第九章 圖像處理應(yīng)用實(shí)例

第9章圖像處理應(yīng)用實(shí)例9.1混沌圖像加密9.2虹膜識(shí)別9.3車牌識(shí)別9.1混沌圖像加密一、混沌理論簡(jiǎn)介1、“混沌”的含義（1）宇宙形成之初的物質(zhì)某種原始的沒(méi)有分化的狀態(tài)?！拔从刑斓刂畷r(shí)，混沌如雞子”。（2）完全無(wú)序、完全混亂的狀態(tài)?！鞍自肼暋保?）發(fā)生在一個(gè)確定性系統(tǒng)中的類隨機(jī)行為。

一個(gè)例子Lorenz方程：這個(gè)氣象動(dòng)力學(xué)方程表示了一個(gè)非線性確定性的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。（非線性、確定性、動(dòng)力學(xué)）這個(gè)確定性的方程，在a=10、b=30，c=8/3時(shí)得到的解，看起來(lái)卻很混亂。X(t)的時(shí)域波形

2混沌的基本特征（1）確定性系統(tǒng)中的內(nèi)在隨機(jī)性確定性系統(tǒng)中的“內(nèi)在隨機(jī)性”指的是，一個(gè)完全確定性的方程會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)解。而高斯白噪聲等隨機(jī)信號(hào)則體現(xiàn)出一種“外在隨機(jī)性”，它是由隨機(jī)系統(tǒng)或隨機(jī)項(xiàng)所引起的，是一種完全無(wú)序或完全無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，因而體現(xiàn)出一種“外在的隨機(jī)性”。發(fā)生場(chǎng)合規(guī)則性性質(zhì)內(nèi)在隨機(jī)性確定性系統(tǒng)有一定規(guī)則性內(nèi)在外在隨機(jī)性隨機(jī)系統(tǒng)完全無(wú)規(guī)則外在（2）對(duì)初始條件的高度敏感性（蝴蝶效應(yīng)）舉例：x0=0.02,x1=0.02001X-y相圖y-z相圖X-z相圖（3）正的Lyapunov指數(shù)（4）混沌信號(hào)具有寬帶譜、類噪聲和沖擊式的相關(guān)特性。3、混沌理論的意義（1）20世紀(jì)科學(xué)三大發(fā)現(xiàn)之一（20世紀(jì)物理學(xué)第三次最大的革命）。

*相對(duì)論：改變了傳統(tǒng)的時(shí)空觀，消除了關(guān)于絕對(duì)空間與時(shí)間的幻想。*量子力學(xué)：更新了物質(zhì)和能量的概念，消除了關(guān)于可控測(cè)量過(guò)程的牛頓式的夢(mèng)。*混沌理論：推翻了自然法則的廣泛有效性和可預(yù)測(cè)性，消除了拉普拉斯關(guān)于決定論式可預(yù)測(cè)性的幻想?！皬膬?nèi)部進(jìn)行瓦解”（2）減小了確定性和隨機(jī)性兩大科學(xué)體系的鴻溝?；煦缡谴_定性系統(tǒng)的內(nèi)在隨機(jī)性，是確定性和隨機(jī)性的辯證統(tǒng)一。二、圖像加密技術(shù)

1、基于矩陣變換/像素置換的加密技術(shù)數(shù)字圖像置亂加密技術(shù)，是指利用數(shù)字圖像具有的數(shù)字矩陣的特點(diǎn)，通過(guò)一些變換或數(shù)學(xué)上的特殊性質(zhì)，攪亂圖像中象素的位置或顏色，將原來(lái)有意義的圖像信息變換成一幅“雜亂無(wú)章”的圖像，使得無(wú)法辨認(rèn)出原始圖像信息，從而達(dá)到在一定程度上迷惑第三者的目的。舉例：利用Hilbert曲線進(jìn)行位置置亂

2、基于秘密分割和秘密共享的圖像加密技術(shù)（1）秘密分割就是把消息分成許多碎片，每一個(gè)碎片本身不代表任何意義，但把這些碎片放到一起就可以重現(xiàn)原來(lái)的信息。（2）基于秘密共享的加密算法是基于的密鑰分存的概念，即把密鑰分解為個(gè)n子Ki(0<=i<n)，并且滿足任意n個(gè)子密鑰的結(jié)合才能恢復(fù)密鑰，而若少于n個(gè)子密鑰則不能獲得密鑰的任何消息，也就是密鑰學(xué)上稱之為門陷的技術(shù)。在進(jìn)行圖像加密時(shí)，就是把圖像分成n部分，其中任意m(m<=n)部分可以重構(gòu)原來(lái)的圖像，但少于m部分則得不到原來(lái)圖像的任何信息，即（m,n）門限方案。

3、基于現(xiàn)代密碼體制的圖像加密技術(shù)

