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基于Arnold置乱的数字图像加密算法的研究与实现毕业设计论文.doc
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1、基于Arnold置乱的数字图像加密算法的研究与实现毕业设计论文毕业设计(论文) 题 目:基于Arnold置乱的数字图像加密算法的研究与实现 基于Arnold置乱的数字图像加密算法的研究与实现第一章 综述1.1数字图像在一切数字化信息中,图像信息是一种非常直观而又含有大量信息的载体,此所谓“千言万语不及一张图”。目前,图像的所有者可以在Internet上发布和拍卖他所拥有的图像,这种方式不但方便快捷、不受地域限制,而且可以为所有者约大量的费用。从广义上说,图像是自然界景物的客观反映,是人类认识世界和人类本身的重要源泉。图像对我们并不陌生,它是用各种观测系统以不同形式和手段观测客观世界而获得的,可
2、以直接或间接作用于人眼进而产生视知觉的实体。人的视觉系统就是一个观测系统,通过它得到的图像就是客观景物在人眼中形成的影像。图像信息不仅包含光通量分布,而且也还包含人类视觉的主观感受。随着计算机技术的迅速发展,人们还可以人为地创造出色彩斑斓、千姿百态的各种图像。我们生活在一个信息时代,科学研究和统计表明,人类从外界获得的信息约有75来自视觉系统,也就是从图像中获得的。这里图像是比较广义的,例如照片、绘图、视像等等。图像带有大量的信息,百闻不如一见,就说明了这个事实。客观世界在空间上是三维(3D)的,但一般从客观景物得到的图像是二维(2D)的。一幅图像可以用一个2D数组来表示,这里和表示2D空间中
3、一个坐标点的位置,而则代表图像在点的某种性质的数值。例如常用的图像一般是灰度图,这时表示灰度值,它常对应客观景物被观察到的亮度值。常见图像是连续的,即的值可以是任意实数。为了能用数字计算机对图像进行加工处理,需要把连续的图像在坐标空间和性质空间都进行离散化。这种离散化了的图像就是数字图像,可以用来表示。这里代表离散化后的,代表离散化后的,其中代表图像的行(row),代表图像的列(column)。这里的值都是整数。本文以后主要讨论数字图像,在不引起混淆的情况下我们用代表数字图像,如不特别说明都在整数集合中取值。一般地,模拟图像经采样离散后得到的数字图像具有以下的特点:(1)图像数据信息量很大。例
4、如取512512个象素组成一幅数字图像,如其灰度级用8比特的二进制来表示,则有28=256个灰度级,那么这幅图像的数据信息量即为5125128=2097152比特。若是彩色图像,数据量会更大。对这样大数据量的图像进行处理,必须要有计算机才能胜任,而且计算机的内存量要大。(2)数字图像占用的频带较宽。与语言信息相比,占用的频带要大几个数量级。如电视图像的带宽为5.6MHz,而语言带宽仅为4kHz左右。频带愈宽,技术实现的难度就越大,成本亦高,为此对频带压缩技术提出了较高的要求。(3)数字图像中各个象素不是独立的,其相关性很大。就是说,有大块区域的灰度值是相差不大的。例如在一幅数字电视图像中,同一
5、行中相邻两个象素或相邻两行的象素,其相关系数可达0.9,而相邻两帧电视图像之间的相关性比帧内相关性还要大一些,因此图像信息的冗余度很大。(4)数字图像是需要给人观察和评价的,因此效果的好坏受人的因素影响较大。由于人的视觉系统很复杂,数字图像受环境条件、视觉性能、人的主观意识的影响很大,因此要求系统与人的良好的配合,这还是一个很大的研究课题。1.2 信息安全随着网络技术的发展,大量个人和公众信息在刚络上传播,使得信息的安全问题成为人们关注的热点,信息的安全与保密不仅与国家的政治、军事和外交等有重大的关系,而且与国家的经济、商务活动以及个人都有极大的关系。随着信息化社会的到来,数字信息与网络已成为
