1 引言

由于圖像數(shù)據(jù)量大、像素點間相關(guān)性強、實時性要求高的特點，現(xiàn)有的數(shù)字圖像加密技術(shù)或方案大多通過設(shè)計數(shù)據(jù)運算量相對較低的算法以保證圖像安全性、低時延以及高效率的性能要求。而5G技術(shù)的發(fā)展可能給數(shù)字圖像加密技術(shù)帶來新機遇：5G網(wǎng)絡(luò)速度快、功耗低、時延低的特點可以改進(jìn)數(shù)字圖像加密解密過程中的數(shù)據(jù)運算量龐大、時間消耗長問題。以往算法復(fù)雜而安全性高的加密設(shè)計或許可以被重新考慮，現(xiàn)有的加密設(shè)計也可以提高算法難度或擴大基礎(chǔ)數(shù)據(jù)量，從而進(jìn)一步提升數(shù)字圖像在應(yīng)用過程中的安全性和便捷性。本文首先介紹數(shù)字圖像加密技術(shù)的局限性，進(jìn)而根據(jù)圖像處理的技術(shù)特點和數(shù)字圖像加密技術(shù)的局限探討其在5G框架下改進(jìn)方向。

2 數(shù)字圖像加密技術(shù)的局限性

一般的，數(shù)字圖像加密技術(shù)按照圖像所在域分為空域圖像加密技術(shù)和頻域圖像加密技術(shù)，前者直接將圖像看做二維矩陣進(jìn)行數(shù)字化，后者基于某種變換方式如傅里葉變換將圖像信息以復(fù)數(shù)方式存儲運算。對數(shù)字圖像的加密和解密操作主要包括兩個方面：圖像像素點位置的改變，即置換操作；圖像像素點像素值的改變，即擴散操作。所以圖像加密算法的本質(zhì)就是圖像置亂算法。大部分的數(shù)字圖像加密解密方案都是通過設(shè)計復(fù)雜的置亂算法及密鑰，使圖像信息變換為類似信道隨機噪聲的信息以達(dá)到加密效果，同時通過密鑰空間大小分析、加密解密速度分析、密文統(tǒng)計特性分析、密鑰敏感性分析等性能分析判定其加密效果、安全性是否良好。通用的加密算法模型如圖1所示。下面具體介紹數(shù)字圖像加密的局限性。

圖1 通用加密算法模型

圖像數(shù)據(jù)量大、像素點間相關(guān)性強的特征通常使加密后的圖像數(shù)據(jù)容易受到來自各種密碼分析方法的攻擊。①由于圖像數(shù)據(jù)量大、要求實時傳輸及整體加密解密過程數(shù)據(jù)運算量受限的原因，密鑰空間的大小設(shè)置是有限的，攻擊者可以對密鑰空間窮搜索進(jìn)行強力攻擊。理論上，利用窮盡法破解加密或解密系統(tǒng)只需嘗試密鑰空間中一半密鑰，因此，隨著現(xiàn)代科技計算能力的提高，此種窮舉攻擊已成為巨大隱患；②圖像數(shù)據(jù)量大、像素點間相關(guān)性強，鄰近的像素很可能有近似的灰度值，攻擊者可以獲得足夠多的明文、密文樣本進(jìn)行統(tǒng)計分析，利用已知明文攻擊、選擇密文攻擊、唯密文攻擊等方法達(dá)到破解目的。利用統(tǒng)計分析可以降低暴力破解的計算復(fù)雜程度，這就要求通過加密算法得到的密文圖像的像素點位置和像素值呈均勻分布、相鄰像素點間的相關(guān)性應(yīng)該盡量達(dá)到零相關(guān)，這要求必然導(dǎo)致加密解密過程中數(shù)據(jù)運算量加大、加密解密時間耗費長，無法滿足實時性要求，加密效率低。

