（信号与信息处理专业论文）jpeg2000图像的选择性加密算法研究.pdf

, i - p e g 2 0 0 0 图像的选择性加密算法研究 专业名称：信号与信息处理 硕士生：王燕 指导教师：方艳梅副教授 摘要 随着计算机的普及以及互联网技术的飞速发展，信息安全问题引起了人们越 来越多的注意，于是，对于多媒体信息，如常用的图像信息，对图像内容的有效 加密和保护也显得越来越重要。许多典型的图像加密技术都是通过对传输图像的 像素直接进行置乱来达到加密效果的，然而这类加密技术忽略了图像格式的特 点，具有一定的局限性，因此，在实际应用中需要一种专门针对图像数据结构的 图像加密算法。 针对j p e g 2 0 0 0 数据结构的特殊性，本文研究了j p e g 2 0 0 0 图像加密算法。 通过分析研究j p e g 2 0 0 0 图像编码过程和传统的数字图像加密算法，找到了衡量 优秀的j p e g 2 0 0 0 图像加密算法的标准，它们是实时性好，安全性高，对压缩比 影响小及加密效果好。基于此，本论文给出了两种基于j p e g 2 0 0 0 的图像选择加 密算法。 本论文首先详细介绍了j p e g 2 0 0 0 的编码原理，然后深入研究了基于 j p e g 2 0 0 0 的用私有初始化表( p i t ，p r i v a t ei n i t i a lt a b l e ) 的加密算法，该算法首 次将加密过程嵌入到j p e g 2 0 0 0 的算术编码过程中，选择的加密对象是初始化编 码器时用到的一个初始化表，通过改变初始化表中的上下文所对应的索引来达到 加密目的，该算法加密效果较好，计算时间复杂度低，安全性也较高。随着计算 机技术的发展，对图像加密效果，加密算法的计算时间复杂度及安全性的要求越 来越高了，正是因为如此，在研究p i t 算法的过程中，得出了另一种基于 中山大学硕士学位论文j p e g 2 0 0 0 图像的选择性加密算法研究 j p e g 2 0 0 0 的图像选择性加密算法即用私有概率状态迁移表( p p s s t ，p r i v a t e p r o b a b i l i t ys t a t es h i f tt a b l e ) 的加密算法，该算法是通过改变j p e g 2 0 0 0 自适应算 术编码中采用的一个概率状态迁移表来达到加密效果的，该算法与p i t 算法类 似，加密对象都不涉及n 4 , 波系数和编码后的码流，都是在编码器编码时加密的， 该算法的一个突出的优点就是比p i t 算法的加密效果更好，另外该算法还具有时 间复杂度低及对压缩性能影响小等优点，且完全适合高压缩率的有损压缩，可以 满足版权保护等应用场合的需要。 关键字：j p e g 2 0 0 0 标准，小波系数，加密，算术编码器 r e s e a r c ho 玎t h es e l e c t i v ee n c r y p t i o n a l g o r i t h mo f j p e g 2 0 0 0 i m a g e s m a jo r ：s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g n a m e ：w a n gy a n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rf a n gy a n m e i a b s t r a c t w i t ht h e p o p u l a r i z a t i o no fp e r s o n a lc o m p u t e ra n dt h ed e v e l o p m e n to ft h e i n t e r n e tt e c h n o l o g y , i n f o r m a t i o ns e c u r i t yi sp a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt o s o ，f o r t h em u l t i m e d i a , e s p e c i a l l yf o rt h ei m a g e s ，m a n yt y p i c a li m a g ee n c r y p t i o nt e c h n i q u e s a r et oc o n f u s et h et r a n s m i t t e di m a g ei t s e l ft oa c h i e v ee n c r y p t i n gt h ei m a g e h o w e v e r , t h e yh a v es o m el i m i t a t i o nf o rt h er e a s o nt h a tt h e yn e g l e c tt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e