一種安全靈活的數(shù)字檔案壓縮與加密方案

焦陽(yáng)+趙嵩

摘 要：針對(duì)數(shù)字檔案安全存儲(chǔ)需求，提出了一種靈活有效的數(shù)據(jù)壓縮和加密方案。首先比較了主流壓縮算法，選取適合于檔案保存的無(wú)損壓縮方法。然后利用前反饋非線性動(dòng)力學(xué)濾波器產(chǎn)生偽隨機(jī)序列結(jié)合自適應(yīng)隨機(jī)算術(shù)編碼對(duì)SPIHT分類的位進(jìn)行編碼，獲得壓縮加密的比特流，實(shí)現(xiàn)在不同需求級(jí)別的完全加密和選擇性加密方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方案具有良好的加密安全性，不影響壓縮效率，兼容多種文檔類型，適合于各類數(shù)字檔案保存需要。

關(guān)鍵詞：數(shù)字檔案；文件加密；數(shù)據(jù)壓縮

1 引言

隨著各種圖像采集設(shè)備的廣泛應(yīng)用，當(dāng)今的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)以及檔案數(shù)據(jù)中，數(shù)字圖像所占比例正在不斷增長(zhǎng)。相比傳統(tǒng)文本文件，圖像文件的數(shù)據(jù)往往是海量的。面對(duì)越來(lái)越多的多媒體文檔，檔案存儲(chǔ)的技術(shù)方式需要改進(jìn)。本文提出一種針對(duì)數(shù)字檔案文件存儲(chǔ)的壓縮結(jié)合加密方法。

2 數(shù)字檔案的安全保存特點(diǎn)與需求

2.1 數(shù)據(jù)量巨大，有效的壓縮可以提高存儲(chǔ)的效率。相比實(shí)時(shí)場(chǎng)景圖像壓縮方法對(duì)于時(shí)效性的極高需求，數(shù)字檔案存儲(chǔ)可以在實(shí)時(shí)性和壓縮效率上實(shí)現(xiàn)靈活的平衡，因此一些更先進(jìn)更復(fù)雜的算法可以引入數(shù)據(jù)壓縮過程中。

2.2 數(shù)字檔案文檔中，文本、數(shù)據(jù)、圖像往往混合交替出現(xiàn)。每一種類型的文檔的數(shù)據(jù)特點(diǎn)各不相同，它們的碼率、原始編碼格式、無(wú)損壓縮極限對(duì)壓縮編碼器提出了不同要求，因此編碼器應(yīng)當(dāng)能夠自適應(yīng)調(diào)整編碼方式，實(shí)現(xiàn)速率可控的壓縮編碼。

2.3 數(shù)字檔案具有較高的安全性需求。檔案安全的重要性自不待言，然而傳統(tǒng)的加密方案如DES和AES等不適合應(yīng)用在高計(jì)算復(fù)雜性的圖像加密中。另一方面，一些加密方案比如基于秘密分割或盲源分離算法，對(duì)空間域中的像素進(jìn)行擴(kuò)散，得到良好加密安全性，但加密后的密文文檔會(huì)產(chǎn)生遠(yuǎn)大于明文的數(shù)據(jù)量[1]。如果一套檔案存儲(chǔ)方案中先后使用了壓縮與加密方法，那么加密帶來(lái)的冗余數(shù)據(jù)將抵消掉壓縮編碼的效果。因此在壓縮域同時(shí)實(shí)現(xiàn)加密是有必要的，最近的研究已開始重視在壓縮過程中集成加密算法[2]。

3 壓縮編碼的選擇

為了確定適合于數(shù)字檔案文件壓縮的方法，我們分析和測(cè)試目前主流的無(wú)損壓縮算法，包括基于變換的方法：JPEG、JPEG2000以及基于SP的變換編碼方法；基于預(yù)測(cè)的無(wú)損壓縮算法：LJPEG，CALIC；基于字典的壓縮方法：PNG和RAR；以及SPIHT方法。

JPEG2000，是一個(gè)ISO/ITU-T標(biāo)準(zhǔn)的圖像編碼方法，它基于離散小波變換（DWT）、標(biāo)量量化、上下文建模、算術(shù)編碼和壓縮后的速率分配等方法。