空域圖像加密算法得到的明文、密文圖像敏感性一般都不高，容易受到攻擊，但是可以實現(xiàn)無損耗加密解密，要想提高敏感性需要多次循環(huán)擴散，這樣會大大降低加密效率。由于空域像素點像素值任意一點發(fā)生變換，在相應(yīng)的頻域都會發(fā)生強烈改變，因此經(jīng)過變換的頻域圖像通過加密算法得到的明文、密文敏感性非常高。但是，頻域圖像加密算法十分復(fù)雜，圖像像素值是復(fù)數(shù)形式，需要將其實部和虛部分開存儲，這在圖像的存儲和傳輸帶來極大的不方便，另外，由于計算機能顯示的位數(shù)有限，頻域圖像加密后不能無失真還原。

數(shù)字圖像加密技術(shù)雖然有諸多局限性，但是由于其現(xiàn)實生活中的迫切需要以及無限可能的研究價值，國內(nèi)外研究學(xué)者仍努力尋求最優(yōu)方案，同時攻擊者也不斷破解，數(shù)字圖像加密技術(shù)就是在這種加密、破解的環(huán)境中發(fā)展著。5G的到來或許可以給數(shù)字圖像加密技術(shù)帶來新機遇。

3 5G框架下數(shù)字圖像加密技術(shù)的發(fā)展趨勢

5G技術(shù)的發(fā)展，聯(lián)合大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等技術(shù)，它們將開啟物聯(lián)網(wǎng)時代，并滲透至各個行業(yè)。在5G的未來應(yīng)用場景中，圖像占有不可或缺的席位，例如：計算機圖像實時渲染和建模的云VR、需要利用圖像實現(xiàn)功能的車聯(lián)網(wǎng)、無線醫(yī)療、無線家庭娛樂、視頻監(jiān)控、無人操作、智慧城市等。面對大爆發(fā)的圖像應(yīng)用需求以及高質(zhì)量的服務(wù)需求，現(xiàn)有的數(shù)字圖像加密設(shè)計方案難以滿足大容量的圖像信息加密處理需求，以及多渠道、快速度的惡意盜取和竊取，探索在5G框架下新的數(shù)字圖像加密設(shè)計方案十分有意義。

總所周知，5G技術(shù)的特點是超高速率、超低時延、超大連接。在超高速率方面，5G速率最高可以達(dá)到4G的100倍，數(shù)據(jù)傳輸速度將大幅提升；在超低時延方面，5G的空口時延可以低到1毫秒，僅相當(dāng)于4G的十分之一，遠(yuǎn)高于人體的應(yīng)激反應(yīng)，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸時延在5G技術(shù)下幾乎不受影響，甚至加大幾倍也無任何差別；在超大連接方面，5G每平方公里可以有100萬的連接數(shù)，具備超千億連接的支持能力，數(shù)據(jù)的傳輸方式可以因此有新改變。針對數(shù)字圖像加密要求及特點，本文提出在5G框架下數(shù)字圖像加密技術(shù)改進(jìn)的的3種新趨勢，具體如下。

（1）分塊式處理

面對龐大的圖像數(shù)據(jù)，要進(jìn)行快速顯示瀏覽、加密解密，最大、最難以解決和改變的問題是計算機的內(nèi)存。它要求在硬件配置上有更多的內(nèi)存、更大的硬盤、速度更快的數(shù)據(jù)總線，但是，硬件配置的提高不僅成本昂貴，而且更新的速度也相對較慢。圖像分塊技術(shù)是將圖像分成小塊，按照傳統(tǒng)的矩陣模式存放，操作時依次處理，既滿足客戶對于圖像顯示的實時性要求也滿足了對網(wǎng)絡(luò)流量的要求。對于數(shù)字圖像加密來說，先分塊處理，再合成，一般適用于空域加密技術(shù)，變換域的操作與相鄰像素點有關(guān)系，分塊處理破壞了圖像的完整性，不合適。在5G框架下，面對海量爆發(fā)的圖像數(shù)據(jù)，圖像分塊處理不僅可以提高圖像整體的傳送速率，單塊的圖像數(shù)據(jù)也可以做更復(fù)雜的加密處理，提高了圖像加密的安全性。另外，依托5G技術(shù)本身的特點超大連接，可以將分塊后的圖像進(jìn)行隨機零散分布，降低了完整圖像被惡意盜取或篡改的風(fēng)險，同時這些操作消耗的多余時長可以由5G技術(shù)本身的超高速率和超低時延特點抵消，在用戶的視覺心理體驗上不會造成太大誤差。

