王玲

摘 要 ?本文從檔案圖像安全的研究背景入手，對(duì)國內(nèi)外檔案圖像的安全進(jìn)行現(xiàn)狀分析，說明了數(shù)字檔案圖像信息安全的重要性。簡要介紹幾種當(dāng)前數(shù)字檔案圖像的加密方法，提出基于混沌理論的數(shù)字檔案圖像加密方法，從加密結(jié)構(gòu)、模型建立和糾錯(cuò)機(jī)制三個(gè)方面進(jìn)行簡要分析，闡述混沌理論如何實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字檔案圖像的保護(hù)。

關(guān)鍵詞?混沌理論 數(shù)字檔案圖像 信息安全

檔案，是人類歷史文明的產(chǎn)物與財(cái)富，實(shí)現(xiàn)檔案的開放利用與安全保障，是檔案工作的基石與使命，是對(duì)歷史文化的傳承與開發(fā)。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的深入，使得檔案信息化發(fā)展加快，檔案行業(yè)也對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及其系統(tǒng)的依賴性不斷增強(qiáng)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在檔案信息化中扮演著重要的角色，由于網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的開放性，會(huì)給檔案圖像和信息系統(tǒng)帶來許多不確定的安全隱患，所以研究數(shù)字檔案圖像安全保障體系，對(duì)于確保我國數(shù)字檔案信息安全、數(shù)字檔案信息完整存儲(chǔ)和安全利用具有十分重要的作用，對(duì)我國數(shù)字檔案事業(yè)的順利進(jìn)行具有重大的推動(dòng)作用。

一、數(shù)字檔案圖像安全的研究背景

隨著數(shù)字技術(shù)以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，數(shù)字圖像[1]成為信息表達(dá)和傳遞的主要方式之一，被越來越多地應(yīng)用到政治、經(jīng)濟(jì)、軍事、教育等各領(lǐng)域，人們可以通過網(wǎng)絡(luò)便捷地傳輸各種圖像信息。然而，由于數(shù)字信息極易被復(fù)制、篡改、非法傳播和蓄意攻擊[2]，人們?cè)谙硎苄畔⒖旖荼憷耐瑫r(shí)，也對(duì)信息傳輸?shù)陌踩院捅Ｃ苄蕴岢隽烁叩囊?，尤其在政治、?jīng)濟(jì)、軍事等敏感場合對(duì)保密性和安全性的要求更激勵(lì)了人們對(duì)圖像信息安全的研究。而檔案圖像是由于其特殊屬性，往往比一般的數(shù)字圖像包含更多信息，其重要性也更加突出。

國外關(guān)注此課題研究的時(shí)間較早，因此也很早就開始采取相應(yīng)措施來應(yīng)對(duì)檔案圖像面臨的風(fēng)險(xiǎn)威脅，重視程度也超過我國，比較典型的兩個(gè)國家是美國和加拿大。他們?cè)谘芯繎?yīng)對(duì)策略的同時(shí)，也制定了詳細(xì)的法律法規(guī)作為依據(jù)，并且采取了較全面的安全措施來實(shí)施保護(hù)，方法值得我國學(xué)習(xí)。美國最早提出保護(hù)數(shù)字檔案信息安全的觀點(diǎn)，他們不僅建立了專門管理機(jī)構(gòu)，還將此觀點(diǎn)加入到美國的數(shù)字檔案信息安全保障體系中，也制定了十分完善的管理機(jī)制，檔案信息的數(shù)字化進(jìn)程已經(jīng)步入一個(gè)嶄新階段。

我國對(duì)于檔案圖像安全保障相關(guān)課題研究比國外晚，開始關(guān)注數(shù)字檔案信息安全是在20世紀(jì)90年代末，一直到2002年才開始對(duì)檔案圖像信息進(jìn)行更深層次的研究并且逐步完善其具體內(nèi)容。國內(nèi)研究人員提出數(shù)字檔案圖像[3]安全要進(jìn)行全面、多角度考慮，不僅要考慮到國家安危，也要涉及每一個(gè)檔案機(jī)構(gòu)，要從計(jì)算機(jī)相關(guān)技術(shù)和信息安全管理兩方面來對(duì)未知的安全隱患進(jìn)行預(yù)防，而且要在法律、標(biāo)準(zhǔn)、管理、技術(shù)和人才等方面將理論和技術(shù)相結(jié)合，雙管齊下來應(yīng)對(duì)數(shù)字檔案圖像面臨的各種風(fēng)險(xiǎn)[4]。

二、數(shù)字檔案圖像的加密方法

數(shù)字檔案圖像具有嚴(yán)謹(jǐn)性、歷史性和通用性，互聯(lián)網(wǎng)在生活中普及的同時(shí)，也便利了犯罪分子利用互聯(lián)網(wǎng)獲取未經(jīng)授權(quán)的圖像，因此圖像所有者需要可靠的圖像加密方法來保護(hù)他們的利益。圖像加密方法主要包括基于壓縮技術(shù)、基于DNA計(jì)算技術(shù)、基于數(shù)學(xué)公式或變換、基于混沌技術(shù)等方法。

