在 线流媒体服务，特别是运行在无线环境下，透明性可以排除由于丢失或错误数据 引起的问题。透明性减弱后续的服务( 数字水印) 对整个压缩加密系统的影响。为了 取得透明性，加密过程应该不破坏加密文件流的语法结构。也就是说，文件流的 描述信息不能加密。 ( 2 ) 可扩展性 可扩展性意味着对不同的应用的多级安全有灵活的参数设置。可嵌入的多层 结构，即，好的伸缩粒度，如j p e g 2 0 0 图像，m p e g 2 似视频使得扩展加密更加容 易和自然。实现可扩展性的基本思想就是对部分层加密，或者在选定层的部份数 据。可扩展性可以看作是控制加密视频和图像的视觉质量的机制。 ( 3 ) 可感知性 可感知性对普通的图像视频可见信息的部分加密，其在试用以后付费的数字 多媒体是很有用的，例如付费电视( p a y t v ) 和视频点播( v o d ) 服务。其是多级加密 的概括，并不依赖于加密图像视频的分层结构。 ( 4 ) 容错性能 如果对流加密情况下，我们并不期望当一些错误发生时，加密流不能解码， 这在无线环境下多媒体应用经常发生。同时，好的加密系统的雪崩特性表示对错 误的敏感性，其导致在某些情况不能解密。为了解决这个情况，选择性加密被用 作提供容错特性。 总之，上述特征存在的紧密关系是： ( 1 ) 透明性和选择加密思想是满足可扩展性和感知性的条件； ( 2 ) 在一些扩展加密算法中提供可感知性，以取得多级安全。 5 i ：海海洋人学硕i ：学位论文 2 3 图像数字加密的原理和通用模型 图像数字加密就是在发送端采用一定的算法作用于一幅图像明文，使其变成 不可识别的密文，以达到图像保密的目的。在接收端采用相应的算法解密，恢复 出原文。 通用的算法模型如图2 1 所示。 加密解密 密钥 密钥 图2 - 1 通用的算法模型图 f i g u r e2 - 1g e n e r a la l g o r i t h mm o d e ld i a g r a m 图像加密传送系统的数据流程如图2 2 所示。 图2 2 图像力口密传送系统的数据流程图 f i g u r e2 - 2i m a g ee n c r y p t i o nt r a n s m i s s i o ns y s t e md a t af l o wd i a g r a m s h a n n o n 已从理论上证明：仅当可能的密钥数目至少与可能的消息数目一样多 时，才有可能完全保密。即密钥必须至少与明文一样长或密钥不重复使用。保密 性的影响因素包括语言冗余度越大，越容易受攻击，尽量减少明文大小；密钥系 统的熵越大，越难破译。 2 4 混沌密码在数字加密中的应用 混沌现象起因于物体不断以某种规则复制前一阶段的运动状态，而产生无法 预测的随机效果。具体而言，混沌现象发生于易变动的物体或系统，该物体在行 动之初极为单纯，但经过一定规则的连续变动之后，却产生始料所未及的后果， 也就是混沌状态。但是此种混沌状态不同于一般杂乱无章的的混乱状况，此一混 6 f 二海海洋人学硕i ：学位论文 沌现象经过长期及完整分析之后，可以从中理出某种规则出来。混沌现象最先用 于解释自然界。1 9 6 3 年美国气象学家l o r e n z 在研究模拟天气预报时发现当他是把 大气的动态方程简化成了三阶非线性方程( l o r e n z 方程) ，应用当时的计算技术， 结果发现这个确定性方程的动力学演化具有类似随机的性质，发现了著名的 l o r e n z 吸引子，因而推断出长期的天气预报是不可能的结论。 混沌系统具有良好的伪随机特性、轨道的不可预测性、对初始状态及控制参数 的敏感性等一系列特性，这些特性与密码学的很多要求是吻合的，混沌密码学在 1 9 9 0 年前后开始兴起。 应用混沌系统进行密码设计，还只有短短的十几年的时间，密码学界对混沌密 码的认识还比较初级。1 9 9 0 年前后r m a t t h e w s 、t h a b u t s u 等人提出的混沌密 码方案很快被分析的事实说明在构造真正安全的混沌密码的问题上，还缺乏足够 的理论支持以保证其真j 下的安全性。