數(shù)字圖像加密技術(shù)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上數(shù)字圖像加密技術(shù)1、引言隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)放、共享性以及互聯(lián)程度的日益擴(kuò)大，Internet得到了飛速的發(fā)展和應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)的重要性及其對(duì)社會(huì)的影響也越來(lái)越大。與此同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的安全保密問(wèn)題也已成為日益嚴(yán)重的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。近年來(lái)，無(wú)論官方還是民間機(jī)構(gòu)，都對(duì)信息的安全存儲(chǔ)、保密傳輸、真?zhèn)悟?yàn)證等問(wèn)題高度重視。2、數(shù)字圖像加密技術(shù)的背景知識(shí)一幅二維平面圖像可用一個(gè)二元函數(shù)I= f (x, y) 來(lái)表示,(x, y) 表示二維空間坐標(biāo)系中一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的位置, 則f (x, y) 代表圖像在這一點(diǎn)的灰度值, 與圖像在這一點(diǎn)的亮度相對(duì)應(yīng)。并且圖像的亮度值是有限的, 因而函數(shù)I= f (x,

2、y) 也是有界的。在圖像數(shù)字化之后, I= f (x, y) 則相應(yīng)于一個(gè)矩陣, 矩陣元素所在的行與列就是圖像顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上諸像素點(diǎn)的坐標(biāo), 元素的數(shù)值就是該像素的灰度(通常有256 等級(jí), 用整數(shù)0 至255 表示)。常見(jiàn)的加密算法，如DES、AES、RSA等都是針對(duì)文本、數(shù)據(jù)加密而提出的。對(duì)于在數(shù)字圖像方面的加密來(lái)說(shuō)，常見(jiàn)的也是采用這些文本加密技術(shù)的思想。但是，文本和圖像也存在很多區(qū)別，主要是：（1）圖像信息量非常大. (2) 相鄰像素具有相關(guān)性. 由于圖像的可視性,一定區(qū)域內(nèi)色彩是相似的,因此相鄰像素間有很強(qiáng)的相關(guān)性. 文本加密技術(shù)并沒(méi)有考慮這種相關(guān)性,而是依次加密每個(gè)像素.(3)

3、加密圖像在解密時(shí)常允許一定失真. 這種圖像失真只要控制在人的視覺(jué)內(nèi)是完全可以接受的.顯然在加密和解密時(shí),需要考慮圖像的這種特點(diǎn). 文本加密技術(shù)沒(méi)有考慮失真度的問(wèn)題. (4) 需要預(yù)處理. 數(shù)字圖像一般以二維數(shù)組的數(shù)據(jù)格式存儲(chǔ),而文本加密技術(shù)都要求先將待加密的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制的數(shù)據(jù)流,如果圖像很大的話,需要一定的圖像預(yù)處理時(shí)間,降低了加密效率.3、數(shù)字圖像加密方法1）基于Arnold變換的圖像加密算法(1)基于二維Arnold變換的圖像加密算法Arnold 變換是Arnold在研究環(huán)面上的自同態(tài)時(shí)提出的一種變換，俗稱貓臉變換。利用Arnold變換的周期性，即當(dāng)?shù)侥骋徊綍r(shí)將重新得到原始圖像，這

4、使得很容易進(jìn)行圖像的加密與解密?；贏rnold變換，可以通過(guò)置亂圖像的位置空間或相空間兩種方式對(duì)圖像進(jìn)行加密。設(shè)有單位正方形上的點(diǎn)（x，y），將點(diǎn)（x，y）變到另一點(diǎn)（x,y）的變換為=，此變換稱為二維Arnold變換。將二維Arnold變換應(yīng)用在圖像f（x，y）上，可以通過(guò)像素坐標(biāo)的改變而改變?cè)紙D像灰度值的布局。原始圖像可以看作一個(gè)矩陣，經(jīng)過(guò)Arnold變換后的圖像會(huì)變的“混亂不堪”，由于Arnold變換的周期性，繼續(xù)使用Arnold變換，可以重現(xiàn)圖像。利用Arnold變換的這種特性，可實(shí)現(xiàn)圖像的加密與解密。(2)基于n維Arnold變換的圖像相空間置亂對(duì)于給定的正整數(shù)N，下列變換稱為n

