基于混沌的數(shù)字圖像水印算法研究

王劍 李磊

摘要：混沌加密算法通信是一個應(yīng)用廣泛、較為完整的加解密通信系統(tǒng)，對其進(jìn)行研究具有一定的實(shí)際意義。本研究從多角度研究混沌加密算法的特性，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計了非對稱混沌加密算法，這種算法可以較好地和數(shù)字圖像水印技術(shù)相結(jié)合，具有很多優(yōu)良的特性。

關(guān)鍵詞：混沌；加密算法；數(shù)字圖像水印技術(shù)

中圖分類號：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）32-0040-02

1 混沌加密算法通信

混沌加密算法通信是一個現(xiàn)代化信息加密解密的體系，其包括多種加密解密方式。混沌加密算法通信的具體實(shí)現(xiàn)步驟為：信息發(fā)送方通過密算法混沌通信系統(tǒng)對所要發(fā)送的信息進(jìn)行混沌加密，加密后的信息會和秘鑰信息一起混合成混合類噪聲信號。而后，加密方再通過信道傳輸將加密后的信號傳遞給解密方，解密方則會根據(jù)對應(yīng)的混沌通信系統(tǒng)對密文進(jìn)行解密，將密文轉(zhuǎn)換為原信息。

一般而言，混沌加密算法都會采用對稱密碼體系，對稱密碼體系指的是加密方和解密方使用同一套秘鑰。但是對稱混沌加密方法存在著一定的安全問題，其可能會產(chǎn)生秘鑰泄漏等問題，從而造成加密方的加密內(nèi)容被無關(guān)第三方破解。針對這種現(xiàn)象，本研究采用了非對稱混沌加密算法，這是對傳統(tǒng)的對稱加密算法的改進(jìn)。改進(jìn)后的加密算法可以對接收方的身份信息進(jìn)行驗(yàn)證，而這也就能夠進(jìn)一步地提高整個加解密算法的安全性。

2 研究內(nèi)容、方法及路線

以下從研究內(nèi)容、研究方法以及研究路線對本研究混沌加密算法做出說明。

1）研究內(nèi)容

本混沌加密算法可以對多種不同類型的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行加解密處理，包括：語音圖片、視頻等多媒體數(shù)字信息。研究實(shí)現(xiàn)了三個功能：第一，對多媒體數(shù)字信息進(jìn)行數(shù)字化分析。通過數(shù)字化分析，混沌加密算法可以通過混蛋信號寬頻特性實(shí)現(xiàn)對不同類型信息的加密以及隱藏。第二，對多媒體數(shù)字信息進(jìn)行加密以及隱藏，實(shí)現(xiàn)源信息的混沌化。第三，對加密后的混沌信息解密，將其轉(zhuǎn)換為原信息以及類型。

2）研究方法

為了進(jìn)一步提升研究的準(zhǔn)確性以及加密算法的實(shí)用性，本研究結(jié)合了多種科學(xué)的研究方法，以下對此做出展開說明。

文獻(xiàn)查找法。研究查找了大量的國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，對文獻(xiàn)中的內(nèi)容進(jìn)行了綜合分析，得到了可以使用的理論結(jié)論。在此基礎(chǔ)上，研究合理地將這些理論結(jié)論應(yīng)用在加密算法的開發(fā)研究以及驗(yàn)證上。

實(shí)驗(yàn)分析法。在得到加解密算法的基礎(chǔ)上，對加解密的性能、密文破解的難度、加解密的時間效能等做出了大量的實(shí)驗(yàn)分析，在此基礎(chǔ)上得到了混沌加密算法的綜合性能情況。

比較分析法。研究對多種混沌加密算法做出了對比分析，分析了其時間性能、空間性能、功效性能等等。在對比分析的基礎(chǔ)上，研究對混沌加密算法進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化。

3）研究路線

本研究分成了幾個不同的階段，分別為：研究目標(biāo)確定階段、研究內(nèi)容確定階段、研究方法生成階段、研究進(jìn)行階段、研究成果分析階段、研究總結(jié)階段。通過系統(tǒng)性的研究，研究的準(zhǔn)確性、系統(tǒng)性均得到了較大的提升。

