一种基于压缩感知的图像数据加密传输系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于压缩感知的图像数据加密传输系统，包括数据压缩模块、数据加密模块、数据传输摸块、数据解密模块和数据恢复模块，数据压缩模块用于利用随机数控制采样开关对原始图像数据像素点中的部分像素点进行多次随机采集，获得原始图像的观测数据；数据加密模块用于对观测数据进行加密；数据传输摸块用于将已加密的观测数据传输至数据接收端；数据解密模块用于在信息接收端对已加密的观测数据进行解密；数据恢复模块用于对已解密的观测数据在稀疏域中进行复原。本发明专利技术采用易失性忆阻器与压缩传感技术结合，以远低于奈奎斯特采样的速率进行采样，显著降低了数据存储和传输所产生的功耗，加快了数据采样和复原速率。率。率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于压缩感知的图像数据加密传输系统


[0001]本专利技术属于信息处理
，具体涉及一种基于压缩感知的图像数据加密传输系统。

技术介绍

[0002]近年来，随着人工智能的发展，大量感知网络被构建来实现人机交互。预计到2025年，感知节点的数量将达到750亿个，到2030年将激增到1250亿个，然而在这些感知节点中生成的很大一部分原始数据是非结构化的和冗余的。为了进行高效的数据传输，降低冗余数据，有必要在感觉网络附近或感觉网络内部进行数据压缩。而香农/奈奎斯特采样定理告诉我们，为了在均匀采样一个信号时不丢失信息，必须使采样速度至少比其带宽快两倍。
[0003]压缩感知技术，即集压缩与感知为一体的架构，是发展人工智能的重要前沿技术之一，可以以远低于奈奎斯特采样定理的速率进行亚采样，然后消除不相关域的伪影即可复原图像，从而进行低功耗、高速率的数据传输。传统的图像压缩首先要对信号进行全采样，丢弃小系数，保留大系数，编码器将面临大系数编码的开销。在Nyquist采样框架下，信息的可分离性是通过在频率域的不重叠频谱体现的，因此，信息体现在频谱上，由于采样率不足导致的频谱混淆重叠会使信息无法分离。
[0004]此外，当前除了信息的高效传输以外，安全性也是一个重要的研究课题。图像作为常见的数据形式在物联网空间中被广泛应用，图像信息的安全传输变得愈加重要。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供了一种基于压缩感知的图像数据加密传输系统。本专利技术要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
[0006]本专利技术提供了一种基于压缩感知的图像数据加密传输系统，包括数据压缩模块、数据加密模块、数据传输摸块、数据解密模块和数据恢复模块，其中，
[0007]所述数据压缩模块用于利用易失性忆阻器产生随机数，并利用所述随机数控制采样开关对原始图像数据像素点中的部分像素点进行多次随机采集，获得所述原始图像的观测数据；所述数据加密模块用于对所述观测数据进行加密处理，获得已加密的观测数据；所述数据传输摸块用于将所述已加密的观测数据传输至数据接收端；所述数据解密模块用于在所述信息接收端对所述已加密的观测数据进行解密处理，获得已解密的观测数据；所述数据恢复模块用于对所述已解密的观测数据在稀疏域中进行数据处理，获得所述原始图像的复原数据。
[0008]在本专利技术的一个实施例中，所述数据压缩模块包括多个像素数据随机采集子模块和一个数据处理子模块，其中，
[0009]每个像素数据随机采集子模块分别用于产生随机数并根据所述随机数控制采样开关的通断，对所述原始图像中对应像素点进行数据采集，获得采集后像素数据；
[0010]所述数据处理子模块用于获得所有像素数据随机采集子模块得到的采集后像素
数据并进行叠加，获得叠加图像数据。
[0011]在本专利技术的一个实施例中，所述数据处理子模块还用于控制所述多个像素数据随机采集子模块对所述原始图像的像素点进行M次随机采集，共获得M个叠加图像数据，组成M
×
1的观测向量Y，其中，M小于原始图像中的像素点个数。
[0012]在本专利技术的一个实施例中，所述像素数据随机采集子模块包括随机数产生单元、图像数据输入单元和数据采样单元，其中，
[0013]所述随机数产生单元用于产生符合伯努利0，1分布的随机数0或1；
[0014]所述图像数据输入单元用于接收原始图像中对应像素的数据并转换成电流信号；
[0015]所述数据采样单元用于在所述随机数为1时对所述电流信号进行采集，并在所述随机数为0时不对所述电流信号进行采集。
[0016]在本专利技术的一个实施例中，所述随机数产生单元包括第一脉冲发生器S1、易失性忆阻器TSM、第一电阻R1和比较器P1，其中，
[0017]所述第一脉冲发生器S1用于输入恒定频率的矩形波；
[0018]所述易失性忆阻器TSM连接在所述第一脉冲发生器S1的输出端与所述比较器P1的正输入端之间，所述第一电阻R1连接在所述比较器P1的正输入端与接地端之间；
[0019]所述比较器P1的负输入端用于输入脉冲电压V
th
，所述比较器P1的输出端连接所述数据采样单元。
[0020]在本专利技术的一个实施例中，所述图像数据输入单元包括相互连接的第一脉冲发生器S2和传感器Sense，其中，