SPIHT，根據(jù)變換系數(shù)的量級(jí)來(lái)將它們從最高有效位傳輸?shù)阶畹陀行黄矫?，采用重要信息確定樹形結(jié)構(gòu)，算法的執(zhí)行取決于零樹結(jié)構(gòu)。

S+P變換，使用簡(jiǎn)單的金字塔多分辨率方法，通過預(yù)測(cè)編碼增強(qiáng)，它的計(jì)算量小，只使用整數(shù)增補(bǔ)和位移，解決了有限精度的問題。

無(wú)損JPEG （L-JPEG），使用三個(gè)最近的鄰居（上，左，左上方），熵編碼用于預(yù)測(cè)誤差，無(wú)損JPEG在醫(yī)療成像方面有一定的知名度。

PNG，便攜式網(wǎng)絡(luò)圖形是W3C推薦作為替代GIF的編碼方法，它是基于預(yù)測(cè)方法的熵編碼。該熵編碼用于深受歡迎的Zip文件壓縮程序。

WinRAR，是一款共享的文件歸檔和數(shù)據(jù)壓縮工具，它完全支持RAR、ZIP、TAR、GZ、BZ2、JAR、ISO、7Z和Z文件。這些算法都基于一般的文本壓縮字典。

使用香港理工大學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，選取7000幅圖像作為實(shí)驗(yàn)樣本，測(cè)試平臺(tái)為Pentium處理器（2.66 GHz），4GB內(nèi)存，Windows 7操作系統(tǒng)和Visual C++6.0開發(fā)環(huán)境。所有無(wú)損壓縮程序均在Win7的VC環(huán)境中重新編譯。我們衡量壓縮R=（原始圖像大?。?（壓縮圖像大?。^大的R值表明更好的壓縮性能。

圖1給出的壓縮方法的時(shí)間/壓縮比，是數(shù)據(jù)庫(kù)中全部7000次樣本測(cè)試運(yùn)行結(jié)果的平均值。標(biāo)準(zhǔn)JPEG（B+ECT）方法的壓縮率比較低。S+P的壓縮比很高，但此方法有較長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間。LJPEG和PNG得到了幾乎相同的壓縮比。而Winrar軟件僅適合用于壓縮文本文件，不適合用于壓縮多媒體文件，如視頻、圖像或音頻文件。CALIC雖然是壓縮率最高的算法，但是SPIHT在壓縮率和壓縮速度上找到了最佳的平衡。因此，對(duì)于數(shù)字圖像檔案文檔數(shù)據(jù)壓縮的大多數(shù)情況下優(yōu)先推薦SPIHT方法。

4 結(jié)合SPIHT和RAC方法在壓縮域?qū)崿F(xiàn)文檔加密

最近的研究表明，信息熵編碼方法在加密的同時(shí)仍然可以保留明文的壓縮性能?；煦缦到y(tǒng)具有許多重要的性質(zhì)，比如對(duì)初始條件和控制參數(shù)具有高度敏感性，適合用于加密方案?；诨煦缦到y(tǒng)隨機(jī)算術(shù)編碼（RAC）已經(jīng)應(yīng)用于圖像加密，混沌系統(tǒng)作為偽隨機(jī)位生成器（PRBG）。前反饋非線性動(dòng)力學(xué)濾波器（FFNDF）可以產(chǎn)生具有均勻分布的n階混沌信號(hào)并被成功的應(yīng)用于構(gòu)造哈希函數(shù)，它可以用來(lái)產(chǎn)生更安全的偽隨機(jī)序列。通常算術(shù)編碼（AC）是信源編碼的最后階段，它可以做到對(duì)圖像、文本等各種類型文檔實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮，而RAC方法可以提供安全性且不影響壓縮性能。上文中已經(jīng)證明，SPIHT算法是有效的圖像壓縮算法，在SPIHT算法中應(yīng)用RAC方法可以得到靈活的保護(hù)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)完全加密或選擇性加密。