（2）分割式處理

在數(shù)字圖像處理技術(shù)中，有一個很重要的手段就是圖像分割，它將數(shù)字圖像劃分為互不相交的區(qū)域，包括基于閥值的分割、基于區(qū)域的分割、基于比特的分層等。圖像分割需要正確的分割技術(shù)，由于圖像可能受噪聲影響、存在不清晰部分、有陰影等問題，計算機自動進(jìn)行分割處理的圖像通常會發(fā)生錯誤。5G框架下人工智能的發(fā)展可以通過大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)優(yōu)化計算機的識別能力，幫助計算機實現(xiàn)精準(zhǔn)的圖像分割。分割好的各部分圖像信息是相互獨立的，可以分別進(jìn)行獨立的加密操作，不會造成圖像信息的交叉混亂，同時整體的數(shù)字圖像加密操作可以并行實現(xiàn)，大大提高了圖像加密的效率。利用圖像分割技術(shù)對需要加密的圖像進(jìn)行預(yù)處理，需要大量的存儲空間，使得這一方式在目前的實際應(yīng)用中存在局限性，但是，未來的云服務(wù)、云計算、云存儲可以給這個問題帶來新的解決方式。

（3）提高算法復(fù)雜程度，多種加密技術(shù)手段結(jié)合

在經(jīng)過圖像分塊或分割處理后，單位圖像的數(shù)據(jù)量相對整體的是非常小的，且5G技術(shù)的發(fā)展帶動云計算、大數(shù)據(jù)、云存儲等技術(shù)的發(fā)展可以使海量的運算不成問題。因此，以往因算法復(fù)雜數(shù)據(jù)運算量大但安全性好的數(shù)字圖像加密算法可以重新被考慮在實際應(yīng)用中使用，例如基于混沌運動的超混沌系統(tǒng)加密、多維混沌系統(tǒng)加密、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字圖像加密技術(shù)等等，現(xiàn)有的加密算法也可以豐富和疊加，例如置換后的圖像可以進(jìn)行二次、多次置換以達(dá)到像素點隨機均勻分布的要求。5G技術(shù)的發(fā)展為數(shù)字圖像加密處理數(shù)據(jù)計算量大、時延高的提供了改進(jìn)可能，當(dāng)前的算法設(shè)計復(fù)雜程度與軟件硬件限制、安全性要求的比例可以進(jìn)一步提高。

對于數(shù)據(jù)信息的加密處理，還有一種信息隱藏技術(shù)，主要分為隱秘技術(shù)和水印技術(shù)，它將特定的信息嵌入到數(shù)字化信息如文本、聲音、圖像中，目的不在于限制信息的訪問和存取而是在于不被監(jiān)控者引起重視和監(jiān)控。對于重要的圖像，可以先提取特別重要和關(guān)鍵的信息，然后利用信息隱藏技術(shù)將秘密信息嵌入到普通信息中，信息隱藏技術(shù)和數(shù)字圖像加密技術(shù)相互作用、相互配合，達(dá)到更高的安全級別。5G的發(fā)展給數(shù)據(jù)的計算容量帶來新改變，多種數(shù)據(jù)信息處理技術(shù)相結(jié)合也將變?yōu)榭赡?，如何在實際應(yīng)用中相互配合需要進(jìn)一步的研究。

4 結(jié)束語

隨著5G技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，未來將是萬物互聯(lián)的時代，多媒體信息占有比例將會越來越重，而圖像作為最直觀、最便捷的視覺信息將會被廣泛利用在各個方面，如何實現(xiàn)圖像信息在開放的互聯(lián)網(wǎng)中安全傳遞是一個意義重大的課題。本文依據(jù)現(xiàn)有的數(shù)字圖像加密處理過程中的局限性，提出3個在5G技術(shù)發(fā)展下的新可能，希望可以對數(shù)字圖像的加密設(shè)計提供新思路。