目前在物理学和电子学方面仍然不断有新的 混沌密码算法出现，而密码学界则相对较少，这一方面是由于成熟的密码系统已 经比较多了，另外一方面是由于混沌密码设计理论的缺乏。 混沌密码实际上是一序列密码。混沌序列密码系统的加密端和解密端是两个 独立的、完全桢的混沌系统。明文信息在加密端加密后直接发往解密端，解密端 可以在明文信息全部接收后再解密，也可以利用线程同步等技术建立同步关系 后进行实时解密。方法的安全性依赖于混沌信号的超长周期、类随机性和混沌系 统对初始状态、系统参数的敏感性。 2 4 1 混沌系统的特性 l o r e n z 提出的混沌理论表明非线性系统具有的多样性和多尺度性，它是系统 从有序突然变为无序状态的一种演化理论，是对确定性系统中出现的内在“随机 过程 形成的途径、机制的研讨。混沌理论的最大贡献是用简单的模型获得明确 的非周期结果。 科学家给混沌下的定义是：混沌是指发生在确定性系统中的貌似随机的不规 则运动，一个确定性理论描述的系统，其行为却表现为不确定性、不可重复性、 不可预测。混沌是非线性动力系统的固有特性，是非线性系统普遍存在的现象。 混沌系统具有以下几个适合作为密码系统的特性： ( 1 ) 遍历性。在有限区域内，混沌轨道上的点可以任意接近，这使得对初始 条件( 明文) 的预测非常困难。 ( 2 ) 混合性。混沌轨道的极不规则性以及系统局部扩展、压缩、折叠，使得 混沌系统的输出类似于随机噪声。 7 i ：海海洋人学硕l ：学位论文 ( 3 ) 指数发散性。相平面上任意接近的两点随着迭代的进行都会指数性发散。 综上所述，混沌系统是一种天然的密码系统。而混沌在二维相平面上的不规 则性，使得混沌系统更加适合于图像数据的加密。 2 4 2 基于l o g i s t i c 混沌序列的数字图像加密 基本上，有两类使用混沌方法在图像视频加密方案上：一类是使用混沌作为 一个源生成伪随机位具有期望的统计特性以实现安全加密操作。另一类是实现二 维混沌映射来实现数字图像视频的像素置乱，并设计加密密钥。 ( 1 ) l o g i s t i c 映射 l o g i s t i c 映射是一个源于研究生物的种群变换的动力学系统，其系统方程可写 为如下形式： + 。= ， ，) 一1 一 公式2 - 1 其中x n 为映射变量，u 为系统参数，它们的取值范围分别为： 一1s sl o “s2 。l o g i s t i c 映射是一个非常简单，却又具有重要意义的非线性迭 代方程，它具有确定的形式，并且系统不包含任何随机因素，但系统却能产生看 似完全随机的，对参数u 的动态变化和初值极为敏感的现象。该系统产生的序列 的概率分布函数为： j d o ) 一习专，工( 一1 ，1 ) 公式2 - 2 其中p ( x ) 是不依赖于初始值的。 人们可以利用概率分布函数来计算混沌系统的均值、自相关系数、互相关系 数等统计特性。其中均值为： 一 r - 1 工一1 i m 一j = 。x = 公式 互相关函数为：, 善x i p ( x ) a x 0 2 - 3 r ( o ；牌古薹毛薯。一x 2 = j 二。巧7 ) p o 渺一0 = 0 公式2 - 4 设取两个初始值x o 和y o ，那么序列的互相关函数为：公式2 5 ，一1 一 一 c ( m ) = 牌专薹瓴一z ) ( y 湘一y ) - - j 二j = 。p ( x ，y ) o z ) ( ，“( ) ，) 一y 矽吣一0 z0 以上特性表明，尽管混沌动力学系统具有确定性，其统计特性等同于白噪声， 因而可以应用于包括数字通讯和多媒体数据安全等众多应用领域的噪声调制。 8 的混 像加 对索 海海洋人学硕i j 学位论文 第三章小波变换理论在图像处理中的应用研究 小波变换是图像处理中图像特征分析的新方法，特别是在图像细节的处理及 图像特征分析上具有良好的效果。小波变换继承和发展了g a b o r 的窗口傅立叶变 换的局部思想，但它的窗口随频率增高而缩小，符合高频信号的分辨率较高的要 3 1 小波变换与小波分解 小波是在有限时间范围内变化且其平均值为零的数学函数。