i m a g ef o r m a t s ot h ee n c r y p t i o na l g o r i t h m sa r en e e d e df o rs o m ei m a g e so fs o m ek i n d o fd a t as t r u c t u r ei na p p l i c a t i o n f o c u s i n go nt h ef e a t u r eo ft h ej p e g 2 0 0 0d a t as t r u c t u r e ，t h i sp a p e rd i ds o m e r e s e a r c ho nt h ee n c r y p t i o na l g o r i t h m sf o rj p e g 2 0 0 0 b ya n a l y z i n gj p e g 2 0 0 0 e n c o d i n gp r o c e s sa n dt h ee x i s t i n gi m a g ee n c r y p t i o na l g o r i t h m s ，t h es t a n d a r d so f b a l a n c i n ga ne x c e l l e n te n c r y p t i o na l g o r i t h mw e r ef o u n d t h e ya r eg o o dr e a l t i m e ， h i g hs e c u r i t y , l i t t l ei m p a c to n t h ec o m p r e s s i o nr a t i oa n dg o o de n c r y p t i o ne f f e c t s ot h e p a p e rg i v e st w os e l e c t i v ee n c r y p t i o na l g o r i t h m sb a s e d o nj p e g 2 0 0 0 f i r s t l y ，t h ee n c o d i n gp r i n c i p l eo fj p e g 2 0 0 0i si n t r o d u c e di nd e t a i l ，t h e n ，w ed o d e e pr e s e a r c ho nt h es e l e c t i v ee n c r y p t i o na l g o r i t h mf o rj p e g 2 0 0 0i m a g e su s i n g p r i v a t ei n i t i a lt a b l e ( p i t ) i ti st h ef i r s tt i m et h a tt h i sa l g o r i t h me n c r y p t st h ei m a g e si n t h ee n c o d i n gp r o c e s so fj p e g 2 0 0 0 ，a n di t se n c r y p t i o no b j e c ti st h ei n i t i a lt a b l eu s e di n t h ei n i t i a le n c o d e r i te n c r y p t st h ei m a g e sb yc h a n g i n gt h ei n d e xf o rt h ec o n t e x t si nt h e i i i 中山大学硕士学位论文j p e g 2 0 0 0 图像的选择性加密算法研究 i n i t i a lt a b l e i th a sg o o de n c r y p t i o ne f f e c t ，l o wc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t ya n dh i g h s e c u r i t y a st h ec o m p u t e rt e c h n o l o g yd e v e l o p s ，t h er e q u i r e m e n t sf o rt h ee n c r y p t i o n e f f e c t ，t h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t ya n ds e c u r i t yb e c o m eh i g h e ra n dh i g h e r s o d u r i n gt h er e s e a r c hp r o c e s so fp i t ，t h es e l e i ：t i v ee n c r y p t i o na l g o r i t h mb a s e do n j p e g 2 0 