莫恭鈿

【摘 要】互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的日益普及，使得信息傳播變得越來越方便。網(wǎng)絡(luò)開放性的特點(diǎn)使得攻擊者很容易攔截、篡改、偽造網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，從而導(dǎo)致信息的安全性無法得到保障。面向安卓平臺的圖像加密工具所研究的是在安卓平臺上實(shí)現(xiàn)圖像加密和解密，以確保圖像的安全性。圖像的加密是確保圖像安全的重要途徑之一，有著良好的應(yīng)用前景。文章介紹了快速交換技術(shù)和隨機(jī)劃分算法，并在安卓平臺上實(shí)現(xiàn)了該算法。

【關(guān)鍵詞】安卓平臺；圖像加密工具；設(shè)計(jì)；實(shí)現(xiàn)

【中圖分類號】TP393 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2018）06-0077-03

0 引言

傳統(tǒng)密碼學(xué)方法可有效加密文本信息，但并不適用于圖像等多媒體數(shù)據(jù)。圖像加密又可稱為圖像置亂。它在保持圖像描述信息不變的前提下，將有意義的圖像內(nèi)容轉(zhuǎn)換成無視覺意義的混亂數(shù)據(jù)，使非法訪問者無法辨認(rèn)，從而達(dá)到保護(hù)圖像內(nèi)容的目的。Watanabe等人提出對圖像的部分碼流置亂，實(shí)現(xiàn)與JPEG2000兼容。在圖像加密研究中，Arnold變換算法應(yīng)用較廣，它利用一個2×2的變換矩陣將第x行第y列的像素轉(zhuǎn)移到第x'行第y'列，迭代計(jì)算多次即可得到最終加密圖像。由于該算法有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)理論且實(shí)現(xiàn)簡單，因此被眾多研究人員應(yīng)用于圖像加密設(shè)計(jì)，然而迭代計(jì)算特點(diǎn)使算法效率較低。Arnold變換還要求圖像的寬和高相等，限制了應(yīng)用范圍。此外，其他一些技術(shù)也被應(yīng)用于圖像加密研究，如隊(duì)列變換、像素位交換、混沌系統(tǒng)等。

1 功能介紹

本文設(shè)計(jì)的加密工具主要實(shí)現(xiàn)的功能如下：實(shí)現(xiàn)聯(lián)合交換技術(shù)和隨機(jī)分塊的快速圖像加密方法。作為輔助功能，本文還實(shí)現(xiàn)了讀取、顯示和保存BMP圖像的功能（如圖1所示）。

圖像加密工具分為圖像加載、圖像加密、圖像解密、圖像保存、圖像清除5個模塊。{1}圖像加載：用戶可以通過按路徑或者按圖庫的方式選擇圖像，選擇的圖像會被加載到軟件的主界面。{2}圖像加密：如果主界面已經(jīng)加載有圖像，用戶輸入加密密碼后，軟件就會將選定的圖像通過聯(lián)合交換技術(shù)和隨機(jī)分塊的快速圖像加密算法加密圖像。{3}圖像解密：如果主界面已經(jīng)加載有圖像，用戶輸入解密密碼后，軟件就會將選定的圖像通過聯(lián)合交換技術(shù)和隨機(jī)分塊的快速圖像解密算法解密圖像。{4}圖像保存：將選定的圖像進(jìn)行保存。{5}圖像清除：將界面上的圖像關(guān)閉。

2 聯(lián)合交換技術(shù)和隨機(jī)分塊的快速圖像加密方法

本文運(yùn)用了一種基于交換技術(shù)和隨機(jī)分塊的快速圖像加密方法。這種方法運(yùn)用交換技術(shù)打亂原來圖像的像素位置，并且通過隨機(jī)分塊策略增強(qiáng)圖像加密的安全性。它的優(yōu)點(diǎn)是不需要迭代計(jì)算，執(zhí)行一次就可實(shí)現(xiàn)圖像加密。這種加密算法能夠有效地減少系統(tǒng)的運(yùn)行時間。除此之外，它對圖像大小無限制，應(yīng)用范圍較廣。

2.1 快速交換技術(shù)

首先把圖像Image看成是一個寬高比為M×N的二維矩陣，其中圖像的一個像素I（i，j）表示為M×N矩陣的第i行第j列元素，寬度M的取值范圍為0≤i202，200”。對比像素交換前后的位置，發(fā)現(xiàn)“200”由位置0變換到位置5，“201”由位置1轉(zhuǎn)移到位置3，“202”由位置2移動到位置4，“203”由位置3移動到位置0，“204”由位置4變換到位置2，而“205”則由位置5置亂到位置1。換句話來說，位置映射一維數(shù)組P的各元素取值變?yōu)镻（0）=5、P（1）=3、P（2）=4、P（3）=0、P（4）=2、P（5）=1。

綜上所述，如果系統(tǒng)生成一維數(shù)組P的速度越快，加密圖像就越快完成。在《Image encryption using mapping array and random division》文獻(xiàn)提出一種使用偽隨機(jī)發(fā)生器的映射一維數(shù)組生成方法。