( 1 ) 具有有限的 持续时间和突变的频率和振幅。( 2 ) 在有限的时间范围内，它的平均值等于零。 在信号处理中，自从s t e p h a n em a l l a t 和i n r i dd a u b e c h i e s 发现滤波器组与小波基函 数有密切关系之后，小波分析在信号( 如声音和图像) 处理中得到极其广泛的应 若妒( f ) 是一个实值函数，并且它的频谱伊( ) 满足 乞：c 昏 黼1 则称驴( f ) 为一个基本小波，称上式为容许性条件，对于基本小波有： 妒( o ) ；f r 伊( t ) d t = 0 。驴o ) 通过平移和伸缩而产生一个函数簇 6o ) ) 。 吼 o ) 一| 口| - 1 2q ，( t - 口b ) 口e r ，6 尺，口o 公式3 2 式中，函数簇眈上o ) 为分析小波；a 为伸缩的尺度；b 为平移的距离。 3 1 2 连续小波变换( c o n t i n u o u sw a v e l e tt r a n s f o r m ，c w t ) 小波变换目的是获得时间和频率域之间的相互关系。它是对一个函数在空间 和时间上进行局部化的一种数学变换。 ( 1 ) 通过平移母小波( m o t h e rw a v e l e t ) 获得信号的时间信息； ( 2 ) 通过缩放母小波的宽度( 或称尺度) 获得信号的频率特性。对母小波的平 移和缩放操作是为计算小波的系数，这些系数代表局部信号和小波之间的相互关 系。对比傅立叶变换，提供了频率域的信息，但丢失了时间域的局部化信息。 i ：海海洋人学硕i ：学位论文 傅立叶分析是用一系列不同频率的正弦波表示一个信号，一系列不同频率的 正弦波是傅立叶变换的基函数。而小波分析的基本思想是用一簇函数去表示或逼 近某个信号或函数，这簇函数称为小波函数集，它是通过对基本小波基数不同尺 度的平移和伸缩构成。小波函数集的特点是它的时宽频宽乘积很小，且在时问和 频率轴上都很集中。 凡能用傅立叶分析的函数都可用小波分析，小波变换可理解为用经过缩放和 平移的一系列函数代替傅立叶变换用的正弦波。用不规则的小波分析变化激烈的 信号比用平滑的正弦波更有效，或者说对信号的基本特性描述得更好。 若基本小波函数为h ( x ) 。伸缩和平移因子分别为a 和b ，则小波变换基定义为： h o , o ) ：i 口i 地h ( 兰兰) 公式3 - 3 “ 函数f ( x ) l 2 ( r ) 的连续小波变换定义为： 心。= ：。吃声( x ) f ( x ) d x 公式3 - 4 写成内积形式，即有： - 公式3 - 5 它对应于f ( x ) l ( r ) 在函数族k - ( x ) 上的分解，这一分解必须满足f 歹u 司允 许性条件 ：f 警 0 的整数) 的倍数，这种变换称为双尺度小波 变换( d y a d i cw a v e l e tt r a n s f o r m ) 。执行d w t 的有效方法：用m a l l a t 在1 9 8 8 年开发 的滤波器，称为m a l l a t 算法；d w t 的概念如图3 1 所示。s 表示原始的输入信号； 通过两个互补的滤波器产生a 和d 两个信号。 广s1 l 低通滤波器高通 图3 一ld w t 的概念图 f i g u r e3 1d w tc o n c e p td i a g r a m a 表示信号的近似值( a p p r o x i m a t i o n s ) ，大的缩放因子产生的系数，表示信号的 低频分量；d 表示信号的细节值( d e t a i l ) ，小的缩放因子产生的系数，表示信号的高 频分量。 3 1 4 小波分解树与小波包分解树 小波包变换是小波变换的进一步发展，能够提供比小波变换更高的分辨率， 而小波包分解与小波分解相比，是一种更精细的分解方法，它不仅对图像的低频 部分进行分解，也要对图像的高频部分进行分解。通过水平和垂直滤波，小波包 变换将原始图像分为四个子带：水平和垂直方向上的低频子带，水平和垂直方向 上的高频子带。继续对图像的低频子带和高频子带进行分解就可以得到图像的小 波包分解树结构。