0 0i sp r o p o s e d i ti sc a l l e dt h ee n c r y p t i o na l g o r i t h mu s i n gp r i v a t ep r o b a b i l i t y s t a t es h i f tt a b l e ( p p s s t ) i te n c r y p t st h ei m a g e sb yc h a n g i n gap r o b a b i l i t ys t a t es h i f t t a b l eu s e di nt h ea u t o - a d a p t i v ea r i t h m e t i ce n c o d e rf o rj p e g 2 0 0 0 i ti ss i m i l a rt op i t t h e i re n c r y p t i o no b j e c t sa r e a ti n v o l v e dw i t ht h ew a v e l e tc o e f f i c i e n t sa n dt h e c o d e s t r e a m s ，a n dt h e ye n c r y p tt h ei m a g e sw h e nt h ee n c c i d e ri s e n c o d i n g t h i s a l g o r i t h mh a sao u t s t a n d i n ga d v a n t a g et h a ti th a sb e r e re n c r y p t i o ne f f e c tt h a np i t a n di th a sl o wc o m p u t a t i o n a l c o m p l e x i t ya n ds m a l li m p a c t o nc o m p r e s s i o n c a p a b i l i t y ，a n di t i st o t a l l ys u i t a b l ef o rt h el o s s yc o m p r e s s i o no fh i g hc o m p r e s s i o n r a t i o t h i sm e t h o dm e e t st h en e e d si ns o m eu s e f u ls i t u a t i o n ss u c ha st h ec o p y d g h t p r o t e c t i o n k e yw o r d s ：j p e g 2 0 0 0s t a n d a r d ，w a v e l e tc o e f f i c i e n t ，e n c r y p t i o n ，a r i t h m e t i ce n c o d e r i v 插图 图2 1j p e g 2 0 0 0 编码系统的基本框图7 图2 2 分解层次为2 时的二维空间子带分裂9 图2 3 渐进解码l l 图2 4 码流结构框图1 2 图3 1 用于确定上下文的领域系数1 4 图3 2l e n a b m p 1 9 图3 3 对不同的子带进行加密后的图像2 0 图3 - 4 从高位平面到低位平面进行加密后的图像2 l 图3 5 对感兴趣区域加密后的图像2 1 图4 1m p s 编码与l p s 编码2 4 图4 2j p e g 2 0 0 0 加解密框图3 0 图4 3 用私有初始化表加密前后的图像3 2 图4 4 用私有概率状态迁移表加密后的图像( m 2 j p c ) 3 2 图4 5 图像加密效果比较3 3 图4 6 图像加密时间曲线图3 3 图4 7b o a t b m p 用：私有概率状态迁移表加密前后的图像3 4 图4 - 8p e p p e r s b m p ( 原始图像) 3 5 图4 - 9 有损和无损两种模式下的图像3 5 图4 1 0 有损和无损两种模式下的加密图像3 5 图4 1 1 用a r n o l d 变换加密前后的图像3 7 图4 1 2 用私有概率状态迁移表加密后的图像( b 2 j p c ) 3 7 图4 - 1 3 对码流加密后的图像( b 3 j p c ) 3 8 v i i 表格 表3 1s p 扫描与c u 扫描的上下文15 表3 2 用于极性位编码的垂直( 水平) 邻域指标。1 6 表3 3 基于垂直及水平指标的极性上下文1 6 表3 4m r 扫描中的上下文1 7 表3 5 列出上述c u 扫描的工作原理18 表3 - 6 全部上下文的初始状态18 表4 1 判决编码。