2.2 隨機(jī)分塊

為了增強(qiáng)快速交換算法的安全性，本文也使用到了《Image encryption using mapping array and random division》文獻(xiàn)中提到的隨機(jī)重疊分塊技術(shù)。也就是說，先對一幅圖像進(jìn)行隨機(jī)分塊，再對每個分塊逐一加密，最終實(shí)現(xiàn)整幅圖像的加密。如圖2所示，在密鑰的控制下，在圖像Image中隨機(jī)選取4個頂點(diǎn)分別記為p1（x1，y1）、p2（x1，y2）、p3（x2，y2）和p4（x2，y1），其中0

因?yàn)閳D像塊間存在著重疊區(qū)域，所以部分像素會被多次交換。如圖4所示，灰色部分為隨機(jī)選取的矩形，是4個圖像塊的重疊部分，隨機(jī)分塊算法將4次計(jì)算該區(qū)域；而斜線區(qū)域是2個相鄰塊的重疊區(qū)域，算法對該區(qū)域計(jì)算2次；區(qū)域1、2、3和4的像素則僅需處理一次。因此，對圖像塊Block1、Block2、Block3和Block4加密次序的不同，會得到不同的加密結(jié)果?？傊?個圖像塊的排列次序共有4！=24種。因?yàn)橛?jì)算次序會影響最終加密結(jié)果，所以可用密鑰控制隨機(jī)選擇一種次序。

3 測試結(jié)果

本系統(tǒng)是基于Android開發(fā)出來的主界面。主界面包含了7個部分，如圖5（a）所示。當(dāng)主界面中不存在圖像的時候，點(diǎn)擊加密/解密按鈕，不會產(chǎn)生加密/解密操作而是提示用戶先加載一幅圖像。通過圖5（b/c）的任何一種方式可以選擇加載圖像到主界面，如圖5（d）所示。當(dāng)主界面中已經(jīng)加載有圖像的時候，點(diǎn)擊加密按鈕，則會彈出圖6（a）所示的對話框，在此對話框中就可以輸入密碼了。當(dāng)用戶輸入的密碼少于6位且點(diǎn)擊了確認(rèn)的時候，就會提示用戶密碼少于6位，這時候圖6（a）對話框并不會馬上關(guān)閉，而是編號1的文本框的內(nèi)容被清除，用戶可以繼續(xù)輸入密碼。當(dāng)用戶輸入了長度大于6位的密碼的時候，點(diǎn)擊確認(rèn)按鈕，則可以進(jìn)行加密操作。如果界面出現(xiàn)圖6（b）所示的混亂圖像，則說明圖像加密成功。圖像被加密了之后，通過任何一款看圖軟件打開，都是顯示混亂的圖像，因此圖像的信息得到了安全保存。解密界面和加密界面是一樣的，只是調(diào)用的對象不一樣而已。當(dāng)要查看圖像的時候，通過本軟件加載圖像，輸入解密的密碼，如果密碼正確，則原來的圖像被還原回來。如果密碼不正確，則提示密碼不正確，圖像還是混亂的圖像。正確解密的圖像和原來加密之前的圖像是完全一樣的。保存圖像（如圖7所示）的時候，選擇打開路徑對話框，用戶就可以選擇文件的路徑，在文件對話框的頂部顯示有文件的路徑，當(dāng)選擇到文件的時候，會默認(rèn)選定該文件所在的路徑；如果文件夾里無文件，那么點(diǎn)擊一下獲取路徑按鈕，就可以獲得該文件夾的路徑并且關(guān)閉路徑對話框。如果點(diǎn)擊了取消按鈕，則不改變編號2中的路徑。通過本過程就可以將圖像進(jìn)行加密/解密之后保存。

4 結(jié)語

圖像加密是確保數(shù)據(jù)在互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行安全傳輸?shù)闹匾夹g(shù)手段。本文采用《Image encryption using mapping array and random division》文獻(xiàn)中提到的快速加密/解密算法/隨機(jī)劃分算法，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)面向安卓平臺的圖像加密軟件。經(jīng)過測試，該軟件能夠在手機(jī)上正確運(yùn)行，能夠?qū)崿F(xiàn)圖像的解密以及解密，保證信息的安全。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]Z Tang，W Lan，Y Dai，et al.Image encryptionusing mapping array and random division[J].ICIC Express Letters，Part B：Applications，2011，12（6）：1297-1302.

[2]O Watanabe，A Nakazaki，H Kiya.A fast imagesc-ramble method using public-key encryption allowing backward compatibility with JPEG2000[C].Proc.Of IEEE Conference on Image Processing，Singapore，2004：3435-3438.

[3]D Qi.Matrix transformation and its application to im-age hiding[J].Journal of North China University ofTechnology，1999，11（1）：24-28.

[4]L Zhu，W Li，L Liao et al.A novel algorithm forscrambling digital image based on catchaotic mapping[C].Proc.Of the and IEEE International Conference on Intelligent Information Hiding and Multimedia Signal Processing，Pasadena，CA，USA，2006：601-604.

[5]Z Shang，H Ren，J Zhang.A block location scr-ambling algorithm of digital image based on Arnold transformation[C].Proc. Of the 9th International Con-ference for Young Computer Scientists，Zhangjiajie，China，2008：2942-2937.

[6]孫燮華.圖像加密算法與實(shí)踐[M].北京：科學(xué)出版社，2013.

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]