基于壓縮的遙感圖像加密方法是一種復(fù)雜的、多維度、有效的加密方法。Li[5]利用壓縮感知、哈希函數(shù)、Arnold置亂和混沌置亂構(gòu)造了一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用壓縮感知對(duì)多個(gè)不同維度的信號(hào)進(jìn)行加密，解決了自適應(yīng)問題。劉艷等[6]提出了一種基于多模光纖散斑的壓縮感知結(jié)合雙隨機(jī)相位編碼的圖像加密方法。

基于DNA計(jì)算的圖像加密方法是近年來隨著DNA計(jì)算的發(fā)展而出現(xiàn)的一種新的加密方法。Wu[7]構(gòu)造了一個(gè)基于DNA編碼和兩個(gè)低維混沌系統(tǒng)的彩色圖像密碼系統(tǒng)，利用DNA規(guī)則將DNA矩陣轉(zhuǎn)換成加密圖像。郭永寧等[8]提出了一種基于2D-SIMM混沌映射和DNA編碼的圖像加密方法。Liu[9]提出了一種基于動(dòng)態(tài)DNA和4-D記憶超混沌的彩色圖像加密方法，該方法對(duì)三組原圖像進(jìn)行動(dòng)態(tài)編碼，得到三組DNA矩陣。Liu[10]設(shè)計(jì)了一種基于DNA堿基概率的圖像加密算法，用于遙感圖像的數(shù)據(jù)保護(hù)。Enayatifar[11]提出了一種基于DNA序列和圖像矩陣索引的多圖像加密方法。王宏達(dá)等[12]將DNA技術(shù)同元胞自動(dòng)機(jī)理論相結(jié)合，提出了一種新型的加密方法。

基于各種數(shù)學(xué)公式或變換的圖像加密方法受到了研究者的廣泛關(guān)注，利用復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式或變換實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的安全加密，增強(qiáng)了圖像的安全性。Li[13]提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于改進(jìn)隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的多輪圖像加密算法，該算法利用改進(jìn)的高斯誤差函數(shù)將混沌序列映射到另一個(gè)序列，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行截?cái)嗪椭亟M。Hosseinzadeh[14]設(shè)計(jì)了一種基于三維混沌系統(tǒng)和choquet模糊積分的圖像加密算法，引入了一種新型的基于正態(tài)分布的三維混合混沌映射，其choquet模糊積分利用b樣條函數(shù)對(duì)像素進(jìn)行置亂和擴(kuò)散。李穎瑩等[15]提出了一套新的多密鑰加密圖像檢索系統(tǒng)。在這套系統(tǒng)中，研究者應(yīng)用了局部敏感哈希、安全近鄰及代理重加密技術(shù)，同時(shí)結(jié)合了邊緣計(jì)算技術(shù)。

基于混沌技術(shù)的圖像加密技術(shù)，是由于混沌具有非周期性、連續(xù)性、類噪性和對(duì)初值敏感依賴性的特性。Diab[16]提出了一種基于動(dòng)態(tài)順序的算法，該算法在對(duì)圖像進(jìn)行置換時(shí)，利用chebyshevo-chebyshev混沌映射對(duì)平面圖像信息進(jìn)行水平和垂直置亂;然后利用修改后的邏輯映射對(duì)像素進(jìn)行擴(kuò)散。屈雙惠等[17]通過引入離子遷移憶阻器對(duì)原Chen系統(tǒng)的狀態(tài)方程進(jìn)行了變換，提出了一個(gè)基于憶阻混沌系統(tǒng)的圖像加密技術(shù)。李國東等[18]提出了一種基于改進(jìn)Logistic混沌映射的圖像加密方法，在這種方法中研究人員將置亂方法與多方向異擴(kuò)散相結(jié)合。莊志本等[19]提出了一種基于五維多環(huán)多翼超混沌系統(tǒng)的數(shù)字圖像加密方法。

三、運(yùn)用混沌原理應(yīng)用于數(shù)字檔案圖像安全

研究基于混沌理論的數(shù)字檔案圖像加密方法，首選需要通過大量的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，確定最優(yōu)的加密結(jié)構(gòu)，根據(jù)加密結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)以及檔案圖像的特殊性，建立基于混沌理論的檔案圖像加密模型，最后分析圖像傳遞中誤差可能出現(xiàn)的情況，完善糾錯(cuò)機(jī)制。

