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基于CCSDSIDC和SMS4的联合信源与信息安全编译码方法

阅读：1003发布：2020-06-17

专利汇可以提供基于CCSDSIDC和SMS4的联合信源与信息安全编译码方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及通信编码领域的一种联合信源与信息安全编译码方法。为了解决现有的信源编码和信息安全独立编译码中存在的计算复杂度高以及安全性等问题，本发明提出了一种基于CCSDS IDC的联合信源与信息安全编译码方法。该方法将输入的原始图像进行三级二维离散小波变换，将图像分为直流系数和交流系数，直流系数量化后进行SMS4分组密钥算法控制下的随机算术编码，用于打乱符号的编码区间，在完成数据压缩的同时实现了数据的加密；交流系数进行位平面编码后则进行序列加密；译码则是编码的逆过程。该方法降低了计算复杂度，同时能提供良好的安全性，适用于资源受限的深空网络中的图像、视频有效性和安全性传输。，下面是基于CCSDSIDC和SMS4的联合信源与信息安全编译码方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.基于CCSDS IDC的联合信源与信息安全的编译码方法，其特征是：原始图像首先经过三级二维离散小波变换，分为直流系数和交流系数，将SMS4分组密码算法中的子密钥，作为随机序列发生器的初始化种子，通过随机序列发生器生成一个长度为N，且均匀分布的二元随机序列r1，r2，…，rN子密钥，用来控制随机算术编码中信源符号在概率分布表中的排列方式，对量化后的直流系数进行SMS4子密钥的控制下的随机算术编码，编码时有两张直流系数的信源概率分布表，它们存储相同的信源符号，只是信源符号在表中的排列顺序不同，其中一张表的信源符号按照概率从大到小顺序排列，另一张表则按概率从小到大顺序排列，编码时根据随机序列发生器生成的子密钥是“0”还是“1”随机地选择其中一张概率分布表，从而达到扰乱信源符号对应的编码区间的目的，如果随机序列发生器生成的子密钥的值为“1”，选择信源符号按照从大到小顺序排列的那张概率分布表，对基准区间进行划分，若随机序列发生器生成的子密钥的值为“0”，则选择信源符号按照从小到大顺序排列的那张概率分布表，对基准区间进行划分，在随机序列发生器生成的子密钥控制下，按照随机算术编码的规则对输入的信源符号进行编码，同时更新信源符号的信源概率分布表，一直到将所有信源符号直流系数编码结束，由于初始时，信源为等概分布，因此两种不同排列方式下的初始概率分布表均相同，交流系数则进行位平面编码后采用序列加密，生成交流系数密文，译码则是编码的逆过程。

说明书全文

基于CCSDS IDC和SMS4的联合信源与信息安全编译码方法

技术领域

[0001] 本发明涉及通信编码领域的一种联合信源与信息安全编译码方法，特别是涉及一种基于CCSDS IDC和SMS4的联合信源与信息安全编译码方法。

背景技术

[0002] 在经典的香农信息论中，信源编码和信息安全是信息科学领域中的不同的研究方向。信源编码的任务是压缩信息的冗余度，其目的是提高传输的效率；信息安全的任务则是在密钥的控制下，人为地通过扩散(置换)和扰乱(替代)的方法在要传输的数据中加入“噪声”，使其加密为窃听者难于解读的密文信息，接收者则可以通过密钥将数据正确解码，保证信息的安全传输。传统的通信系统是根据香农的分离理论，将信源编码和信息安全编码串行级联，通过将信源编码和信息安全独立编译码，数据压缩与安全分别最优化，使编译码总体性能达到最佳，如图1所示。但是在资源有限的深空通信中具有传播距离远、差错率高、计算资源和功率有限、缓存空间及处理能力受限等特点，香农分离理论成立的前提条件(码字无限长，信道特性已知)无法满足，所以分离编译码系统的性能受到了一定的限制。另外空间通信网络由于其异构结构具有很强的开放性、信道复杂、易受干扰等因素，因此空间通信的数据安全存在极大隐患。尤其是对于空间图像具有数据量大、冗余度高、像素相关性强等特点，数据量太大必然会带来加密设备的速度滞慢，进而影响整个系统的正常工作。