6、人们生活中的重要组成部分,他们给我们带来方便的同时,也给我们带来了隐患:敏感信息可能轻易地被窃取、篡改、非法复制和传播等。而信息安全中图像安全是大家所关心的。对于图像信息,传统的保密学尚缺少足够的研究。随着计算机技术与数字图像处理技术的发展,对此已有一些研究成果。近年来,相继召开了多次信息隐藏的国际学术会议,图像信息隐藏及在图像中隐藏信息问题为其重要议题之一,且有关的论文以保护多媒体数据版权的数字水印技术为主。多媒体数据,尤其是图像,比传统的文字蕴涵更大的信息量,因而成为人类社会在信息利用方面的重要手段。因此针对多媒体信息安全保护技术的研究也显得尤为重要,多媒体信息安全是集数学、密码学、信息论
7、、概率论、计算复杂度理论和计算机网络以及其它计算机应用技术于一体的多学科交叉的研究课题。对通讯安全的研究不仅包括加密,还包括以隐藏信息为根本的信息安全。作为多媒体信息安全技术的研究方法,目前有多媒体信息加密和多媒体信息隐藏技术两种。多媒体信息加密:随着计算机网络多媒体技术和现代电子商务的不断发展,在机要、军事、政府、金融和私人通信中,多媒体信息加密技术已经成为一项非常实用又亟待快速发展的关键技术。保护图像信息安全最经济有效的方法之是采用密码技术,但是,一方面传统的加密算法如DES和RSA,一般是基于文本数据设计的,它把一段有意义的数据流(称为明文)转换成看起来没有意义的数据(成为密文)。由于将
8、明文数据加密成密文数据,使得在网络传递过程中非法拦截者无法从巾获得信息,从而达到保密的目的。与文本信息相比,数字图像有着数据量大、信息相关性强、抗干扰能力强等特点,直接采用针对文本的加密算法来保护图像信息并不合适另一方面已有加密算法的抗破译能力不强,出于硬件技术的速发展,使得已有的加密算法的抗破译能力受到质疑,如著名的DEs算法,实际密钥只有飘比特,有报道称15用专用的设备9小时内能破解用它加密的信息。这样目前的传统加密方法如DES、3-DES或RSA等就很难满足多媒体应用中的实时性,安全性等要求。因此,新型的多媒体应用需要新的数据加密技术。近年来,在这方面的研究取得了一些成果,主要针对视频数
9、据和图像数据。多媒体信息隐藏技术:人们往往认为对通讯内容加密即可保证通讯的安全,然而在实际中这是远远不够的。有时我们不仅仅要使用加密技术来加密一条消息的内容,还要力图隐藏消息的发送者、接收者,甚至是消息本身的存在,因为这样做就不会引起非法破译者的注意。可以追溯到遥远的古代信息隐藏技术不同于传统的密码学技术,密码技术主要研究将机密信息进行特殊的编码,形成不可识别的密码形式(密文)进行传递;信息隐藏不同于密码学中对信息内容的保护,隐秘术着眼于隐藏信息本身的存在。主要研究如何将一机密信息秘密隐藏于另一公开的信息中,然后通过公开信息的传输来传递机密信息。对加密通信而言,可能的监测者或非法拦截者可截取密
10、文并对其进行破译,或将密文进行破坏后再发送,从而影响机密信息的安全;但对信息隐藏而言,可能的监测者或非法拦截者难以从公开信息中判断机密信息是否存在或截获机密信息,从而保证机密信息的安全。信息隐藏技术由于其具有的特点和优势,己成为当今多媒体信息安全技术的一大重要研究热点。由于图像信息形象、生动,因而被人类广为利用,成为人类表达信息的重要手段之一。图像比声音、文字等蕴涵更多的信息量,因而在多媒体信息中占有举足轻重的地位,数字图像信息安全是多媒体信息安全的重要组成部分。因此本文以数字图像为基础,研究数字图像信息安全技术。当然,其技术也可应用到其它的多媒体信息安全中。信息加密与信息隐藏在研究领域和工业
11、应用中,越来越受到密切的注意。它们从不同的角度保证信息的安全,如果我们将信息加密与信息隐藏有机地相结合,可进一步提高信息的安全性。此外,需要注意的是,解决信息安全问题,并不仅仅依赖于技术和算法(如加密芯片、安全协议等)等措施,还依赖于健全的法制措施、道德观念和健全的保密措施。采用传统密码学理论开发出来的加解密系统,对于待加密文件的处理是将其加密成密文再进行传送,使得在网络传递过程中的非法栏截者无法从中获取机密信息,达到保密的目的。传统的加密系统如DES和IDEA等是基于迭代乘积密码实现的。在这些方法中,为保证安全性,一般主要依靠由密钥以非常复杂的方式控制的替换过程,对于数据量极为庞大的多媒体数