2 5 表4 21 的编码2 6 表4 3o 的编码2 6 表4 4l p s 的编码2 7 表4 5m p s 的编码2 7 表4 6q e 值与概率估计过程2 8 表4 7 置乱度s ，的比较3 2 表4 8 加密前后压缩比比较3 4 表4 - 9 两种模式下置乱度s ，的比较3 6 表4 1 0 不同分解层次下s r 的比较3 6 表4 1 1 不同渐进方式下s r 的比较3 6 表4 1 2 置乱度s ，的比较3 8 i x 原创性声明 本人郑重声明：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。除文中已经注明引用的内容外，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成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人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：五燕、 日期：妒8 年上月7 日 使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学 位论文用于非赢利1 7 1 的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 他方法保存学位论文。 学位论文作者签名： 日期：砌8 年f 月 土建、 7 日 1 1 论文选题背景 第1 章绪论 随着i n t e m e t 技术与多媒体技术的飞速发展，对多媒体数据的存储也提出了 较高的要求。数字图像正逐渐成为人们进行信息交流的重要信息载体，于是，自 1 9 9 7 年起，开始了静止图像新压缩方式j p e g 2 0 0 0 的开发工作，于2 0 0 0 年1 2 月制定j p e g 2 0 0 0 图像编码系统一p a r t l ：核心编码系统【1 】。j p e g 2 0 0 0 作为j p e g ( j o i n tp h o t o g r a g h i ce x p e r t sg r o u p ) 【2 】的升级版，具有高压缩率、同时支持有损 和无损压缩、实现了渐进传输、能进行感兴趣区域编码、实现连续色调和二值图 像压缩、容错性较好等特点【3 】。这些特征使其无论是在传统的j p e g 市场( 如数 码相机、扫描仪等) 还是在新兴应用领域( 如网路传输、无线通讯、医疗影像等) 都将有着广泛的应用。 因特网的日益普及以及多媒体技术的飞速发展，使人们可以很方便地发布、 获取、传播各种多媒体信息，如图像、视频、音频等，极大地提高了人与人之间 交流的深度与广度。这些多媒体在给人们带来方便、快捷的同时，也带来了一些 负面问题，在网络传输过程中，多媒体数据有可能被恶意破坏或非法篡改从而导 致严重的后果，这使得对数字媒体的保护问题越来越重要了。 对于数字图像，有两种有效的保护技术，其一是近年来发展起来的数字水印 技术【4 。通过在数字图像中嵌入一定的数字水印信息可以较为有效地起到数字 图像版权保护作用，但这样的方法并不改变图像的可见性，因而对需要保密通信 的应用场合并不适用。其二是图像加密技术 5 】，通过图像加密操作后，原来的 数字图像变为不可识别的( 对于未授权者) 类似于信道噪声的信息，使其在视觉效 果上不包含任何有意义的内容，因而可以有效地保护传输的图像数据。随着人们 对知识产权的重视，可以预见图像加密技术将会有广阔的应用前景。 中山大学硕士学位论文j p e g 2 0 0 0 图像的选择性加密算法研究 1 2国内外研究现状 图像的置乱技术可作为一种常见的图像加密方法，已有很多文献提出了图像 置乱的方法。文献【6 9 】提出了a r n o l d 变换，文献【1 0 】提出了f i b o n a c c i 变换，文 献 11 】提出了f i b o n a c c i - q 变换，文献 1 2 】提出了基于混沌序列的排列变换。经典 的a r n o l d 变换算法固定，要达到满意的置乱效果需经过多次迭代，且由于置乱 算法本身具有周期性 7 】，所以用于加密图像有一定的局限性，f i b o n a c c i 变换仅 是a r n o l d 变换的一种特殊情况。这些置乱变换置乱图像后的视觉效果各不相同， 但计算时间复杂度基本一样，都较高。文献【1 3 1 4 】提出了骑士巡游变换，骑士巡 游虽置乱方式多、时间快、求逆置换方便，但要经大量的迭代次数才能达到满意 的置乱效果。文献 1 5 】提出了基于仿射变换的数字图像置乱技术。为了提高图像 置乱后的保密性，使合法的用户可以更多地自由选择密钥，受可逆线性变换整型 化思想的启发 16 】，文献 1 7 提出了一种新的置乱变换一有限整数域上的拟 l o g i s t i c 映射。另外许多学者还提出了基于幻方 1 8 、h i l l ：，e r r 曲线 1 9 】、g r a y 码 变换 2 0 】、广义g r a y 码变换 2 1 】、l o g i s t i c 映射 2 2 1 、生命游戏 2 3 】等的数字图像 置乱方法。 以上方法都可用于置乱未压缩的原始图像数据或j p e g 2 0 0 0 的小波系数以达 到加密效果。