[0003] 针对信源编码和信息安全独立编译码的结构在资源有限的深空通信系统中性能受到限制的特点，研究者们提出了多种联合信源与安全编码方法。这些方法主要是在算术编码以及霍夫曼编码的基础上进行改善。算术编码具有良好的压缩效果，广泛应用于JPEG和H.26L等压缩标准中。在算术编码中，信源序列的概率分布表用来记录每个信源符号出现的概率，信源符号在概率分布表中的排列方式是事先确定依照概率从大到小的顺序排列的。但是算术编码并不能保证数据安全，随机算术编码则是算术编码的改进。随机算术编码是在算术编码过程中引入一个随机序列，该序列决定了信源符号在编码过程中是按照概率从大到小的顺序还是从小到大的顺序进行排列，用该随机序列变量来控制随机算术编码的区间，通过对编码区域进行随机组织，达到对编码的扰乱控制。译码器只有采取和编码器相同的概率模型和相同的信源存储方式，才能正确译码。其方法的安全性取决于随机序列的安全性，在抵抗选择性明文攻击上显得很脆弱，不能保障数据安全。

[0004] SMS4，是我国官方公布的第一个商用的分组密码算法，加密算法与密钥扩展算法均采用 32步非线性迭代结构，具有高安全性和强抗攻击能力，但分组加密算法计算量大，复杂度高，实时传输的图像数据量大，进行分组加密时，需要花费较长的时间。

[0005] 空间数据系统咨询委员会(Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS)于2005年和1999年分别标准化了图像压缩标准(Image DataCompression，IDC)和空间网络端到端系统间安全协议(Space Communication Protocol Specification-Security Protocol，SCPS-SP)。SCPS-SP是一种网络层协议，采用的是一种分组密码算法，计算复杂，不适用于资源受限网络的图像数据加密。因此CCSDS IDC标准、JPEG、H.26L标准中的算术编码和分组加密算法等将图像的压缩去冗余与数据的加密扰乱分离，使得计算复杂度高、时延大，在资源受限的深空通信等网络中难以实现图像数据压缩和加密，保障其有效性和安全性。

发明内容

[0006] 为了解决现有的信源编码和信息安全独立编译码中存在的计算复杂度高以及安全性等问题，本发明提出了一种基于CCSDS IDC和SMS4的联合信源与信息安全编译码方法。该方法设计了一种基于CCSDS IDC和SMS4的联合信源与信息安全编码的结构，提出了基于SMS4分组密码算法子密钥控制下的联合信源与安全编译码方法。

[0007] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：CCSDS IDC编码时，首先将输入的图像进行三级二维离散小波变换，将图像分为直流系数和交流系数，直流系数进行量化、交流系数进行位平面编码；将SMS4分组密码算法中的子密钥，作为随机序列发生器的初始化种子，并通过该随机序列发生器，产生一个长度为N，且均匀分布的二元随机序列r1，r2，…，rN子密钥，该序列用来控制随机算术编码中信源符号在概率分布表中的排列方式，对量化后的直流系数进行SMS4子密钥的控制下的随机算术编码。编码时有两张直流系数的信源概率分布表，它们存储相同的信源符号，只是信源符号在表中的排列顺序不同。其中一张表的信源符号按照概率从大到小顺序排列，另一张表则按概率从小到大顺序排列，编码时根据子密钥是“0”还是“1”随机地选择其中一张概率分布表，从而达到扰乱信源符号对应的编码区间的目的。如果随机序列变量的值为“1”，选择信源符号按照从大到小顺序排列的那张概率分布表，对基准区间进行划分；若随机序列变量的值为“0”，则选择信源符号按照从小到大顺序排列的那张概率分布表，对基准区间进行划分，在子密钥控制下，重复上述过程，按照随机算术编码的规则对输入的信源符号进行编码，同时更新信源符号的信源概率分布表，一直到将所有信源符号直流系数编码结束。由于初始时，信源为等概分布，因此两种不同排列方式下的初始概率分布表均相同。直流系数译码则是编码的逆过程，只有采取相同的密钥控制和相同的概率分布模型，才能正确译码。对位平面编码后的交流系数则进行序列加密，序列加密算法中的随机序列发生器产生的二元随机序列与交流系数的二进制比特流进行逐比特异或运算，得到交流密文信息；序列加密的译码则是编码的逆过程，只需将密文与解密密钥产生的随机序列再次进行逐比特异或运算，便能译码得出交流系数。