1.研究基于混沌理論的檔案圖像最優(yōu)加密結(jié)構(gòu)。首先分析圖像加密算法[20]的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，從密鑰的生成、混沌順序及序列的產(chǎn)生、圖像加密過程和圖像解密過程這四個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)的解析，并確定密鑰空間大小、混沌順序等一系列加密關(guān)鍵結(jié)構(gòu);接著，研究混沌圖像加密算法[21]中常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)，例如，衡量密鑰雪崩效應(yīng)的密鑰敏感性指標(biāo)、用于測試統(tǒng)計(jì)信息的直方圖和相鄰像素相關(guān)系數(shù)以及用于衡量算法抗差分攻擊或明文雪崩效應(yīng)的平均像素變化率和歸一化平均變化強(qiáng)度，并結(jié)合實(shí)際的例子，對(duì)每個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析;最后，對(duì)現(xiàn)有混沌圖像加密的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的比較和分析。對(duì)常用的四種操作進(jìn)行比對(duì)實(shí)驗(yàn)，并通過評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)各類結(jié)構(gòu)的加密效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，找出各種操作的利弊。同時(shí)，還分析不同輪數(shù)對(duì)加密效果的影響，根據(jù)檔案圖像的特點(diǎn)，確定最優(yōu)加密結(jié)構(gòu)。

2.建立基于混沌理論的檔案圖像加密方法：首先，根據(jù)已確定的檔案圖像最優(yōu)加密結(jié)構(gòu)，確定采用的混沌映射。迭代混沌映射產(chǎn)生混沌序列，去除暫態(tài)效應(yīng)，并將檔案圖像與混沌序列進(jìn)行編碼。然后，擬將初始密鑰設(shè)為16個(gè)0—255之間的數(shù)字，并將初始密鑰等分為前后兩個(gè)部分，也就是每一部分都是8個(gè)0—255之間的數(shù)字。將前半部分的初始密鑰作為一個(gè)混沌映射的參數(shù)和初始值。其次，香農(nóng)在其經(jīng)典論文中提出設(shè)計(jì)密碼系統(tǒng)的兩個(gè)基本的原則：置亂和擴(kuò)散。置亂的目的是使明文和密文的關(guān)系盡可能的復(fù)雜[22];擴(kuò)散的目的是使明文統(tǒng)計(jì)的冗余度被消耗在密文的統(tǒng)計(jì)中，它意味著密文信息應(yīng)該以一種復(fù)雜的形式依賴于明文信息。采用置亂——擴(kuò)散加密方法，對(duì)編碼后的檔案圖像進(jìn)行加密。最后，將加密后檔案圖像信息進(jìn)行反編碼，生成加密后的檔案圖像。再對(duì)該混沌檔案圖像加密方法的抗干擾能力進(jìn)行分析，擬分別引入高斯噪聲、泊松噪聲以及椒鹽噪聲干擾加密后的圖像。通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)基于混沌理論的檔案圖像加密方法的抗干擾能力。

3.研究檔案圖像加密方法的糾錯(cuò)技術(shù)：首先，在基于混沌理論的檔案圖像加密方法中，需要用到混沌映射參數(shù)設(shè)置、密鑰生成與分配、置亂與擴(kuò)散[23]等一系列操作，詳細(xì)研究每一步操作，并分析誤差產(chǎn)生的機(jī)理。其次，總結(jié)上述各類誤差產(chǎn)生的機(jī)理，并依據(jù)誤差對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響大小，選出影響較大的幾類誤差。根據(jù)誤差的性質(zhì)，結(jié)合糾錯(cuò)碼理論的研究成果，選擇合適的糾錯(cuò)碼用于混沌檔案圖像加密方法的糾錯(cuò)，建立基于混沌理論的檔案圖像的糾錯(cuò)技術(shù)。最后，依據(jù)上述的檔案圖像糾錯(cuò)技術(shù)，調(diào)整并改進(jìn)檔基于混沌理論的檔案圖像加密方法，使得該型具有部分糾錯(cuò)能力，并及時(shí)調(diào)整方法的參數(shù)以及加密結(jié)構(gòu)及過程，確保結(jié)果的準(zhǔn)確性。

四、數(shù)字檔案圖像信息的安全技術(shù)展望

圖像加密作為信息防護(hù)的主要手段，在檔案圖像信息[24]的信息保護(hù)與完整性認(rèn)證方面得到了迅猛的發(fā)展。由于數(shù)字檔案圖像信息的數(shù)據(jù)量巨大[25]，且相鄰像素間具有很強(qiáng)的相關(guān)性，因此需要更加安全、可靠和實(shí)用的檔案圖像加密方法及實(shí)現(xiàn)技術(shù)，以應(yīng)對(duì)新的挑戰(zhàn)。隨著電子信息安全防護(hù)研究的不斷深入，混沌理論以及未來出現(xiàn)的加密方法應(yīng)用于數(shù)字檔案圖像[26]的加密技術(shù)將會(huì)得到更加長遠(yuǎn)的發(fā)展。

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