目前有三种通过置乱小波系数加密图像的方法，一种是c w w ( c o n f u s i o no fw a v e l e tc o e f f i c i e n t so nt h ew h o l ei m a g e ) 是在整幅图像范围内对 小波系数进行置乱 2 4 】。该方法的优点是安全性好，但在整个范围内置乱小波系 数必然有高低频系数之间的迁移，高频系数迁移到低频带，会严重影响编码效率， 而低频系数迁移到高频带，也必然会导致量化误差，严重影响解码图像的质量， 甚至还会造成比特溢出而无法使编码过程继续下去，总之，c w w 对压缩能力影 响极大，无法进行有损压缩图像的加密。一种是c w f ( c o n f u s i o no fw a v e l e t c o e f f i c i e n t so nt h es u b b a n d si nf r e q u e n c yd o m a i n ) 是在每个子带内对子带范围内 的小波系数进行置乱 2 4 】。该方法的优点是克服了c w w 的缺点，由于所有小波 系数都在本子带内被置乱，从而不会发生高低频系数之间的迁移，从理论上说可 支持一定压缩率范围内的有损压缩图像的加密。但该方法仍然存在一些问题，主 要表现在：( 1 ) 破坏了小波变换多尺度分解树型结构，从而严重影响编码效率和 2 第一章绪论 可压缩性。( 2 ) 计算量太大，这对于实时编解码来说是无法容忍的。( 3 ) 在某些 方面与现有j p e g 2 0 0 0 标准不兼容，无法实现基于感兴趣区域编码( r o i ，r e g i o n o fi n t e r e s t ) 3 ，2 5 等特性。针对以上两种小波系数置乱方法的不足，文献【2 4 在 c w f 算法基础上提出了一种新的基于小波多尺度分解特性的小波置乱算法 o c w f ( o p t i m i z e dc o n f u s i o no fw a v e l e tc o e f f i c i e n t so nt h es u b b a n d si nf r e q u e n c y d o m a i n ) 。该方法的主要思路是先将小波边带分块，然后用骑士巡游算法 1 3 1 4 】 随机生成的置乱表对边带块进行置乱，另外，由于小波系数的符号位对图像视觉 效果影响最大，所以在它还采用了符号加密的方法。该算法保证了置乱时不发生 高低频系数间迁移的同时，还保证了小波的多尺度分解树型结构不被破坏，另外， 通过适当地减少对很多为零值的高频系数的置乱程度，大大降低密钥开销和计算 量。 以上的那些置乱未压缩的原始图像数据或小波系数方法都会引起原始图像 的统计特性以及结构特性的改变，从而会减小压缩率，并且其计算时间复杂度是 很高的。另外，早期国内外对j p e g 2 0 0 0 图像加密主要是采用传统的加密方法， 如d e s ( d a t ee n c r y p t i o ns t a n d a r d ) 和a e s ( a d v a n c e de n c r y p t i o ns t a n d a r d ) 等 直接对全部小波系数或者有选择性地对低频小波系数进行加密，从而达到加密图 像的作用，但传统的加密方法会改变每个小波系数的值，完全破坏t 4 , 波系数的 能量分布和相关性，从而大大降低可压缩性 2 4 】。所以文献 2 6 3 2 提出了一类对 j p e g 2 0 0 0 码流部分进行加密的算法，虽然该类方法能相对减小计算时间复杂度， 但由于其代码数据里的头标记取值范围为 0 x f f 9 0 ，0 x f f f f 】，加密后的数据应不 在此范围，所以该种方法很容易破坏其码流语法，则会导致不能正确解码。为了 解决以上两种方法的不足，文献 3 3 1 提出了一种新的加密算法，在j p e g 2 0 0 0 初 始化算术编码器时该文采用了一个私有初始化表以达到加密效果，该算法是对称 加密算法，加密效果较好，计算时间复杂度较低，安全性也较高。 随着计算机技术的发展，对图像加密后效果，加密算法的计算时间复杂度及 安全性的要求越来越高了，所以图像加密技术还在不断研究过程中。 1 3 本文所研究的课题 中山大学硕士学位论文 j p e g 2 0 0 0 图像的选择性加密算法研究 本文所研究的课题为基于j p e g 2 0 0 0 的数字图像选择性加密算法，针对 j p e g 2 0 0 0 数据结构的特殊性，如何加密实时传送的j p e g 2 0 0 0 图像是我们研究 的方向，图像加密效果好、计算时间复杂度低、安全性高以及对图像压缩性能影 响小是本论文的研究目标。在此，我们将加密图像的关键部分数据的加密算法称 为选择性加密算法。 j p e g 2 0 0 0 格式的图像数据具备不同于普通格式图像数据的特性，如编码结 构，大数据量及严格的实时性要求。因而优秀的j p e g 2 0 0 0 加密算法必须具备实 时性好，安全性高，压缩比不减小的特点 3 4 】。