[0008] 本发明的有益效果是：采用CCSDS IDC对图像进行三级二维小波变换，对包含图像大部分能量及图像重建过程中起重要作用、数据量小的直流系数，采用SMS4分组密码算法中子密钥控制下安全性较高的随机算术编码，对包含了图像的纹理和细节信息对视觉特性影响不大、数据量大的交流系数采用处理速度较快的序列加密方法，将信源压缩与信息安全联合优化设计，实现了联合信源与安全编码。较香农分离理论下的级联式编码有效地降低了编译码的计算复杂度，提供了良好的安全性，适用于资源受限的深空网络中的图像、视频，有效性和安全性传输。附图说明

[0009] 图1.传统通信系统编码结构。

[0010] 图1中，1.信源符号，2.信源编码，3.加密编码，4.输出码流。

[0011] 图2.基于CCSDS IDC和SMS4的联合信源与信息安全编码框图。

[0012] 图2中，5.原始图像，6.离散小波变换，7.直流系数，8.交流系数，9.量化，10.位平面编码，11.SMS4算法，12.随机序列发生器，13.随机算术编码，14.直流系数密文，15.序列加密，16.交流系数密文，17.输出码流；

[0013] 在图2中5.原始图像，6.离散小波变换，7.直流系数，8.交流系数，9.量化，10.位平面编码，构成CCSDS IDC算法；

[0014] 在图2中11.SMS4算法，12.随机序列发生器，13.随机算术编码，14.直流系数密文，对量化后的直流系数在SMS4密钥的控制下，进行随机算术编码；

[0015] 在图2中11.SMS4算法，15.序列加密，16.交流系数密文，进行序列加密编码。

[0016] 在图2中17，直流系数的密文与交流系数的密文进行复用，输出码流。

具体实施方式

[0017] 1.CCSDS IDC原理

[0018] 图2中5.原始图像，6.离散小波变换，7.直流系数，8.交流系数，9.量化，10.位平面编码，构成CCSDS IDC算法；

[0019] 图2中CCSDS IDC首先利用CDF9/7小波对原始图像进行三级离散小波变换(Discrete Wavelet Transform，DWT)，小波变换后，图像系数被分为直流系数和交流系数。

[0020] 直流系数包含了图像大部分的能量及重要信息，CCSDS IDC首先对直流系数DC按照公式(1)和(2)进行量化。

[0021] q＝max(q′，Bitshift(LL3)) (1)

[0022]

[0023] 其中q表示量化因子，cN代表输入系数，c′ 1，c′2，…，c′N表示量化后系数，LL3表示经三级小波变换后的低频系数，量化因子q由直流系数DC位深(BitDepthDC)和交流系数AC位深(BitDepthAC)决定。直流系数量化后，进行随机算术编码。