5、維Arnold變換：=n維Arnold變換同二維Arnold變換一樣具有周期性，繼續(xù)使用Arnold變換，也可以重現(xiàn)原始圖像。利用n維Arnold變換對(duì)圖像的相空間進(jìn)行置亂，也能實(shí)現(xiàn)圖像的加密。2）基于混沌系統(tǒng)的加密算法混沌理論與相對(duì)論、量子力學(xué)并列為二十世紀(jì)的三大發(fā)現(xiàn)之一?；煦绲陌l(fā)現(xiàn)，為決定論和隨機(jī)論之間架起了一座橋梁，改變了人們以前對(duì)隨機(jī)性和確定性的認(rèn)識(shí)。研究人員發(fā)現(xiàn)，混沌和加密有天然的聯(lián)系，Shannon曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：一個(gè)好的混合變換疆場(chǎng)是由兩個(gè)簡(jiǎn)單的、不可交換的操作得到。混沌和加密的關(guān)系如下表所示：混沌和加密的對(duì)比混沌性質(zhì)加密的性質(zhì)描述遍歷性混亂性輸出具有類似的分布狀態(tài)對(duì)參數(shù)敏感對(duì)變換具有

6、擴(kuò)散性輸入引起輸出的改變混合性具有擴(kuò)散性局部變化引起整個(gè)空間的變化動(dòng)力系統(tǒng)確定性偽隨機(jī)流確定性系統(tǒng)產(chǎn)生偽隨機(jī)信號(hào)結(jié)構(gòu)復(fù)雜算法（攻擊）復(fù)雜過(guò)程簡(jiǎn)單，結(jié)果復(fù)雜（1）混沌鏡像加密算法設(shè)f代表大小為M×N，通過(guò)混沌系統(tǒng)產(chǎn)生混沌序列，并將其量化為二值序列，各比特位與原圖各像素點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。將原圖劃分為上下兩部分，當(dāng)上半部分圖像像素對(duì)應(yīng)的比特位為“1”時(shí)就與下半部圖像對(duì)應(yīng)像素交換位置，當(dāng)對(duì)應(yīng)的比特位為“0”時(shí)，圖像像素位置保持不變。為了提高加密程度，應(yīng)該在置亂前應(yīng)用其他方式對(duì)圖像進(jìn)行劃分，然后進(jìn)行置亂。該加密算法的密鑰為混沌系統(tǒng)的初始值x（0），解密過(guò)程中選用相同的混沌系統(tǒng)為初值，然后按照相反步驟對(duì)

7、加密圖像進(jìn)行鏡像置換操作即可恢復(fù)原始圖像。（2）基于混沌的像素位置置亂算法設(shè)f代表大小為M×N的圖像，選定兩個(gè)混沌系統(tǒng)分別以初值x（0），y（0）產(chǎn)生兩個(gè)混沌序列，將序列歸一化后分別乘以M和N，并將兩列序列取整，使得序列值取值分別為與區(qū)間的整數(shù)。對(duì)兩個(gè)序列進(jìn)一步處理得到遍歷的序列與遍歷的序列，用這兩個(gè)序列作為置亂矩陣fm的行地址和列地址，對(duì)原圖像進(jìn)行置亂。（3）基于混沌的像素值置亂算法設(shè)f代表大小為M×N，有L個(gè)灰度級(jí)的圖像。選定一維混沌系統(tǒng)，并將其初始值x（0）作為加密密鑰，通過(guò)該混沌系統(tǒng)產(chǎn)生混沌序列，并將其量化為二值隨即序列。將得到的序列與原始圖像數(shù)據(jù)按比特位進(jìn)行異或得