SPIHT算法根據(jù)變換系數(shù)的大小將它們從最高有效位傳輸?shù)阶畹陀行黄矫?。SPIHT采用重要信息集確定樹形結(jié)構(gòu)，算法的執(zhí)行取決于零樹結(jié)構(gòu)，即使在編碼器數(shù)據(jù)開始階段出現(xiàn)極小的重要信息誤差，算法都不能正確地解碼圖像。這種敏感特性使得它適合于實(shí)現(xiàn)加密。壓縮算法產(chǎn)生的許多不同類型的位（符號(hào)位，細(xì)化位，重要位，重要集合）。解壓縮算法必須解釋每一位在上下文中的正確意義。錯(cuò)誤的重要位將導(dǎo)致后續(xù)位錯(cuò)誤，而細(xì)化位則不會(huì)。本文提出的算法框架如圖2所示，首先，原始數(shù)據(jù)通過小波變換得到變換系數(shù)；隨后采用SPIHT進(jìn)行分類，決定重要映射。根據(jù)閾值給出的重要系數(shù)，不重要的空間方向樹和孤立的不重要系數(shù)重新排序，得到重要位和符號(hào)位；接下來(lái)是細(xì)化階段，獲得重要系數(shù)的附加細(xì)化位；最后，使用FFNDF生成偽隨機(jī)位序列，控制對(duì)符號(hào)位與比特流進(jìn)行異或運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的二進(jìn)制RAC對(duì)量化的符號(hào)流進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮和加密。

在SPIHT編碼階段，重要系數(shù)的坐標(biāo)隱藏在重要位中。由于SPIHT的預(yù)測(cè)性和可變長(zhǎng)度編碼，解碼不僅取決于當(dāng)前的位，而且取決于重要位。一個(gè)重要位錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的錯(cuò)誤傳播。而標(biāo)志位和細(xì)化位不能提供足夠的視覺信息。所以，如果想實(shí)現(xiàn)選擇性加密，標(biāo)志位和細(xì)化位可以不必被加密，從而獲得更快的加密速度。如果我們想保護(hù)信息的全部?jī)?nèi)容，就需要加密所有的位。因此，根據(jù)應(yīng)用的情形，我們可以靈活地將編碼算法分為全部加密和選擇性加密。由于SPIHT方法針對(duì)圖像的空間冗余，而RAC針對(duì)熵冗余，所以該加密方法是文件格式兼容的，文本、圖像和任意文檔都可以使用此算法進(jìn)行加密和壓縮。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和安全性分析

實(shí)驗(yàn)采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)圖像goldhill（512*512），壓縮比為0.25bpp（比特每像素），二階FFNDF的產(chǎn)生密鑰和仿真條件為：反饋系數(shù)為3.57和4.0，轉(zhuǎn)換系數(shù)為5.70和7.0，初始值是0.7238。狀態(tài)值分別是0.3552和0.8421，控制參數(shù)是分段線性映射0.35。所有的仿真采用雙浮點(diǎn)運(yùn)算IEEE754浮點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)。

（a）原始圖像；（b）圖像的小波域；（c）全加密和壓縮的圖像；（d）僅細(xì)化階段加密的圖像；（e）僅系數(shù)加密的圖像；（f）使用錯(cuò)誤密鑰解密后的圖像

圖3給出了原始圖像以及變換過程和加密解密結(jié)果，完全加密可以獲得良好的安全性，但是僅使用細(xì)化位或系數(shù)參與加密運(yùn)算則只改變了圖像的亮度/對(duì)比度，實(shí)現(xiàn)有限的保護(hù)。

優(yōu)秀的加密系統(tǒng)需要有極敏感的密鑰保證系統(tǒng)能夠抵御暴力破解。FFNDF對(duì)于初始值和控制參數(shù)非常敏感，根據(jù)圖6（f），與初始密鑰差別在10-15量級(jí)的錯(cuò)誤密鑰解密后的圖像完全不可讀取。系統(tǒng)對(duì)初始密鑰值的敏感度達(dá)到了的10-15，而其他參數(shù)的敏感度是10-16，密鑰空間為 ，這足以抵抗密鑰搜索破解。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的基于FFNDF加密并結(jié)合SPIHT和RAC的方法可以有效對(duì)各類數(shù)字化檔案文檔進(jìn)行壓縮和加密，提供了靈活的可選擇加密方案。從密碼學(xué)角度的理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方案是安全可靠的，并且計(jì)算復(fù)雜度可根據(jù)需要調(diào)整，適用范圍廣。