[0024] 交流系数主要包含了图像的纹理和细节信息。CCSDS IDC标准建议这些交流系数与DC量化残差系数一起进行位平面编码。CCSDS IDC比特平面编码包括两方面，即AC系数比特深度编码以及AC系数比特平面编码。位平面编码需要从最重要的比特平面(MSB：Most Significant Bitplane)开始，一层一层按顺序进行，一直编码到重要级别最低的比特平面。在每个比特平面中，IDC以“树”为编码组织单元，小波系数“树”具有如下性质：当父系数在当前比特平面无效时，其儿子系数、孙子系数在当前比特平面也很有可能处于无效状态，构成一棵“零树”。利用小波系数“零树”的概念，以尽量少的码字去表示整个“树”结构，达到压缩目的。

[0025] 2.基于SMS4算法的联合信源与安全编译码方法。

[0026] 2.1基于SMS4算法的联合信源随机算术编码

[0027] 1)随机算术编码的概率模型

[0028] 图2中随机算术编码13则是在算术编码中引入一个受SMS4算法子密钥的控制下的随机序列发生器12，该随机序列发生器的输出决定了信源符号在编码过程中是按照概率从大到小的顺序还是从小到大的顺序进行排列，每编码一个符号，乱序一次，以达到对编码区间的扰乱控制，对编码数据加密。译码则是编码的逆过程。

[0029] 假定图2中9CCSDS IDC量化后的系数c′N的大小满足1≤c′ N≤M(M≤N)，即c′1，c′2，…，c′N∈[1，M]。M为直流系数量化的符号数。初始时，将1，2，…M这M个符号进行等概划分，这样得到每个符号的初始概率均为在本算法中有两张直流系数的信源概率分布表，它们存储相同的信源符号，只是信源符号在表中的排列顺序不同。其中一张表的信源符号按照概率从大到小顺序排列，另一张表则按概率从小到大顺序排列。编码时根据密钥是“0”还是“1”随机地选择其中一张概率分布表，从而达到扰乱信源符号对应的编码区间的目的。由于初始时，信源为等概分布，因此两种不同排列方式下的初始概率分布表均相同，如表1所示。

[0030] 表1信源符号初始化概率分布表

[0031]符号 1 2 … xi … M-1 M
概率 1/M 1/M … 1/M … 1/M 1/M

[0032] 2)基于SMS4算法的联合信源与安全编码过程

[0033] a)随机序列的产生方法

[0034] 图2中将SMS4算法11中得到的32个子密钥rki中的一个，作为随机序列发生器12的初始化种子。通过该随机序列发生器12，可以产生出一个长度为N，且均匀分布的二元随机序列r1，r2，…，rN子密钥。该序列用来控制随机算术编码中信源符号在概率分布表中的排列方式，SMS4算法控制产生的子密钥r1，r2，…，rN决定了随机算术编码的安全性。一般情况下，随机序列的长度N取1024，如果被编码的信源序列长度大于1024，需要对1024比特长的随机序列通过循环生成等于被编码信源长度的子密钥。同时，对不同帧图像选取不同的子密钥，进一步保障了随机算术编码的安全性。

[0035] b)直流系数的编码过程

[0036] 根据随机算术编码的概率模型，初始时，信源中的直流系数编码为等概分布，因此两种不同排列方式下的初始概率分布表均相同，如表1所示。

[0037] 如果随机序列变量的值ri为“1”，则选择信源符号按照从大到小顺序排列的那张概率分布表，对基准区间进行划分；若随机序列变量的值ri为“0”，则选择信源符号按照从小到大顺序排列的那张概率分布表，对基准区间进行划分。基于这一特点，通过对编码区间用密钥随机地选择其中一张概率分布表，每编码一个符号，乱序一次，从而达到扰乱信源符号对应的编码区间的目的。