（1）概念基于現(xiàn)代密碼體制的加密就是利用現(xiàn)代密碼學(xué)中各種公鑰和私鑰加密技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)行加密。（2）分類根據(jù)加密密鑰和解密密鑰相同與否，這種方法又可分為對(duì)稱算法和非對(duì)稱算法。A、對(duì)稱算法對(duì)稱算法又叫傳統(tǒng)密碼算法，就是加密密鑰能夠從解密密鑰中推算出來(lái)，反過(guò)來(lái)也成立。在大多數(shù)對(duì)稱算法中，加解密密鑰是相同的。這些算法也叫秘密密鑰算法或單鑰算法，它要求發(fā)送方和接受方在安全通信之前商定一個(gè)密鑰。對(duì)稱算法的安全性完全依賴于密鑰，泄露密鑰就意味著任何人都能對(duì)消息進(jìn)行加解密。只要通信需要保密，密鑰就必須保密。對(duì)稱算法又可分為兩類一次只對(duì)明文中的單個(gè)位或字節(jié)運(yùn)算的算法稱為流密碼。另一類算法是對(duì)明文的一組位進(jìn)行運(yùn)算，叫分組密碼，如DES算法。B、非對(duì)稱算法公開(kāi)密鑰算法，也叫非對(duì)稱算法，它由美國(guó)大學(xué)的密碼學(xué)家和共同提出。它是這樣設(shè)計(jì)的用作加密的密鑰不同于用作解密的密鑰，并且解密密鑰不能根據(jù)加密密鑰計(jì)算出來(lái)。之所以叫做公開(kāi)密鑰算法，是因?yàn)榧用苊荑€能夠公開(kāi)，即任何人都能用加密密鑰加密信息，但只有用相應(yīng)的解密密鑰才能解密信息。在這種體制中，加密密鑰叫做公開(kāi)密鑰，簡(jiǎn)稱公鑰，解密密鑰叫做私人密鑰，簡(jiǎn)稱私鑰，也稱為秘密密鑰。

公鑰密碼算法的主要特點(diǎn)是將加密密鑰與解密密鑰分開(kāi)，不但可以實(shí)現(xiàn)信息的保密通信，而且還可以用于認(rèn)證系統(tǒng)中對(duì)消息的發(fā)送者身份進(jìn)行確認(rèn)。具有代表性的公開(kāi)密鑰算法有RSA，Merkle-Hellman，ElGamal背包、Robin，橢圓曲線及多維RSA。三、基于混沌的圖像加密方法研究（卞雅麗、碩士論文）

1、系統(tǒng)模型2、實(shí)現(xiàn)步驟（1）兩個(gè)離散混沌系統(tǒng)A、B、

（2）兩個(gè)離散混沌系統(tǒng)的混合（3）p(t)驅(qū)動(dòng)Lorenz連續(xù)混沌系統(tǒng)（4）用產(chǎn)生的混沌序列對(duì)圖像進(jìn)行異或加密。3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果4、優(yōu)點(diǎn)9.2虹膜識(shí)別一、生物特征識(shí)別（Biometrics）

1、概念利用人的生理特征或行為特征對(duì)人的身份進(jìn)行鑒識(shí)。說(shuō)明：（1）除人之外，也可以是其他生物。（“周老虎事件”）（2）生理特征：指紋、人臉、虹膜、掌紋等；行為特征：語(yǔ)音、步態(tài)等。（“普金步態(tài)事件”）2、身份識(shí)別的方法（1）“私有物”。如“令牌”、“鑰匙”。缺點(diǎn)：易丟失、易被盜。（2）“口令、密碼”。例如：IC卡、網(wǎng)上密碼登陸等。缺點(diǎn)：易忘記。（3）生物特征。優(yōu)點(diǎn)：“隨身攜帶”、“人人不同”。二、虹膜識(shí)別（IrisRecognition）3、WWBoles,BBoashash.Ahumanidentificationtechniqueusingimagesoftheirisandwavelettransform.IEEETrans.OnSignalProcessing.1998,46(4):1185～1188

2、RPWildes.Irisrecognition:anemergingbiometrictechnology.ProceedingsoftheIEEE.1997,85(9):1348～1363.1、JGDaugman.Highconfidencevisualrecognitionofpersonsbyatestofstatisticalindependence.IEEETrans.onPAMI.1993,15(11):1148～1161.

主要參考文獻(xiàn)虹膜的特征高獨(dú)特性。幾乎任何兩個(gè)人(包括雙胞胎)的虹膜都是不完全相同的，即使是同一個(gè)人左右眼的虹膜也存在一定的差異。2.高穩(wěn)定性。

虹膜本身一般不易發(fā)病，可以保持幾十年不變。3.良好的防偽性能。

要想精細(xì)地修改虹膜的表面結(jié)構(gòu)特征，即使采用目前先進(jìn)的眼科手術(shù)，也必須冒著視力損傷的危險(xiǎn)。另外，利用虹膜本身有規(guī)律的震顫特性以及虹膜隨光強(qiáng)度變化而縮放的特性，可以把假冒的虹膜圖片區(qū)分開(kāi)來(lái)。4.易接受性。

可以不與人體接觸，甚至能夠在人們沒(méi)有覺(jué)察的情況下把虹膜圖像拍攝下來(lái)。虹膜識(shí)別技術(shù)的基本原理圖像獲取虹膜定位特征提取特征數(shù)據(jù)庫(kù)識(shí)別或認(rèn)證結(jié)果識(shí)別認(rèn)證虹膜定位1.Daugman定位方法缺點(diǎn)：最優(yōu)化求解易陷于局部極值點(diǎn)；如果全空間搜索，時(shí)間開(kāi)銷很大優(yōu)點(diǎn)：如果全空間搜索，定位準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度很高2.Wildes定位方法（Hough變換）A、差分運(yùn)算B、二值化C、二維圖像空間映射到三維參數(shù)空間D、最大值點(diǎn)對(duì)應(yīng)定位參數(shù)缺點(diǎn)：耗時(shí)長(zhǎng)，且容易受到虹膜上環(huán)狀的“神經(jīng)環(huán)”影響優(yōu)點(diǎn)：相對(duì)而言，穩(wěn)定性較高。3、形態(tài)學(xué)方法A、二值化B、應(yīng)用形態(tài)學(xué)方法（先腐蝕再膨脹）消除細(xì)節(jié)干擾C、圓形擬合缺點(diǎn)：閾值選??；耗時(shí)長(zhǎng)優(yōu)點(diǎn)：對(duì)瞳孔定位時(shí)，穩(wěn)定性較好尺度校正存在問(wèn)題：