平頂山市第一中學(xué) 楊明三

數(shù)字圖像選擇加密算法的設(shè)計(jì)

平頂山市第一中學(xué) 楊明三

在我們的日常生活和工作中，數(shù)字圖像起著越來(lái)越大的作用，并且人們的使用量也變得越來(lái)越多。加密--作為為信息安全做出保障的最基本的手段，也同樣適用于數(shù)字圖像。本文通過(guò)對(duì)數(shù)字圖像的學(xué)習(xí)與現(xiàn)有的數(shù)字圖像加密的算法進(jìn)行學(xué)習(xí)，并提出新的算法來(lái)為數(shù)字圖像加密所用時(shí)間較長(zhǎng)這一問(wèn)題提供一種新的想法。

圖像加密；四叉樹(shù)算法；信息安全

1.研究背景

伴隨著計(jì)算機(jī)以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的日新月異，數(shù)字圖像的使用量在近幾年迅劇增長(zhǎng)，數(shù)字圖像在我們的工作和日常生活中發(fā)揮的作用越來(lái)越明顯。然而伴著數(shù)字圖像的使用在不斷的增加，數(shù)字圖像的安全問(wèn)題也被提到我們的眼前。綜上所述，本文將研究圖像加密，設(shè)計(jì)一種算法來(lái)減少數(shù)字圖像處理中加密所用的時(shí)間，從而使加密的處理時(shí)間減少，是這一瓶頸更好的解決。

2.圖像選擇加密算法的分析和設(shè)計(jì)

以DES算法為例進(jìn)行進(jìn)一步分析，在實(shí)際應(yīng)用完全可以用更加安全的對(duì)稱密碼算法進(jìn)行加密，如AES。前文也提及過(guò)由于重要部分的數(shù)據(jù)量比較小，所以可以用公鑰加密體制RSA對(duì)重要部分的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。在運(yùn)用RSA加密算法對(duì)四叉樹(shù)結(jié)構(gòu)加密也必須先用四叉樹(shù)類提供的四叉樹(shù)序列化的算法將四叉樹(shù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行序列化，隨后將對(duì)序列化后的四叉樹(shù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行RSA加密。由于相對(duì)重要的部分很小，導(dǎo)致傳輸葉子節(jié)點(diǎn)序列可以和加密四叉樹(shù)結(jié)構(gòu)并傳輸同步的進(jìn)行，從而大大的縮短了圖像處理中的加密解密時(shí)間。同時(shí)圖片的安全性也得到了強(qiáng)有力的保證。加密都進(jìn)行完后，將可以對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，整個(gè)算法過(guò)程即達(dá)到了保護(hù)圖片安全的目的也使圖片在加密的處理時(shí)間上大大減少。經(jīng)過(guò)研究比較可以發(fā)現(xiàn)四叉樹(shù)壓縮算法可以使用部分加密技術(shù)。四叉樹(shù)壓縮算法計(jì)算簡(jiǎn)單，并且在低比特率傳輸中優(yōu)于JPEG壓縮算法。

3.基于四叉樹(shù)圖像壓縮的選擇加密算法的需求分析

針對(duì)本文提出的算法特性，在這里將對(duì)該算法的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行功能分析如下：

（1）圖片讀取解析。對(duì)用戶輸入系統(tǒng)的圖片進(jìn)行解析，主要為解析判斷該圖像是否為壓縮加密后的圖片。

（2）圖片存儲(chǔ)。對(duì)系統(tǒng)操作后的圖片進(jìn)行存儲(chǔ)即寫(xiě)進(jìn)計(jì)算機(jī)磁盤(pán)，方便用戶的使用。

（3）圖片壓縮。對(duì)檢測(cè)沒(méi)有加密的圖片可以進(jìn)行圖片的四叉樹(shù)無(wú)損壓縮。將壓縮后四叉樹(shù)結(jié)構(gòu)和采用中序遍歷后的葉子節(jié)點(diǎn)值進(jìn)行保存，方便系統(tǒng)進(jìn)行加密操作。

（4）圖片加密。對(duì)壓縮輸出的四叉樹(shù)結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行2種加密操作，即DES加密或者RSA加密操作。

