基于移動終端數字圖像加密問題的研究動態綜述

盧晟華

摘 要 本文依據相關理論研究成果，對移動終端圖像數據的加密進行梳理分析，在此基礎上設計實現一款移動終端企業級即時通信系統。以確保其在移動終端即時通信系統傳輸過程中的安全。本文提出一種適用于移動終端的圖像加密算法。算法以置亂-擴散為架構，使用離散斜帳篷映射迭代生成算法中使用的密鑰流、置亂和擴散分別采用簡單線性映射和異或運算實現。

關鍵詞 數字圖像 移動終端 加密技術 信息通信

中圖分類號：TP309.7 文獻標識碼：A

0引言

伴隨著移動網絡和智能移動終端的快速發展，人們在移動終端使用圖像的頻率越來越高，例如在朋友圈、微博中分享心情、美食時，通常會在文字后面添加一些圖像，讓好友們能更為形象的了解分享的內容。類似圖像分享這樣的應用場景，旨在分享圖像內容，對安全性的要求自然不高。相關學者提出的圖像加密算法專一針對移動終端設計，算法基于“置亂-擴散”架構，采用離散斜帳篷映射產生算法中使用的密鑰流。其中，密鑰流通過迭代方式生成；置亂算法為一個簡單的線性映射，方便代碼實現且速度性能高；擴散通過異或運算實現。這些設計保障了加密算法能在移動終端快速、高效的完成圖像加密任務。最后，在PC端和移動終端對算法做了實現，并對算法各方面性能進行了分析，實驗結果表明，該算法能勝任移動終端圖像加密任務。

1基于混沌系統的數字圖像加密研究現狀

在目前的算法中，混沌系統因其具有諸多適用于多媒體加密的特性，所以，基于混沌系統的加密方法被認為是多媒體加密中最具潛力的研究方向之一?；凇爸脕y-擴散”的混沌系統加密框架，學者們便將此加密框架應用于各種圖像加密算法中去。這些方案結合混沌系統產生的密鑰流對圖像中的像素進行置亂操作，從而破壞掉像素間的高相關性。常用的混沌映射有標準映射、貓映射、面包師映射等。

2數字圖像加密理論研究動態綜述

2.1數字圖像特點

如今常用的拍照設備，如手機、照相機等，其像素值一般在500萬以上，每個像素在計算機中用8位二進制來表示，如果不對圖像進行壓縮處理，那么一張灰度圖片要占據大概5M的存儲空間，如果是彩色圖像則要占用更大的儲存空間。圖像像素間相關性高。由于圖像是對某個景象的一個映像，除了圖像中的邊緣部分和紋理部分外，每一個像素的周邊像素都和該像素所呈現的內容大概一致，從而它們具有一定的相關性，而這種相關比率一般在95%以上。圖像像素容許在一定程度上被修改。圖像像素間的高相關性造成圖像像素的冗余性也較高，而人的視覺系統由于其自身特點對某些顏色和亮度并不敏感。所以，可以在保證視覺效果的前提下，對圖像像素做一些修改。例如壓縮圖像時像素的丟失、圖像縮放或者旋轉時造成的像素的增加或減少等。圖像像素值表達范圍有限。目前，作為使用最為廣泛的顏色系統之一，RGB色彩模式通過三個顏色通道的改變及其相互疊加來取得各種顏色，幾乎囊括了人類視覺系統能夠感知到的所有顏色。

2.2數字圖像加密主要研究方向

傳統的加密算法主要針對文本或二進制流，應用到圖像數據中時，沒有考慮到以上描述的圖像特點。如果按照順序依次加密，則圖像像素間的相關性沒有被破壞掉，而且明文和密文的統計特性一致，容易造成算法被破解。傳統加密算法應用于圖像時效果的不理想，催生了圖像加密技術的誕生。針對圖像的加密算法考慮到圖像自身特點以及人眼的視覺特性，降低了像素間的相關性，減少了算法計算量，提高了圖像安全性。針對圖像加密，國內外的學者們進行了深入的研究，提出了一系列圖像加密算法。按照算法中使用方法的不同，大致可以歸結為以下幾個方向：研究發現單一用AES加密算法加密圖像之后，明文和密文一一對應，圖像的熵值和直方圖沒有變化，從而致使算法易被攻破。隨后他們對AES做了改進，在算法中引入密鑰流產生器，一次加密過程使用多個密鑰，這樣密文空間變大了，從而圖像的熵值也變大，圖像的直方圖特征也被隱藏。實驗結果表明，改進算法的加密效果良好。在其文章綜述中對許多改進AES的加密算法做了介紹，他們或使用AES對圖像做選擇性加密、或者在頻域上進行AES加密，都取得了理想的加密效果。

2.3基于混沌系統的加密算法

混沌系統一般指對初值極度敏感的系統，具有確定性系統中的內在隨機性、對初值高度敏感性、長期不可預測性、吸引子周期軌道稠密性等特性。在密碼學、信息隱藏等領域，常常用到混沌系統的確定性系統內在隨機性和對初值的高度敏感性兩個特性。

對初值的高度敏感性是指隨著時間的推進，最初任意接近的初始條件也會呈現各自獨立的演化過程；確定性系統內在隨機性是指，混沌的定常狀態是始終局限于有限區域的、軌道不重復的、形式復雜的運動。混沌的不可預測性和對初值的敏感性造成了其內在隨機性，同時，也說明混沌系統是局部不穩定的?；煦缦到y的上述特點使其在加密算法中被廣泛使用?；煦缦到y一般分為離散混沌系統和連續混沌系統兩類。離散混沌系統使用差分方程表示，連續混沌系統使用微分方程表示。離散混沌映射具有迭代速度快和結構簡單等優點，常用于加密算法中。本文提出的加密算法中的置亂操作和擴散操作使用的密鑰是由一種改進的帳篷映射，離散斜帳篷映射產生的。基于變換域的加密算法通常采用離散余弦變換和小波變換等方法，得到圖像相應的變換域，通過對變換域系數的修改進而改變圖像的像素值，相應逆變換之后便得到加密圖像。這類算法通常選擇對人類視覺系統影響較大的系數進行修改，效果明顯且計算量小。但是各種變換方法的使用也會影響到算法的效率。這類算法的發展方向之一是和壓縮編碼結合，進一步減少加密的計算量和存儲量。

參考文獻

[1] 彭國軍，邵玉如，王泰格.基于Android的手機隱私保護技術及實現[J].信息網絡安全，2012（04）.