淺談圖像加密系統的設計

孟令國

【關鍵詞】數字圖像;安全;泄露;篡改;Rijndael 算法

（一）研究背景及意義

21世紀的今天“Digitizing”、“Informatization”不斷發展，并逐漸深入到人們的生活中。數字圖像的普及應運而生，它以快速、便捷等優勢深受人們的喜愛，也是人們溝通交流不可或缺的一部分。運用頻率的提升人們，也關心其安全性[1]。

圖像數據的可靠安全處理是當前研究的重要方向之一，它具有保證圖像信息的安全、拓展加密技術的研究領域等意義。

（二）技術算法

1、Rijndael算法的詳細描述

（1）算法簡介

Rijndael算法是美國政府取代早期的數據加密標準而使用的標準加密算法。它是基于置換和代替的，主要優勢便是允許數據區塊以及密鑰的長度獨立變化。

2、偽隨機數

（1）動力系統生成偽隨機數序列

偽隨機數是密碼學中最重要的一項技術，它是密碼系統安全性的重要保障。混沌序列便是偽隨機數的產物[2]。混沌序列產生公式：

（2） 二進制混沌偽隨機序列

表達式： = f（ ）

非周期、不收斂、非線性是改隨機數列的特點，選取初始值，通過反復迭代產生混沌序列 ，在通過f（ ）產生二進制混沌偽隨機序列做密鑰。

（一）數字圖像置亂

隨著電腦、智能手機的普及，越來越多的人選擇在線互動，隨之而生的便是圖像的安全性和有效性得不到全面保障，因為圖像信息的泄露導致巨大損失的事情比比皆是。

通過結合圖像加密和圖像隱藏生成了兩種解決方案：圖像置亂處理;信息隱藏和偽裝。圖像置亂變換是通過改變像素的位置或顏色而形成的一種保護技術。

圖像置亂方法主要有三種[3]：

1、基于Arnold變換的置亂方法;

2、用分形圖形的方法填充空間曲線;

3、運用數學知識和奇異現象。

（二）基于Rijndael的圖像置亂算法分析

數字矩陣是人們常用的方法之一，矩陣的數值即為灰度值。本結采用的是基于Rijndael的圖像置亂算法。

該算法主要由三部分組成：

（1）通過偽隨機數發生器實現灰度值的變換

（2）S-盒變換

（3）行位移和列混合

1、基于Rijndael算法的圖像置亂算法描述

step1：取出前4行的種子密鑰，按字節與待加密圖像子塊中的像素異或得到新的像素。

Step2：利用查表進行S-盒變換;

step3：行置換，將矩陣中的行按照不同的偏移量進行左循環移位。

step4：列混亂，將矩陣中每個列上的像素看作為GF（28）上的3次多項式的系數，進行運算，計算出新的像素值

step5：按順序取出像素灰度值

step6：回到step1，進行多次閉環加密。

2、置亂算法算例

本小結通過Aradar圖像為例，說明Rijnael算法的有效性[4]。

step1：通過偽隨機數得到新的像素;

step2：利用查表進行S-盒變換，得到新的像素灰度值;

step3：行置換，行進行移位;

step4：在列置換中，計算出新的像素灰度值;

step5：像素灰度值與輪密鑰異或;

step6：回到step3，實現閉環加密。

最后得到置亂后的圖像置亂算法算例如圖1所示：

（三）實驗結果分析

通過以上比較我們不難得出這樣的結論：輪變換部分是整個算法中耗時最多的。這也是算法優化的重點，而S-盒運算和列混合運算有非平凡的代數運算，因此值得考慮它們的快速實現。

（1）S-盒運算/逆S-盒運算可以用兩個表來實現，而且查表法非常有效，還能抗定時分析攻擊。

（2）在列混合運算中通過查表的方式，不僅很快，而且還能夠減少定時分析攻擊的危險。

解密矩陣等于加密矩陣和一個矩陣的相乘。

三、彩色圖像加密

（一）圖像加密算法

1、關于位圖文件的數據結構

通過Windows系統運行該加密系統，我們必須明白一點，即圖像顯示時必須轉換為DIB或者DDB位圖。文件頭、位圖信息和位圖像素數據，組成了位圖文件，以下便依次介紹這三部分。

（1）位圖文件頭：文件頭的主要功能是識別位圖文件，該部分包含了文件件類型和大小等信息

（2）位圖信息：內存的分配、調色板信息的設置、像素值的讀取都是由位圖信息所決定的。

（3）位圖數據：位圖數據是位圖的主體部分，位圖上的每一個點都表示了一個像素值，位圖的大小和顏色決定了位圖陣列的大小。

2、基于Rijndael算法和混沌序列的圖像置亂算法描述

step1：按順序取待加密圖像中的像素;

step2：利用查表進行S-盒變換;

step3：用偽隨機數發生器生成一個序列;

step4：將圖像的每列像素依次向下循環移動位置;

step5：回到step1，實現多次閉環加密。

四、圖像加密系統的實現

（一）系統的功能目標

本系統的主要功能便是對圖像進行加密保護，它也是本系統最重要的功能。除此外，考慮到系統的友好性，力求系統用戶界面操作簡單。同時，考慮的后期需求完善和拓展，要求本系統具有一定的可擴展性。作為一個圖像安全加密系統，系統本身的安全性也要可靠。圖像形式多樣，系統應支持多種圖像形式。

（二）原型系統總體功能本系統包括以下幾個部分：

（1）輸入/輸出接口單元

（2）偽隨機數發生器

（3）加密/解密單元④圖像文件顯示

對于整理框架結構的設計是系統研究中不可獲取的一步，也是非常重要的一步。在這一步要確定系統的模塊組成、模塊間的聯系。又要考慮到每個模塊的獨立性，力求做到“高內聚，低耦合”的一款系統。

根據前期的研究，分別設置了4個子模塊：接口模塊;偽隨機數發生器模塊;加解密運算模塊;圖像文件顯示模塊。

整個系統的總體框圖如圖2所示：

（三）原型系統功能分析

借助于面向對象編程方法中的繼承機制設計了Rijndael類的派生類Rijnd ，用于實現基于Rijndael和混沌序列的圖像加密算法。

Rijnd類的方法有以下幾種分類：

（1）像素值變換：繼承父類Rijndael中定義的有關對像素值異或的方法AddRoundKey（）和重新定義了密鑰擴展的方法KeyExpansion（）。

（2）像素值替代：繼承父類Rij n d a e l中的方法BuildSbox（）和BuildInvSbox （）來初始化替換表Sbox[][]和iSbox[][];SubBytes（）和InvSubBytes（）通過替換表實現像素值變換。

（3）行列置換：定義的自身類方法：RowsShift （），InvRowsShift （），ColumsShift（）和Inv ColumsShift（），實現行列的循環移位操作。

（四）原型系統的實現

以對BMP格式圖像加密為例來部分介紹該原型系統的運行過程：用戶點擊圖像加密界面中的“瀏覽”，選擇待加密的文件;輸入隨機數發生器的初始條件，將用于隨機數發生器初始條件輸入的對話框定義為一個Initializtion類，只要系統中需要輸入隨機數發生器的初始條件，就創建一個該類的對象來獲取輸入的初始條件值。

在圖像文件進行加密的這段時間，系統會有提示信息同時在改頁面上其他功能暫時失效，只有完成加密后才會恢復正常。

Displaydlg用于顯示圖像文件，隨后系統根據用戶需求完成了圖像文件的加解密操作。

在圖像解密時，通過Initializtion類獲取隨機數發生器初始條件值，再通過RandomNumber，加密后的圖像進行解密操作。