（5）密鑰管理。針對(duì)不同的加密方式提供不同的密鑰管理器。方便用戶在輸入密鑰時(shí)的友好性和對(duì)密鑰管理的高效性。

（6）圖像的質(zhì)量分析。通過(guò)統(tǒng)計(jì)直方圖的方法對(duì)壓縮加密前的原始圖像和壓縮加密后的圖像進(jìn)行比較，通過(guò)比較查看算法的有效性。

3.1 系統(tǒng)流程圖

系統(tǒng)流程圖將分為壓縮加密系統(tǒng)流程圖和解壓解密系統(tǒng)流程圖。具體如圖3.1、圖3.2所示：

圖3.1 系統(tǒng)主流程圖

圖3.2 圖像分析流程圖

3.2 模塊設(shè)計(jì)

所需的功能模塊如圖3.3所示：

圖3.3 功能模塊圖

3.3 測(cè)試與分析

該部分測(cè)試主要是針對(duì)算法的三種分析方式。測(cè)試數(shù)據(jù)是由本文提出的算法統(tǒng)計(jì)出來(lái)的數(shù)據(jù)。測(cè)試時(shí)，從圖像處理常用的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試圖片中隨機(jī)選取了14張圖片進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)觀察測(cè)試數(shù)據(jù)我們可以看出在進(jìn)行四叉樹(shù)壓縮的輸出中，四叉樹(shù)結(jié)構(gòu)體的大小占總大小的比例在5%-15%之間，比例的大小隨著圖像深度的變大而減小。由前文介紹可知，四叉樹(shù)結(jié)構(gòu)是本文提出的算法中被歸結(jié)為重要的一部分?jǐn)?shù)據(jù)，根據(jù)本文提出的算法，我們將對(duì)四叉樹(shù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加密。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以充分的說(shuō)明我們所要加密的內(nèi)容量大大的減少，從而達(dá)到了減少加密解密所用時(shí)間的目的。

本文提出的無(wú)損壓縮算法能對(duì)圖片進(jìn)行有效的壓縮。10組數(shù)據(jù)通過(guò)壓縮都有良好的壓縮率。而對(duì)于第一組數(shù)據(jù)，也就是lenna這幅圖測(cè)試得到的壓縮率有些反常。這個(gè)反常的原因是由于lenna這幅圖片比較復(fù)雜，同時(shí)又是8位的，所以會(huì)導(dǎo)致四叉樹(shù)占?jí)嚎s輸出總大小的比例比較大，也就是四叉樹(shù)結(jié)構(gòu)比較大，從而導(dǎo)致了壓縮后的總大小超出了遠(yuǎn)圖的大小。這種現(xiàn)象是符合四叉樹(shù)壓縮的特性的。

通過(guò)本文提出的算法，我們對(duì)壓縮加密后的圖像能進(jìn)行一個(gè)完全的恢復(fù)，本文提出的算法實(shí)現(xiàn)了完整的無(wú)損壓縮。對(duì)恢復(fù)后的圖像的每個(gè)像素值進(jìn)行了100%的恢復(fù)。

4.總結(jié)與展望

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，關(guān)于信息的安全問(wèn)題缺日益嚴(yán)峻。像棱鏡門(mén)中Edward Snowden暴漏美國(guó)國(guó)家安全局竊聽(tīng)大量的通信是記錄，又如iCloud的漏洞使得黑客泄露出了大量明星包括Jenifer Lawrence、Scarlet Johansson、Kim Kardashian的私照。這些數(shù)字圖像傳輸過(guò)程中信息的泄露正是因?yàn)榧用艿乃惴ū缓诳徒獬?，使其獲得了大量的信息。所以在將來(lái)我們應(yīng)更加注重對(duì)于信息的保密，不斷完成關(guān)于數(shù)字圖像處理與傳輸過(guò)程中加密的不斷完善與更新。

[1]陳魯生,沈世溢．現(xiàn)代密碼學(xué)[M]．北京:科學(xué)出版社,2008．

[2]朱桂斌．?dāng)?shù)字圖像信息隱藏的理論與算法研究[D]．重慶:重慶大學(xué),2004．

[3]孫躍華．計(jì)算機(jī)密碼學(xué)的新進(jìn)展[J]．中國(guó)計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào),2007．12．

[4]王洪均．?dāng)?shù)字圖像加密加密算法研究[[D]．南京理工大學(xué)學(xué)位論文,2007年7月．

[5]韓永忠．圖像加密技術(shù)分析[J]．陜西省物理學(xué)會(huì)會(huì)議論文,2008年．