12、据流而毒,难以实现快速的加、解密算法。由于多媒体信息有其自身的特点,因此我们必须结合多媒体信息的特点,研究适合多媒体信息的加密技术。随着人们对知识产权的重视及娱乐业的发展,可以预见,多媒体信息的加密技术将会有广阔的应用前景。与文本信息不同,数字图像的数据有着自己独特的性质:如数据量大,冗余度高、像素间相关性强等等。这使得在处理图像数据时传统的加密方法显得效率不高、效果不理想。数字图像加密的特殊性在于:(1)数据量大、冗余度高的特征通常使加密后的图像数据容易受到来自各种密码分析方法的攻击:数据量大,攻击者可以获得足够多的密文样本进行统计分析:冗余度高,邻近的像素很可能具有近似的灰度值。传统的加密
13、算法未能很好解决这一棘手问题。(2)与文本相比,图像的数据量大得多。这使得图像的实时加密变得非常困难。数据量大使传统的加密算法加密一幅图像需花费较长的时间,而且数字图像一般以二维数组形式进行存储,传统加密算法在加密前得先将图像数据转换成二进制的数据流,这些都降低了加密的效率。对于实时图像处理,若加密算法运行速度很慢,即使保密性能非常好,它也将没有任何实际价值。(3)图像中相邻像素之间有很强的相关性,这使快速置乱数据变得非常困难。香农在信息论中提到,一个足够安全的加密算法应该满足E(P/c)=E(P)。其中P表示明文消息,c表示密文消息。也就是说加密后的信息要有足够的随机性,不应反映任何明文信息
14、。图像学阐述了一幅图像在水平、垂直和对角线方向上相邻的16个像素内都存在相关性。一个均匀分布的信息源具有极大的不确定性。因此理想的密文应该拥有一幅均衡的直方图,它的任何两个相邻像素应该是统计上互不相关的。(4)数字图像信息并不像文本信息那么敏感,它允许一定的失真度,只要将图像失真控制在人的视觉不能觉察时是完全可以接受的。许多情况下,甚至视觉上觉察到一定的失真也是可以的。一般来讲,图像的安全性由实际的应用情况所决定,除了军事应用等特殊情况外,通常图像信息的价值很低因此没必要对所有类型的图像都应用级别很高的加密算法。鉴于上述图像数据的特殊性质,迫切需要设计一些适合数字图像数据特点的加密方案。信息安
15、全1.3图像加密技术的分类由于数字图像的数学表示方法不同,再结合不同的应用和适用场合,研究学者已经给出了多种数字图像加密技术,并取得了一些显著的研究成果。近年来,随着国际互联网络与多媒体技术的迅速发展,数字图像已经逐渐克服了往日因存储量巨大而带来的种种问题,成为信息表达方式的主流,数字图像信息的安全问题成为国际上研究的焦点问题。数字图像具有信息量大、信息表达直观的特点,它的安全保密显然与以往在计算机上所面对的文本数据截然不同。数字图像信息安全保密是结合数学、密码学、信息论、计算机视觉以及其它计算机应用技术的多学科交叉的研究课题。在目前的相关文献中,数字图像加密的方法有很多种。按照加密手段的不同
16、,可分为:基于现代密码体制的加密方法:基于混沌理论的加密方法;基于矩阵变换或像素变换的加密方法等等。按照加密对象的不同,可分为:对空间域像素值的加密方法、对变换域系数的加密方法等等。按照加密时结合的技术可分为:结合图像编码技术的加密方法;结合图像压缩技术的加密方法;结合神经网络的加密方法等等。这些方法相互独立有相互关联,甚至一些方法的结合使用更能达到意想不到的加密效果。在不同的应用场合、不同的加密要求下,可以选择适当的加密方法。1.4 图像置乱与Arnold算法针对图像作品的保护措施有许多种,其中图像置乱和数字图像加密技术受到了广泛的重视。对于图像认识的不同,决定了图像处理方式的不同。有人认为
17、图像是二维连续函数,那么就可以利用微分算子和微分方程理论来对图像进行处理和识别:有人认为图像是迭代函数系统的吸引子, 同样对于某个迭代函数系统的描述可以用来代替对于一幅图像的描述, 这种观点对分形图形的理论研究很有帮助;有人认为图像是多重集上的全排列,对原始图像采取不同的排列变换,可生成不同的图像。利用这种观点不仅可以研究图像的生成,而且可以进一步研究图像和图像群的某些性质,这就为图像处理与集合论之间架起了一座桥梁,从而可以运用组合数学和群论等数学手段对图像和图像群进行更为深入的研究,在图像处理中提出新的方法来。数字图像置乱是一种数字图像空间域的变换,它通过对图像空间的重新分布来打乱各像素的次