8、到加密圖像f。原始圖像的像素點(diǎn)f（x，y）（0xM-1，0yN-1），對(duì)應(yīng)于加密圖像的像素點(diǎn)f（x,y）。4基于Arnold變換的圖像加密算法與基于混沌系統(tǒng)的加密算法比較雖然基于Arnold變換的圖像加密方式效果良好，可是如果將他直接用于圖像加密則存在一定缺陷：首先，他的安全性是基于攻擊者不知道 加密算法的前提下，若攻擊者了解加密算法，則很容易破譯加密圖像，因而該加密方式不符合現(xiàn)代密碼體制的要求；其次，用于圖像亂置的Arnold變換的周期比較長(zhǎng)，造成加密或解密過(guò)程計(jì)算量較大。另外，基于幻方的像素置換加密也由于具有類似的缺點(diǎn)，但它可以有效的打亂輸入明文的順序，掩蓋明文的統(tǒng)計(jì)特性，因而能抵御統(tǒng)計(jì)分

9、析，可以構(gòu)成SP網(wǎng)絡(luò)中的置換部件，而不應(yīng)該單獨(dú)作為一個(gè)獨(dú)立的密碼系統(tǒng)。對(duì)于基于混沌系統(tǒng)的加密方式，由于混沌系統(tǒng)具有非周期性和偽隨機(jī)的特性，使用混沌系統(tǒng)產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列具有對(duì)初值的高度敏感性，這使得在解密過(guò)程中，如果不能給出精確的初值，則不能夠進(jìn)行正確的解密。因此，利用混沌系統(tǒng)對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行加密，具有更大的優(yōu)勢(shì)。5改進(jìn)的基于混沌加密技術(shù)由于將圖像進(jìn)行分塊處理會(huì)提高圖像處理效率，并且使用小塊加密模板會(huì)降低運(yùn)算量，本方式可選用大小為K×K的加密模板對(duì)原圖像分塊進(jìn)行加密。設(shè)f代表大小為M×N的圖像，f（x，y）（0xM-1，0yN-1）為圖像f在位置(x,y)處的灰度值，選取四個(gè)1

10、6位加密密鑰kx，ky，kz，kw。加密過(guò)程如下：（1）任選四個(gè)不同的輔助密鑰，假定從原始圖像f中任取16個(gè)像素點(diǎn)，兩兩配對(duì)，按比特異位操作，得到四個(gè)16位的輔助密鑰ka, kb, kc kd.(2)選定四個(gè)一維混沌系統(tǒng)，初值分別取：x（0)=kxka, y(0)=kykb, z(0)=kzkc,k(0)=kwkd.(3)通過(guò)四個(gè)混沌系統(tǒng)以選定的初值產(chǎn)生混沌序列，將四個(gè)混沌序列量化為二值序列，并通過(guò)異或運(yùn)算，將他們合并為序列。若原圖像有L個(gè)灰度級(jí)，則序列長(zhǎng)度取為K×K×L，從而得到K×K的圖像加密模板fm。（4）用加密模板fm對(duì)冤死圖像f分塊進(jìn)行加密得到加密圖像f

11、,原圖像像素點(diǎn)f（x，y）對(duì)應(yīng)于加密圖像的f(x,y)。解密過(guò)程如下：（1）解密一方通過(guò)公共信道獲得依賴于原始圖像的輔助密鑰ka, kb, kc kd，并通過(guò)輔助密鑰與密鑰kx，ky，kz，kw確定四個(gè)混沌系統(tǒng)的初值x（0），y(0),z(0),w(0).(2)通過(guò)四個(gè)混沌系統(tǒng)產(chǎn)生與加密方式相同的加密模板fm。（3）用fm實(shí)現(xiàn)圖像的解密。從安全角度看，對(duì)于改進(jìn)的基于混沌系統(tǒng)的加密方式，其安全性完全取決于密鑰長(zhǎng)度，而密鑰長(zhǎng)度可以通過(guò)增加混沌系統(tǒng)數(shù)目的方法任意增加。該方式最大的特點(diǎn)就是可以抵抗已知明文系統(tǒng)攻擊，由于實(shí)際應(yīng)用的密鑰是不段變化的，即使攻擊者得到了一對(duì)已知明文和密文，也無(wú)法破譯以后的加密圖像。6結(jié)束語(yǔ)