基于空间扰乱技术的、与JPEG XS兼容的图像加密与压缩方案设计

《Microelectronics Journal》：Design of image encryption and compression scheme compatible with JPEG XS based on spatial scrambling

分块加密与颜色空间混合加密的JPEG XS兼容图像安全压缩方案

　　

杨一忠|郑俊豪|张晓迪|张张

合肥工业大学微电子学院，中国合肥，230009

摘要

图像加密算法用于确保图像的安全性和保密性。许多现有研究更侧重于加密栅格图像，而对压缩图像的加密研究较少。本文提出了一种基于JPEG XS标准的混合图像加密和压缩方案，该方案在兼容JPEG XS压缩标准的同时，整合了加密和压缩技术。首先，输入图像在最小编码单元上进行行和列混淆处理；接着对不同的编码单元应用颜色空间混淆；最后在小波变换之前对系数进行混沌混淆和符号翻转。尽管引入了加密机制，但仍在相同比特率下对不同大小的图像进行了仿真测试。实验结果表明，所提出的方案性能与JPEG XS压缩标准相当，PSNR差异在3 dB以内，SSIM差异在7%以内。此外，该方案已被验证能够抵抗暴力攻击和差分密码分析。

引言

随着视频采集和显示技术的快速发展，以及4K/8K超高清视频、虚拟现实和增强现实应用的广泛采用，全球视频数据量呈指数级增长。然而，视频传输链路和通信基础设施的升级速度落后于数据的爆炸性增长，高带宽通道的部署成本仍然较高。因此，高效的视频压缩算法已成为平衡带宽需求和传输质量的关键技术手段。同时，视频数据在传输和存储过程中的安全性问题日益突出。因此，如何在保持压缩效率的同时确保数据安全已成为图像处理领域的研究热点之一。

JPEG XS压缩标准于2019年作为ISO/IEC国际标准建立，是一种低延迟、轻量级、视觉上无损的图像压缩编解码器[1]。其核心优势在于将每一帧视为独立的静态图像，这不仅适用于实时视频流，还避免了帧间预测造成的累积延迟。然而，JPEG XS标准在数据安全方面的支持有限，难以满足保护隐私和机密信息的要求。

为满足压缩和安全的双重需求，学术界提出了多种混合图像压缩-加密技术。其核心思想是将加密操作嵌入压缩过程中以实现效率和安全性。现有技术可分为三类：先加密后压缩（ETC）[2]、先压缩后加密（CTE）[3]和联合图像加密与压缩（JIEC）[4]。ETC技术通常独立执行加密和压缩，即在压缩前进行加密，在解密后进行解压缩，从而允许通过不受信任的渠道安全传输加密的原始图像。CTE技术也独立操作，在压缩后进行加密，在解压缩前进行解密。JIEC技术同时执行图像压缩和加密，通常将这两种操作集成在一起，将加密嵌入图像压缩过程中，从而在保证图像内容安全的同时实现压缩。

当前的研究提出了多种图像数据加密算法，包括高级加密标准（AES）[5]、非对称加密算法（Rivest-Shamir-Adleman, RSA）[6]和数据加密标准（DES）[7]。参考文献[8,9]介绍了基于逻辑映射的图像加密算法[10]，利用参数和状态变量之间的相互作用，并采用正弦函数作为反馈机制来破坏状态空间，减轻数字混沌系统的动态退化。Wang等人[11]提出了一种卷积神经网络机器学习算法，用于压缩前后的图像采样和重建。Wang等人[12]提出了一种结合2D映射和压缩感知的CTE技术。Li等人[13]提出了一种与明文相关的JPEG图像加密方案，将密钥信息安全地嵌入图像本身，无需传输额外数据，同时保持格式兼容性和强安全性。Okawa等人[14]提出了一种适用于JPEG XL的加密方法，该方法在编码过程中随机改变DCT系数的符号。Liu等人[15]提出了一种基于新型混沌系统的联合基线JPEG压缩和加密方案，在DPCM之前引入扫描排列以节省文件空间，并对DC系数进行组间交叉排列，对AC系数进行块间排列以改变块特征。同时，Huang等人[16]对AC和DC系数的熵编码部分引入了排列和加密。Li等人[17]开发了一种与基线JPEG兼容的压缩-加密算法，在16×16块的基线JPEG变换和量化阶段进行加密。为了解决大块尺寸的限制，Li等人[18]提出了一种新的块划分策略，将图像划分为8×8和16×16块分别进行DCT变换。Shimizu等人[19]建议修改DC和AC系数，并选择性地隐藏图像中的数据。Wang等人[20]提出了一种DC系数预测后进行误差平均和块排列的方法，排除了DC系数。Alexan等人[21]提出了一种基于高吞吐量FPGA的图像加密算法，采用三个混沌系统来增强安全性，密钥空间为2^3454，具有很强的抗差分攻击能力。Li等人[22]提出了一种基于洗牌的图像加密算法，包括三个阶段（翻转、块洗牌和位级排列）。Youssef等人[23]将多张图像合并成一张增强图像以抵抗流量分析，采用超混沌系统、SVD、RC5操作、排列和自定义S-box来实现强混淆和扩散。Puchala等人[24]提出了一种通过密钥驱动的离散参数变换进行预压缩加密的方法，确保压缩效率不受影响。Alexan等人[25]提出了一种并行多图像加密算法，将图像合并成3D立方体，并使用来自超混沌系统和Mersenne Twister的密钥与RGB和空间轴进行XOR操作，以及通过六个新型S-box进行非线性替换。Yildirim等人[26]提出了一种基于DNA编码的图像加密方法，使用忆阻混沌神经元模型。该方案采用循环移位和XOR操作进行扩散和混淆，表现出对统计和差分攻击的鲁棒性。

大多数现有的基于块的加密算法与JPEG XS压缩标准不兼容。本文提出了一种与JPEG XS标准兼容的混合加密-压缩方案，在保持与非加密JPEG XS相似性能的同时，增强了隐私保护。

方案概述

提出的方案

所提出的加密方案基于空间混淆，并与JPEG XS标准兼容，主要包括四个部分：行混淆、列混淆、颜色空间混淆以及空间域中的预DWT系数加密。具体操作步骤如下：（1）对于一个尺寸为W×H、深度为24位的RGB图像I，首先将其分离成三个颜色通道。

实验结果与分析

本节评估了所提方案在视觉安全性、压缩性和密码安全性方面的性能。实验使用了USC-SIPI图像数据库（http://sipi.usc.edu/database）、UCID图像数据库（包含1338张未压缩图像）[27]，以及Kodak数据集（https://r0k.us/graphics/kodak）和Pixabay网站的数据（https://pixabay.com/ja/service/terms/）。仿真环境配置了64位操作系统

结论

本文提出了一种基于JPEG XS标准的联合图像压缩和加密方案，旨在在保持与JPEG XS压缩标准兼容性的同时，实现高效的图像安全保护。该方案通过多层次混淆机制（包括行混淆、列混淆、颜色通道混淆和符号翻转）以及映射算法和混沌加密算法来增强图像安全性。混淆后的图像PSNR值较低

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。