即由低通滤波器和高通滤波器组成的树，原始信号通过一对滤 波器进行一级分解。信号的分解过程可以迭代，即可进行多级分解。 1 4 ：海海洋人学硕i ：学位论文 ( 1 ) 小波分解树( w a v e l e td e c o m p o s i t i o nt r e e ) 用下述方法分解形成的树：对信号的高频分量不再继续分解，而对低频分量 连续进行分解，得到许多分辨率较低的低频分量，如图3 2 所示。 l p f ：低通滤波器h p f ：高通滤波器 ( a ) 信号分解 ( b ) 系数结构 ( b ) f a c t o rs t r u c t u r e ( a ) s i g n a ld e c o m p o s i t i o n 图3 - 2 ( a - b ) 小波分解树 f i g u r e3 - 2 ( a - b ) w a v e l e td e c o m p o s i t i o nt r e e ( 2 ) 小波包分解树( w a v e l e tp a c k e td e c o m p o s i t i o nt r e e ) 用下述方法分解形成的树：不仅对信号的低频分量连续进行分解，而且对高 频分量也进行连续分解，这样不仅可得到许多分辨率较低的低频分量，而且也可 得到许多分辨率较低的高频分量，见图3 3 所示的三级小波包分解树。 1 5 海海洋人学硕l ：学位论文 图3 - 3 小波包分解树 f i g u r e3 - 3 w a v e l e tp a c k e td e c o m p o s i t i o nt r e e 上图中，a 表示低频，d 表示高频，末尾的序号数表示小波分解的层数，分 解级数越大，也就是选择的小波包尺度越大，小波包系数对应的空间分辨率就越 低，通过这一点，可以在不同的空间分辨率上进行分析，实现图像的消除噪声、 压缩、编码等各种处理1 3 l 。在使用滤波器对真实的数字信号进行变换时，得到的数 据将是原始数据的两倍。例如，如果原始信号的数据样本为1 0 0 0 个，通过滤波之 后每一个通道的数据均为1 0 0 0 个，总共为2 0 0 0 个。于是，根据尼奎斯特( n y q u i s t ) 采样定理就提出了采用降采样( d o w n s a m p l i n g ) 的方法，即在每个通道中每两个样本 数据中取一个，得到的离散小波变换的系数( c o e f f i c i e n t ) 分别用c d 和c a 表示，降 采样过程见图3 4 。 h ：高通滤波器l 低通滤波器 5 个系数 图3 - 4 降采样 f i g u r e3 - 4d o w n s a m p l i n g 当把分解的系数还原成原始信号的过程叫做小波重构( w a v e l e tr e c o n s t r u c t i o n ) 或合成( s y n t h e s i s ) ，数学上n t t 做逆离散小波变换( i n v e r s ed i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r m ， i d w t ) 。在使用滤波器做小波变换时包含滤波和降采样( d o w n s a m p l i n g ) i 两个过程， 在小波重构时也包含升采样( u p s a m p l i n g ) 和滤波两个过程，见图3 - 5 所示。 1 6 i ：海海洋人学硕i ：学位论义 图3 - 5 小波重构 f i g u r e3 - 5w a v e l e tr e c o n s t r u c t i o n 3 2 图像小波变换与图像小波分解 1 9 8 9 年s m a l l a t 将小波变换用于信号处理，提出了多分辨分析的概念，给出 了图像信号分解为不同频率通道的算法，开创了小波变换在图像处理中的应用。 借助于小波变换，图像信号可以被分解为许多具有不同空间分辨率、频率特性和 方向特性的子图像信号，实现低频长时特征和高频短时特征的同时处理，