针对上述问题，将传统的加密算 法或置乱加密算法与j p e g 2 0 0 0 的编码结合起来将不是一种很好的解决方案。而 在初始化算术编码器时用私有初始化表加密的方法 3 3 1 是一种比较好的解决方 案，基于此提出了本论文的研究方法和思想，即私有概率状态迁移表加密算法。 选取合适的图像数据为加密对象，引入适当的加密算法，在不增加口e g 2 0 0 0 编解码器负载及系统延时的前提下，提供一种较为完善的数字图像加解密解决方 案将是本文研究工作的重点。 本文内容安排如下：第一章为绪论，先对论文选题背景及国内外研究现状进 行介绍，然后给出了本论文的研究课题；第二章介绍j - p e g 2 0 0 0 标准；第三章介 绍了用私有初始化表的加密算法( p i t ) ；第四章给出了本文所提出的用私有概 率状态迁移表的加密算法( p p s s t ) ，并由实验结果进行验证，表明本算法的创 新；第五章对本论文的研究工作进行了总结，并对下一步的研究作了展望。 4 2 1 引言 第2 章j p e g 2 0 0 0 标准 图像压缩的效果及编解码的时耗，直接决定了网络提供图像时的服务质量 ( q o s ，q u a l i t yo f s e r v i c e ) 。同时，用户在获取图像时，也会有各自不同的要求， 不顾实际的应用需求而一律传输完整的码流必将造成资源的极大浪费。众所周 知，图像压缩的标准方式有以静止图像为对象的j p e g 和以运动图像为对象的 m p e g ( m o v i n g p i c t u r ee x p e r t sg r o u p ) ，但j p e g 突出的问题是在低比特率编码 时会出产生块状编码失真 3 ，于是国际标准化组织( i s o ，i n t e m a t i o n a l o r g a n i z a t i o nf o rs t a n d a r d i z a t i o n ) 编订了新一代静止图像的压缩标准j p e g 2 0 0 0 ， 作为原有j p e g 压缩标准的补充和延续。本章将详细介绍j p e g 2 0 0 0 新的性能、 关键技术及应用领域。 2 2 j p e g 2 0 0 0 概述 从1 9 9 7 年3 月开始征集相关方案以来，国际标准化组织( i s o ) 和国际电子技 术委员会( i e c ，i n t e r n a t i o n a le l e c t r i c a lc o m m i s s i o n ) 的联合小组( i s o i e c j t c i s c 2 9 w g i ，即j p e g ) 一直致力于j p e g 2 0 0 0 标准的研究和制定。2 0 0 1 年3 月，国际标准化组织( i s o ) 在新加坡会议上发布j p e g 2 0 0 0 第1 部分 3 4 。 作为新一代静止图像压缩的国际标准，j p e g 2 0 0 0 在许多方面都具有原有 j p e g 标准无法比拟的优异性能和特点。它吸收了近年来图像编码发展的一些最 新成果，采用离散小波变换( d w t ，d i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r m a t i o n ) 与内嵌编 码的全新方案。离散小波变换利用了频率成分的不平衡度，通过在空间反复进行 变换分辨率处理，能易于生成多种空间分辨率图像( 分辨率可伸缩性) 。内嵌编 码以位平面对图像信息进行分层后编码，可得到按解码的比特数量设置的可逆质 中山大学硕士学位论文j p e g 2 0 0 0 图像的选择性加密算法研究 量上限值再现图像。这样一来，图像压缩效率更高，重建图像质量更好，这一特 性在大幅图像低比特率压缩时尤为明显。另外，内嵌编码技术还支持图像质量、 分辨率、分量及空间位置的渐进解码。此外j p e g 2 0 0 0 还具有以下新的特性 3 】： ( 1 ) 支持对连续色调和二值图像的压缩；( 2 ) 既能实现有损压缩又能实现无损 压缩；( 3 ) 能进行感兴趣区域( r o i ) 的编码；( 4 ) 具有较好的抗误差性能( e r r o r r e s i l i e n c e ) 。 j p e g 2 0 0 0 通常指包含所有部分的标准，目前共有七部分分别对j p e g 2 0 0 0 的不同方面进行描述，但截止到现在只有第一部分被通过成为国际标准( i s ： i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d ) ，其他部分还在进一步的讨论和确定中。j p e g 2 0 0 0 中的七 部分包括【3 】：( 1 ) 核心编码系统，规定了实现具备j p e g 2 0 0 0 功能基本部分的 c o d e c ；( 2 ) 扩展，规定了为应用核心编码系统无法对应的功能扩展；( 3 ) 运 动j p e g 2 0 0 0 ，规定了以帧内编码形式将j p e g 2 0 0 0 用于运动图像压缩的扩展；( 4 ) 依据性测试，规定了用于依据性测试的规程；( 5 ) 参考软件，提供实现标准参考 的样本软件；( 6 ) 混合图像文件格式，规定了以图形文字混合图像为对象的代码 格式；( 7 ) 技术报告，介绍实现( 1 ) 所需的最小环境。 