圖像加密技術(shù)綜述

◆張笑

（楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程分院 陜西 712100）

1 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，種類繁多的數(shù)據(jù)信息在全球范圍內(nèi)快速，廣泛的傳播，對(duì)人們的學(xué)習(xí)、工作和生活產(chǎn)生了巨大的影響。信息通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了存儲(chǔ)、傳輸以及資源共享。然而，由于互聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放性的特點(diǎn)，使得在信息化的時(shí)代網(wǎng)絡(luò)安全的問(wèn)題日益突出。通訊軟件、視頻軟件、購(gòu)物軟件的普及，為人們的日常生活增添了許多便利和歡樂(lè)，但是各類軟件實(shí)名認(rèn)證的登錄方式可能使得個(gè)人身份信息面臨泄露的風(fēng)險(xiǎn)。除了個(gè)人信息外，有關(guān)國(guó)家政治、經(jīng)濟(jì)、科研、國(guó)防以及涉及國(guó)家安全的保密信息在存儲(chǔ)和傳輸過(guò)程中也面臨被病毒、黑客等非法侵入盜取的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在信息化和全球化快速發(fā)展的時(shí)代，為了能夠使信息安全、有效地存儲(chǔ)和傳輸，國(guó)內(nèi)外許多科研人員投身于信息安全的研究。加密技術(shù)作為信息安全領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)于保障信息安全十分重要。

圖像憑借直觀，生動(dòng)，形象且包含信息量大的特點(diǎn)，作為信息在存儲(chǔ)和傳輸過(guò)程中的一種重要載體，被廣泛應(yīng)用。這些圖像數(shù)據(jù)可能包括個(gè)人隱私文件和企業(yè)的保密文件，甚至是涉及政治，科研，經(jīng)濟(jì)，軍事，文化等各方面的機(jī)密，這些保密信息一旦受到非法的侵害和盜取，一定會(huì)對(duì)個(gè)人，集體甚至國(guó)家都造成許多不必要的損失。在愈加開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，各種圖像數(shù)據(jù)信息存在的安全隱患問(wèn)題不容小覷。因此，圖像加密技術(shù)作為保護(hù)圖像安全的核心技術(shù)具有很高的研究?jī)r(jià)值，因此成了安全領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)研究問(wèn)題。

2 圖像加密技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

加密技術(shù)是利用數(shù)學(xué)、物理、光學(xué)、計(jì)算機(jī)等學(xué)科，對(duì)信息在傳輸和存儲(chǔ)的過(guò)程中進(jìn)行保護(hù)，以防止泄露的技術(shù)。在加密技術(shù)形成和發(fā)展的過(guò)程中，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和戰(zhàn)爭(zhēng)的刺激都起了一定的推動(dòng)作用。圖像加密技術(shù)就是利用圖像的特性，借助加密技術(shù)設(shè)計(jì)圖像加密算法，以提高圖像的安全性的一種技術(shù)。圖像加密最早源于經(jīng)典的文本加密理論和經(jīng)典的密碼體制，它的目的在于可以把想要加密的圖像完全的遮蓋住，以防非法接收者輕易獲得其中的信息。而接收方，通過(guò)事先擁有的有關(guān)信息或者解密方法可以方便解密出原有信息[1]。

傳統(tǒng)的加密技術(shù)為通過(guò)數(shù)學(xué)或者物理方法將圖像信息轉(zhuǎn)化為雜亂無(wú)章的亂碼，使得在加密后無(wú)法用肉眼直接觀察到明文信息。雖然這種加密方法也能達(dá)到防止信息損壞、竊取，保護(hù)明文圖像的目的，但是由于其加密效率低，尤其是對(duì)于數(shù)據(jù)量大，冗余度高的圖像來(lái)說(shuō)，該方法的加密效果不盡人意。

伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外加密領(lǐng)域的研究人員提出了一些更加安全、有效的加密算法和創(chuàng)新技術(shù)。近年來(lái)被提出的圖像加密算法種類眾多，現(xiàn)存的各種圖像加密算法在各個(gè)方面都存在著可取的優(yōu)點(diǎn)和待改進(jìn)的地方。一個(gè)優(yōu)質(zhì)的加密算法不但可以保證圖像信息的完整性和清晰性，而且能夠確保信息的安全性。在眾多的行之有效的加密算法之中，基于混沌系統(tǒng)的圖像加密算法研究一直以來(lái)倍受專家學(xué)者的青睞。利用混沌系統(tǒng)進(jìn)行圖像加密也是近年來(lái)發(fā)展的比較成熟的方法之一。20 世紀(jì)80 年代末，Matthews 提出了第一個(gè)基于變形Logistic 映射的混沌流密碼加密算法[2]，開(kāi)啟了專家學(xué)者對(duì)混沌系統(tǒng)在圖像加密領(lǐng)域研究的新篇章。由于混沌系統(tǒng)具有對(duì)其初始值和控制參數(shù)的非收斂性，混沌特性和狀態(tài)遍歷性都具有高度的敏感性等特性，基于混沌技術(shù)的圖像加密技術(shù)已經(jīng)成為高效和優(yōu)秀的加密方法之一。

基于光學(xué)處理技術(shù)的圖像加密算法作為一種新的加密手段，憑借其并行處理速度快、信息量大、密鑰空間大、遭受攻擊時(shí)魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[3-4]，近年來(lái)得到了迅速的發(fā)展，成為現(xiàn)代加密技術(shù)領(lǐng)域的一項(xiàng)熱點(diǎn)研究問(wèn)題。1995 年Refregier 和Javidi 首次提出了一種基于4f 光學(xué)系統(tǒng)的雙隨機(jī)相位編碼（DRPE）[5]，其思路是：在輸入平面和傅立葉頻譜面上各放置一個(gè)隨機(jī)相位掩膜，對(duì)輸入的明文圖像進(jìn)行加密，從而在輸出平面上得到具有白噪聲分布的密文圖像。由于在傅里葉變換域中提出了經(jīng)典的雙隨機(jī)相位編碼方案，因此在不同域中延伸了許多方法，例如分?jǐn)?shù)傅里葉域，菲涅耳域和回轉(zhuǎn)域已經(jīng)被應(yīng)用在圖像安全領(lǐng)域，而且其加密后的圖像有很高的安全性和魯棒性。同時(shí)，其利用偏振光，光子計(jì)數(shù)，積分成像，衍射成像，全息等技術(shù)研究了基于不同光學(xué)技術(shù)的各種安全算法，并且已經(jīng)被驗(yàn)證在圖像安全領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

3 圖像加密的方法

3.1 混沌圖像加密

1963 年，被譽(yù)為“混沌理論之父”的洛侖茲在撰寫的一篇論文中提出了“蝴蝶效應(yīng)”，同時(shí)提出了著名的Lorenz 混沌理論的基本特征和混沌系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型[6]，至此敲開(kāi)了通往混沌學(xué)的大門。通過(guò)他對(duì)混沌理論的研究，為之后的研究人員在這方面的探索奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。1975 年美籍華人李天巖和美國(guó)數(shù)學(xué)家Yorke 共同發(fā)表的《周期三意味著混沌》論文中首次提及了“混沌”（Chaos）這一個(gè)專業(yè)術(shù)語(yǔ)名詞[4]，打開(kāi)了將混沌運(yùn)用到數(shù)學(xué)領(lǐng)域的先河。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)混沌系統(tǒng)理論進(jìn)行的深入探討研究，推動(dòng)了混沌學(xué)應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展。混沌學(xué)通過(guò)與多重學(xué)科進(jìn)行相互影響和滲透從而加速了密碼學(xué)的發(fā)展。

基于混沌系統(tǒng)的圖像加密技術(shù)常用的方法有兩種，一種是對(duì)圖像進(jìn)行置亂，另一種是對(duì)圖像進(jìn)行擴(kuò)散。

基于混沌系統(tǒng)的圖像置亂方法是通過(guò)改變圖像像素的位置來(lái)改變?cè)紙D像的，使得肉眼無(wú)法直觀的辨認(rèn)明文圖像，以此達(dá)到圖像加密的作用。置亂算法常用的方法有三種：Arnold 變換、Baker 變換和幻方變換。

基于混沌系統(tǒng)的圖像擴(kuò)散方法一般是對(duì)圖像中的像素及其相鄰像素進(jìn)行異或操作，接著用改變后的像素來(lái)替換原始像素，按照此方法打亂原始圖像的像素值，以此達(dá)到圖像加密的目的。該擴(kuò)散方法對(duì)圖像的改變方式靈活并且進(jìn)行的操作比較簡(jiǎn)單。