18、序,但其像素总数目不变,直方图不变,使一幅图像变得面目全非,因其分散性较好,所以也有人运用这种技术来生成人工仿真的布料纹理。数字图像置乱也是对数字图像的一种加密技术,它使得合法使用者可以自由控制算法的选择、参数的选择以及使用随机数技术,这就加大了攻击者非法破译的难度。常用的数字图像置乱技术是基于Arnold变换、幻方变换、分形Hilbert曲线、Tangram算法、IFS模型、Conway生命游戏、Gray码变换、广义Gray码变换等的方法。Arnold变换通过矩阵运算对原始图像的点阵位置进行变换,其变换具有周期性,即通过一定次数的迭代运算,可以将置乱后的图像还原成为原始图像,其迭代周期与图像
19、的大小有关,但其周期与图像的大小呈现非线性关系。Arnold变换可以将图像的错误分散出去,所以用在数字图像水印时其鲁棒性较好。目前,关于Arnold变换置乱的研究有一些成果,Arnold变换与小波变换相结合能够进一步提高对数字信息的保护,能有效隐藏和保护水印信息,抵抗常见的对图像的恶意攻击,鲁棒性好。还有一种算法提出了在小波域的中频系数中自适应嵌入水印的算法。该算法能够利用人类视觉模型的频率掩盖特性对嵌入水印的强度能够进行自适应的调整。选择一幅有实际意义的二值图像作为数字水印,通过对原始图像进行多级小波分解后,自适应的修改选择的中频系数来进行嵌入。实验结果表明:该算法具有很好的隐蔽性,并且对J
20、PEG压缩、加性高斯噪声和椒盐噪声、中值滤波等图像处理操作具有很强的鲁棒性。关于Arnold变换置换还有许多研究成果。1.5 本章节安排本文章节安排如下:第一章,介绍了数字图像的基础知识,图像加密的意义以及Arnold算法的简单原理。第二章,介绍分组密码的设计理论,包括分组密码设计的安全性原则、分组密码的数学模型、迭代分组密码的整体结构和分组密码的参数选取以及Rijndael算法的数学原理。第三章,阐述了混沌序列的数学原理以及设计过程,重点介绍了logistic方法。第四章,阐述了基于Rijndael算法和混沌序列的图像加密的试验过程。第二章 基于置乱的数字图像加密置乱加密技术的基本思想可以追
21、溯到大约50BC高卢战争期间当时古罗马皇帝恺撤设计出的恺撒密码(通过把26个英文字母循环移位将明文转换成密文)。这种字母置换可以看成是一维数据流的值置换,在一定程度上达到了保护信息的目的。之后逐步发展为密本、多表代替及加乱等各种密码体制。置乱加密技术在信息安全中的最早应用是用在了语音模拟信号上。受技术条件限制,早期的保密电话和电台话音加密都是直接对模拟信号加密,通过改变语音信号的时间、频率、幅度特征使原来的话听不懂。比如把话音的频谱划分成若干个子带,重新排列它们的次序以达到置乱的效果。这种模拟加密体制的音质差、保密强度低,用专门的分析仪器可以破译。后来,在语音时域保密中也引入了置乱思想:把一个
22、或几个音节的语音波形分割成若干小段,再用换位方法,把这些小段搅乱重排,然后传输;到达接收端,进行反变换还原语音信号。七十年代出现了时段置乱,到了八十年代,时频二维置乱得到应用。近年来,已有很多文献提出了语音置乱的方法,如异步语音置乱算法,时频扰乱法等等。随着技术的发展,对于模拟电视信号,也常常采用置乱的方法进行加密。模拟置乱加密体制中有幅度置乱和时序、同步抑制和全图像倒置置乱、随机行倒置置乱、时序倒置置乱、行置换置乱、行平移置乱、行循环置乱、行分量切割置乱和象素置乱等等。以上置乱加密技术在语音中的应用为研究数字图像的置乱加密技术提供了依据,打下了良好的基础。随着计算机技术的飞速发展,图像置乱加
23、密技术已成为数字图像安全传输和保密存储的主要手段之一。其基本方法是把一幅图像经过变换或利用数学上的知识,搅乱象素位置或颜色,将原来有意义的图像信息变换成一幅“杂乱无章”的图像,无法辨认出原始图像信息,从而达到在一定程度上迷惑第三方的目的。为了确保其机密性,算法中一般引入密钥。图像合法接受方借助密钥,通过相应算法的逆变换可解密出原始图像,这一过程又称去乱。此外,目前给出的置乱加密算法大多是基于数学变换的,去乱过程有时也可通过置乱加密的周期性获得。目前,数字图像置乱加密的方法已有许多种,这些方法在一定的应用范围中各自起到了积极的作用。由于置乱加密不仅用于图像信息的保密,同时也是图像信息隐藏、图像信
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