2 3j p e g 2 0 0 0 的应用 由于j p e g 2 0 0 0 具有优良的特性，尤其是具有良好的低比特压缩性能， j p e g 2 0 0 0 格式的图像压缩比可在现在的j p e g 基础上再提高l o - 3 0 。另外， j p e g 2 0 0 0 的感兴趣区域( r o i ) 编码机制 3 ，2 5 将一特定的图像区域编码条件中 的优先级比其他图像区域( 例如背景) 设置得高一些，可以相对地提高图像质量， 并且在渐进传送时更早一点优先传送，以达到高画质，从而节省了网络带宽加快 了传输速度。且由于采用了具有良好空频分解特性的小波变换、基于块的嵌入式 位平面的编码方式和灵活的位流装配方式，使得我们能够不用完全解码而直接从 压缩码流中获取对应于特定空间区域的部分图像的位流，进行所需要的各种操 作。在显示图像时，它可以先传输图像的轮廓，然后逐步传输数据，不断提高图 像质量，让图像由朦胧到清晰显示，而不必像j p e g 那样，由上到下慢慢显示。 基于以上这些优点，因此，j p e g 2 0 0 0 自发布以来己经引起了越来越多的关注。 6 第二章j p e g 2 0 0 0 标准 使得j p e g 2 0 0 0 在因特网、移动通信、打印、扫描、数字摄像、遥感、传真、医 疗、数字图书馆以及电子商务等方面都有很大应用【3 5 。 2 4 j p e g 2 0 0 0 编码过程 图2 - 1 描绘了j p e g 2 0 0 0 规定的编码系统的基本框图【3 ，其解码过程相对比 较简单，根据压缩码流中存储的参数，对应于编码器各部分进行逆向操作，输出 重构图像数据。 原始图 像数据 压缩码流 图2 1j p e g 2 0 0 0 编码系统的基本框图 这里介绍一下j p e g 2 0 0 0 对一l 幅图像进行处理的整个流程。如原始图像是由 多个分量组成的，则将其按其分量分解为几个单分量图，在编码系统可用的存储 量不足但又要处理大图像的情况下，可以将分量图分解成若干个填充块( t i l e ) ， 若图像不是很大，可将整幅图看成一个填充块。于是，填充分量( t i l e - c o m p o n e n t ) 就成为原始图像或重建图像的基本单元。因此小波变换的输入信号就是完整的一 个填充分量，这样能够保证至少在一个片的范围内不会出现如j p e g 中的分块离 散余弦变换( d c t ) 带来的块状效应 3 】。各个填充分量经小波变换后被划分为 多个分解层( d e c o m p o s i t i o nl e v e l ) ，每个分解层由若干个子带组成，各子带系 数描述的是该填充分量的频域特性，接着对子带系数进行量化，并划分成较小的 “代码块”( c o d eb l o c k ) 的矩形阵列，代码块是以后熵编码的基本单位。代码块 内的子带系数按其最高有效位( m s b ，m o s ts i g n i f i c a n tb i t ) 到最低有效位( l s b ， l e a s ts i g n i f i c a n tb i t ) 顺序进行系数比特的熵编码，生成比特流。为了使解码器 7 中山大学硕士学位论文j p e g 2 0 0 0 图像的选择性加密算法研究 能够从码流的内容知道编码器的编码条件以及生成什么样的码流，为此，将标记 ( m a r k e r ) 和标记段( m a r k e rs e g m e n t ) 置于码流内，以便给数据断句和传送编 码参数。 下面将依次对各个模块进行介绍。 2 4 1 预处理 预处理过程包括分块、直流偏移及分量变换( 可选) 。四e g 2 0 0 0 的处理对象 不是整幅图像，而是在编码前，把原始图像划分成互不重叠的填充块( t i l e ) ， 则填充块就是编码器的处理单元，这样可以减少压缩图像所需要的存储量，并且 还可用于感兴趣区域( r o i ) 编码 3 。直流偏移可以使样本的动态范围基本关于 零对称，使在进行离散小波变换后的系数的动态范围不会过大，有利于编码。对 于图像的无符号分量要进行直流偏移，而如果图像分量是有符号的，则无需直流 偏移。若无符号图像分量用p ( p 表示象素值的位精度) 位二进制数表示，则需 1 将这些无符号分量的样本值减去2 r1 变成带符号数，这就是对输入数据的直流 偏移。某些类型的图像具有多个分量，如r g b 图像。不同分量之间会有一定的 相关性，为了减少分量间的相关以提高压缩性能，标准中采用了去相关的分量变 换，分别为可逆分量变换( r c t ，r e v e r s i b l ec o m p o n e n t i y a n s f o r m a t i o n ) 和不可 逆分量变换( i c t ，i r r e v e r s i b l ec o m p o n e n tt r a n s f o r m a t i o n ) 。