[0038] 编码第一个直流量化系数c′1，令c′1＝xi(xi∈[1，M])，在上述随机序列r1，r2，…，rN中取r1。由于初始时的两张信源概率分布表相同，因此无论r1等于“0”或者“1”，第一个符号c′1对应的编码区间均相同。这样c′ 1编码完后对应的区间为并将其作为下一步划分的基准区间，同时更新信源符号出现的概率。由于输入的直流量化系数为c′1，所以信源符号“xi”出现的概率由变为而其它符号的概率则均变为更新后的概率分布表则由表2和表3所示。表2中信源符号按概率从大到小的顺序
排列，表3中则按从小到大的顺序排列。

[0039] 表2编码完第一个信源符号后，下一个信源符号的概率分布表(由大到小排列)[0040]符号 xi 1 … xi-1 xi+1 … M
概率 2/(M+1) 1/(M+1) … 1/(M+1) 1/(M+1) … 1/(M+1)

[0041] 表3编码完第一个信源符号后，下一个信源符号的概率分布表(由小到大排列)[0042]符号 1 … xi-1 xi+1 … M xi
概率 1/(M+1) … 1/(M+1) 1/(M+1) … 1/(M+1) 2/(M+1)

[0043] 编码下一个信源符号符号c′2。c′2＝xj(xj∈[1，M])且假定xj＞xi，在随机序列r1，r2，…，rN中取r2。如果r2＝1，将新的基准区域按照
表2中各个符号的排列顺序进行划分，得到新的基准区域也就是c′2的编码区间
否则，若r2＝0将新的基准区域
按照表3中各个符号的排列顺序进行划分，并得到此种情况下c′2的编码区间
编码完c′1，c′2后，信源符号“xi”和符号“xj”概
率为而其余符号的概率均为再次更新后的信源符号概率分布如表4和表5
所示。

[0044] 表4编码完第二个信源符号后，第三个信源符号的概率分布表(由大到小排列)[0045]符号 xi xj 1 … xi-1 … xj-1 xj+1 … M
概率 2/(M+2) 2/(M+2) 1/(M+2) … 1/(M+2) … 1/(M+2) 1/(M+2) … 1/(M+2) [0046] 表5编码完第二个符号后，第三个信源符号的信源概率分布表(由小到大排列)[0047]
符号 1 … xi-1 … xj-1 xj+1 … M 13 8
概率 1/(M+2) … 1/(M+2) … 1/(M+2) 1/(M+2) … 1/(M+2) 2/(M+2) 2/(M+2) [0048] 在子密钥控制下，重复上述过程，按照随机算术编码的规则对输入的信源符号进行编码，同时更新信源符号的信源概率分布表。一直到将所有信源符号直流系数编码完毕。

[0049] 2.2交流系数的编码过程

[0050] 图2中交流系数8经过位平面编码10后输出的二进制交流系数码流与随机序列发生器12输出的随机序列在序列加密15中进行异或运算，便得到了交流系数加密编码的密文。

[0051] 2.3基于SMS4算法的联合信源算术与安全译码

[0052] 1)直流系数译码

[0053] 直流系数译码则是编码的逆过程，只有采取和编码相同的密钥控制和相同的概率分布模型，拥有解密密钥，才能获得与编码器相同的随机序列，才能正确译码。

[0054] 译码时，首先将直流系数在SMS4子密钥的控制下的随机算术编码得到的数值结果，记作Q，并对所有系数进行等概率初始化。接着，取第一个随机数r1，确定与之相对应的信源概率分布表，依照概率分布表对基准区间[0，1]进行分割，然后将Q与译码区间的端点值进行比较，判断Q落在哪个子区间，译出该区间所代表的直流系数的值，并将该区间作为新的基准区间；然后，取第二个随机数r2，并依据相对应的信源概率分布表对新的基准区间进行符号划分，继续比较Q与新的译码区间端点值的大小，译出第二个直流系数；该过程一直持续下去，最后译码得到所有直流系数。

[0055] 2)交流系数译码。

[0056] 将得到的交流系数密文与与随机序列发生器12输出的随机序列再次进行逐比特的异或运算，便可恢复出原交流系数。

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