[0021]所述第一脉冲发生器S2用于获取原始图像中对应像素的数据并转换为电压信号；
[0022]所述传感器Sense连接所述数据采样单元，用于将所述电压信号传输至所述数据采样单元。
[0023]在本专利技术的一个实施例中，所述数据采样单元包括第二电阻R2、第三电阻R3和开关管N
‑
MOS，其中，
[0024]所述第二电阻R2的一端连接电源端VCC，另一端连接所述比较器P1的输出端；
[0025]所述开关管N
‑
MOS的栅极连接所述比较器P1的输出端，所述开关管N
‑
MOS的漏极连接所述传感器的输出端，所述开关管N
‑
MOS的源极作为所述数据采样单元的输出端；
[0026]所述第三电阻R3连接在所述开关管N
‑
MOS的栅极与所述开关管N
‑
MOS的源极之间。
[0027]在本专利技术的一个实施例中，所述数据加密模块具体用于：
[0028]将置乱矩阵S与观测向量Y相乘，以对M
×
1的观测向量Y中的观测数值进行置乱操作，得到置乱加密后的观测向量T。
[0029]在本专利技术的一个实施例中，所述数据恢复模块具体用于：
[0030]从所述随机数产生单元获取由随机数0或1组成的M
×
N维观测矩阵φ；
[0031]获取N
×
N维的稀疏变换矩阵ψ；
[0032]利用所述观测数据Y、所述观测矩阵φ和所述稀疏变换矩阵ψ，获得稀疏信号A；
[0033]在不相关稀疏域利用所述相关恢复算法和所述稀疏信号A，获得所述原始图像数据的复原信号。
[0034]在本专利技术的一个实施例中，所述稀疏变换矩阵为傅立叶变换矩阵、小波变矩阵或离散余弦变换矩阵。
[0035]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
[0036]1、本专利技术基于压缩感知的图像数据加密传输系统，利用易失性忆阻器的内部离子缺陷的自然行为，产生不可预测且容错度高的真随机数，具有很高的容错性，能对原始数据进行有效的压缩。由于易失性忆阻器具有结构简单，与CMOS兼容，功耗低等优点，在与压缩传感技术结合后，以远低于奈奎斯特采样的速率进行采样，大大降低了数据存储和运输所产生的功耗，加快了数据采样和复原速率。
[0037]2、由于本专利技术的系统对原始图像数据直接进行亚采样，避免了以前全采样所造成的动力浪费，相比于计算机产生随机数的方案，具有更稳定，质量更高，更安全的优点。
[0本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于压缩感知的图像数据加密传输系统，其特征在于，包括数据压缩模块(1)、数据加密模块(2)、数据传输摸块(3)、数据解密模块(4)和数据恢复模块(5)，其中，所述数据压缩模块(1)用于利用易失性忆阻器产生随机数，并利用所述随机数控制采样开关对原始图像数据像素点中的部分像素点进行多次随机采集，获得所述原始图像的观测数据；所述数据加密模块(2)用于对所述观测数据进行加密处理，获得已加密的观测数据；所述数据传输摸块(3)用于将所述已加密的观测数据传输至数据接收端；所述数据解密模块(4)用于在所述信息接收端对所述已加密的观测数据进行解密处理，获得已解密的观测数据；所述数据恢复模块(5)用于对所述已解密的观测数据在稀疏域中进行数据处理，获得所述原始图像的复原数据。2.根据权利要求1所述的基于压缩感知的图像数据加密传输系统，其特征在于，所述数据压缩模块(1)包括多个像素数据随机采集子模块(11)和一个数据处理子模块(12)，其中，每个像素数据随机采集子模块(11)分别用于产生随机数并根据所述随机数控制采样开关的通断，对所述原始图像中对应像素点进行数据采集，获得采集后像素数据；所述数据处理子模块(12)用于获得所有像素数据随机采集子模块得到的采集后像素数据并进行叠加，获得叠加图像数据。3.根据权利要求2所述的基于压缩感知的图像数据加密传输系统，其特征在于，所述数据处理子模块(12)还用于控制所述多个像素数据随机采集子模块对所述原始图像的像素点进行M次随机采集，共获得M个叠加图像数据，组成M
×
1的观测向量Y，其中，M小于原始图像中的像素点个数。4.根据权利要求2所述的基于压缩感知的图像数据加密传输系统，其特征在于，所述像素数据随机采集子模块(11)包括随机数产生单元(111)、图像数据输入单元(112)和数据采样单元(113)，其中，所述随机数产生单元(111)用于产生符合伯努利0,1分布的随机数0或1；所述图像数据输入单元(112)用于接收原始图像中对应像素的数据并转换成电流信号；所述数据采样单元(113)用于在所述随机数为1时对所述电流信号进行采集，并在所述随机数为0时不对所述电流信号进行采集。5.根据权利要求4所述的基于压缩感知的图像数据加密传输系统，其特征在于，所述随机数产生单元(111)包括第一脉冲发生器S1、易失性忆阻器TSM、第一电阻R1和比较器P1，其中，所述第一脉冲发生器S1用于输入恒定...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宏，王瑞，马晓华，王赛赛，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：