可逆分量变换既可用 于无损编码又可用于有损编码，但不可逆分量变换则只能用于有损编码。 2 4 2 离散小波变换 对每个填充分量进行m a l l a t 塔式小波分解，根据不同的需要来确定小波分解 层次。j p e g 2 0 0 0 采用了两种小波滤波器组，一种是l eg a l l 5 3 滤波器，它实现 可逆变换，其特征是变换系数为整数，对变换后的系数通过舍入处理整数化，它 适用于有损压缩和无损压缩；另一种是d u a b e c h i e s 9 7 滤波器，它实现不可逆变 换，其特征是变换系数为实数，不对变换后的系数做舍入处理，它适用于有损压 8 第二章j p e g 2 0 0 0 标准 缩 3 】。通过小波变换可生成减少了水平方向和垂直方向分辨率的多子带信号， 图2 - 2 示出了分解层次为2 时的二维空间子带分裂。l l 子带保持原始图像信息 内容信息，图像的能量集中于此频带；h l 子带保持了图像水平方向上的高频边 缘信息；l h 子带保持了图像竖直方向上的高频边缘信息：h h 子带保持了图像 在对角线方向上的高频信息。对图像序列的二维小波变换可以通过先对垂直序列 后对水平序列进行一维小波变换来实现。一维小波变换将一维数据通过低通和高 通滤波器生成两个子集数据，低通子集数据是原始数据在的近似，而高通子集数 据表示的是由低通子集重建原始数据时所需的细节信息。 2 4 3 量化 图2 2 分解层次为2 时的二维空间子带分裂 2 l l 2 h l 2 l h 2 h h 小波变换本身并不直接引起比特率的减少，只是为减少比特率提供条件，它 的作用是是图像能量重新分布。变换后，图像的能量注要集中在低频区，而水平、 垂直和对角线部分的高频能量相对较小，因此，它必须与量化技术结合才能达到 压缩目的。量化是通过降低整数的精度来减少存储整数值所需位数的过程。在采 用了可逆分量变换和可逆小波变换的可逆编码方面，因变换系数是整数值，故不 进行量化，即量化步长为1 。对于不可逆压缩，在小波正变换之后，其系数按公 式2 - 1 进行量化【3 】。 驰归讹m i 掣l ， 式中，b 为子带b 的量化步长，s i g n ( x ) 为x 的极性。 9 中山大学硕士学位论文 j p e g 2 0 0 0 图像的选择性加密算法研究 ， 根据人类视觉生理和心理特点在不影响视觉效果的前提下，通过适当的量化 减小系数的精度进一步提高图像的压缩比，量化的关键是根据变换后的图像系数 特征、重构图像质量要求等因素设计合理的量化步长，虽然量化步长在每个子带 可以具有不同的值，但在各个子带内部却是一个固定值。 2 4 4 系数位建模及算术编码 图像经过小波变换和量化后，在一定程度上减少了空域和频域上的冗余度， 但在统计意义上这些数据仍然存在一定的相关性，为此，采用了算术编码来消除 数据间的统计相关。 开e g 2 0 0 0 编码系统首先将量化后的子带划分成若干个代码块，代码块的水 平方向大小和垂直方向大小分别被限制在2 2 2 1 0 范围内，且一个代码块所含子 带系数的个数在4 0 9 6 以内。然后对每一个代码块中的小波变换系数按从最高到 最低位平面的顺序展开，对于每个位平面，在垂直方向上以四位汇集成一个单位 进行光栅扫描编码。每个位平面的算术编码过程使用了三个编码通道，它们是有 效传播( s p ，s i g n i f i c a n c ep r o p a g a t i o n ) 通道、量级细化( m r ，m a g n i t u d er e f i n e m e n t ) 通道和净化( c u ，c l e a n u p ) 通道【3 】。 若在系数的高位位平面上是“1 ”的比特已编码完毕，则表示该系数是有效 的，相反，则该系数不是有效的。在编码开始，所有系数均是无效的，具有非零 元素的第一个位平面只用净化编码，其后的每个位平面都用到三个编码。在将位 平面展开后的小波系数分成三个编码扫描后进行编码时，必须判决某系数位的值 属于哪一个编码扫描，且为了便于下一步的算术编码，必须提供关于该系数周围 八个相邻系数的有效性状态信息，实现这种功能的过程就是系数位建模。 在每一个编码通道中，位平面被扫描一次，扫描得到的位及其上下文信息被 送到一个自适应算术编码器中生成该通道对应的位流。 2 4 5 码流组织 当所有代码块编码结束后，得到了一系列嵌入式的压缩码流。然后根据率失 l o 第二章j p e g 2 0 0 0 标准 真优化原则，将所有码块的压缩码流适当截取，组织成具有不同质量级的压缩码 流层，每一层上的压缩位流连通其前面的所有层的压缩码流可重构出一定质量的 图像，这种码流可以很好地实现质量渐进的解码；图像采用小波变换使整幅图像 压缩码流具有分辨率可伸缩性，因此这种码流可以很好地实现分辨率渐进的解 码；另外，由于对码块进行独立编码，因此可根据需要随机获取并解码相应的码 块压缩码流，重构出所需的图像区域，因此这种码流可以很好地实现区域渐进的 解码。如图2 3a ) ，b ) ，