3.2 基于光學(xué)處理技術(shù)的圖像加密

光學(xué)處理技術(shù)通過(guò)對(duì)光的波長(zhǎng)，振幅，相位，頻率以及光學(xué)元件的參數(shù)等，依據(jù)光的干涉，衍射，偏振特性和卷積，微分，矩陣相乘等光學(xué)運(yùn)算以及傅里葉變換，分?jǐn)?shù)傅里葉變換，梅林變換，對(duì)數(shù)變換，回轉(zhuǎn)變換，拉普拉斯變換等光學(xué)變換進(jìn)行多方位的控制，編碼和信息的嵌入。這種處理技術(shù)具有魯棒性強(qiáng)、自由度高、信息量大等優(yōu)點(diǎn)[7]。當(dāng)前，將光學(xué)處理技術(shù)應(yīng)用到圖像加密領(lǐng)域，是一項(xiàng)熱點(diǎn)研究方法。它以其容量大、信息存儲(chǔ)高效、多維度、多參數(shù)的控制能力及高速并行處理能力等優(yōu)點(diǎn)深受圖像加密學(xué)者和研究者的青睞。因此，在科學(xué)技術(shù)和多媒體迅猛發(fā)展的時(shí)代，借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬光學(xué)仿真和變換的虛擬光學(xué)圖像處理技術(shù)，不僅凸顯了光學(xué)圖像加密技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，還在圖像數(shù)據(jù)安全的存儲(chǔ)和傳輸?shù)阮I(lǐng)域具有很高的研究和應(yīng)用價(jià)值。探索和開(kāi)發(fā)光學(xué)圖像處理技術(shù)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究者關(guān)注的焦點(diǎn)，并且隨著各種光學(xué)圖像加密算法不斷被提出，這使得光學(xué)圖像加密技術(shù)在信息安全領(lǐng)域越來(lái)越重要。

3.3 基于圖像的信息隱藏技術(shù)

基于圖像的信息隱藏技術(shù)作為圖像加密的一個(gè)重要分支，在信息安全領(lǐng)域具有重要的地位。其原理是將秘密圖像信息嵌入到一般的非秘密圖像中，然后傳送或者公開(kāi)。目前，用于圖像信息隱藏的算法大致分為兩種：基于空間域的信息隱藏算法和基于變化域的信息隱藏算法。以最低有效位為代表的空間域信息隱藏算法把待隱藏的信息編碼嵌入到宿主圖像的顏色最小意義位。該算法的主要特點(diǎn)是嵌入到宿主圖像的隱藏信息數(shù)據(jù)量較大，但是其魯棒性較差。以離散余弦變換為代表的變換域信息隱藏算法的特點(diǎn)是魯棒性強(qiáng)，安全性高，但是該算法在宿主圖像中可嵌入的隱藏信息數(shù)據(jù)量較小。

對(duì)于圖像的信息隱藏技術(shù)應(yīng)該滿足以下要求：

安全性：圖像隱藏的位置具有安全性，不會(huì)隨著格式的改變受到破壞。

隱蔽性：嵌入圖像后不影響人們對(duì)宿主圖像的理解，即無(wú)法直觀從視覺(jué)上發(fā)現(xiàn)宿主圖像包含其他圖像信息。

魯棒性：嵌入圖像后的宿主圖像在存儲(chǔ)和傳輸過(guò)程中對(duì)閉塞攻擊、噪聲攻擊具有較強(qiáng)的抵抗能力。

基于圖像的信息隱藏技術(shù)主要應(yīng)用在四個(gè)方面，分別是：數(shù)字水印、數(shù)字指紋、疊像技術(shù)和篡改提示[8]。

4 總結(jié)

綜上所述，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，圖像因其具有生動(dòng)、直觀、信息量大等優(yōu)點(diǎn)，所以使得其廣泛應(yīng)用到個(gè)人、商業(yè)甚至政府等的信息存儲(chǔ)和傳輸中。應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大以及依賴性的不斷增強(qiáng)，使得圖像安全備受關(guān)注，而且圖像安全領(lǐng)域的專家提出的多種圖像加密技術(shù)具有深遠(yuǎn)的影響和很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。