3 研究的意義及特色

對混沌加密算法進(jìn)行研究分析具有重要的意義，這種意義主要體現(xiàn)在這樣幾個方面：

第一，時代對信息安全保障的需求。隨著計算機(jī)技術(shù)、軟硬件技術(shù)以及相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，計算機(jī)及其相關(guān)應(yīng)用在當(dāng)前時代有了越來越廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)代社會對加解密算法有了更大的需求，這是因?yàn)椋壕W(wǎng)絡(luò)安全已經(jīng)成了當(dāng)前時代的一大問題。在當(dāng)前時代，人們在利用大量數(shù)據(jù)的時代也產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)。而這些數(shù)據(jù)極有可能被不法的商家或者惡意黑客利用。通過盜取個人或者網(wǎng)絡(luò)中信息，個人、機(jī)構(gòu)、甚至國家的利益都可能受到威脅，這給經(jīng)濟(jì)發(fā)展、國家發(fā)展都帶來了極大的影響。在這種情況下，大力地發(fā)展優(yōu)化混沌加密算法能夠?yàn)閿?shù)字信息提供較好的保障。

第二，對促進(jìn)中國信息安全的發(fā)展具有重要的意義。由于歷史等一系列原因，我國在計算機(jī)及其相關(guān)技術(shù)上的發(fā)展是較晚的。在這種情況下，大力發(fā)展中國信息安全技術(shù)對促進(jìn)國家的信息化發(fā)展具有不容小覷的意義。而對混沌加密算法進(jìn)行研究的意義在于：提升國民或者企業(yè)對信息安全的重視，提升我國信息安全人員對加解密理論基礎(chǔ)的重視，加強(qiáng)電力、政府、金融、電信等行業(yè)對自身的信息安全基礎(chǔ)的建設(shè)，給出可供使用的研究方法及路線、促進(jìn)其他研究團(tuán)隊(duì)的科學(xué)研究。

第三，在發(fā)展及完善廣義同步理論的基礎(chǔ)上提出性能好、體系完整的混沌加密算法體系。研究出來的體系具有安全性強(qiáng)、抗干擾性強(qiáng)、性能高、速度高、不易失真等優(yōu)良特點(diǎn)，其能夠被廣泛地應(yīng)用在實(shí)際的生活中。

4 混沌加密算法的特性

“混沌”一詞起源于對物質(zhì)排列及相關(guān)運(yùn)動的描述，其表示混沌運(yùn)動中的物質(zhì)處于一種無序的狀態(tài)。而通常情況下，這種無序開始于一種有序的狀態(tài)，通過一系列的變化運(yùn)行才變成了隨機(jī)無序態(tài)。而在信息安全中的“混沌態(tài)”表示既確定又類似于隨機(jī)狀態(tài)的一種狀態(tài)，這種狀態(tài)對其初始態(tài)具有敏感的依賴性，它既非周期又不收斂。

數(shù)字圖像水印是信息時代下的一種發(fā)展產(chǎn)物，其起到了版權(quán)保護(hù)、跟蹤侵權(quán)行為的一種有效方法。由于數(shù)字水印在當(dāng)前時代具有廣泛的應(yīng)用，因此數(shù)字水印技術(shù)已經(jīng)逐漸成為了信息隱藏技術(shù)的一大重要分支，其起到了對信息的版權(quán)保護(hù)作用。數(shù)字水印技術(shù)具有的特點(diǎn)有：第一，難清除和難破壞。所謂難清除和難破壞指的是：第三方在不被允許的狀態(tài)下使用圖像信息難以消除和破壞圖像的水印。第二，透明性。透明性指的是：加密方僅將可見信息給第三方或者其他人，而不可見信息對第三方或者其他人是不可見的。第三，魯棒性。魯棒性指的是數(shù)字圖像水印算法的強(qiáng)壯性和穩(wěn)定性，這對提升數(shù)字圖像的加密效率、加密準(zhǔn)確性具有重要意義。第四，可恢復(fù)性?？苫謴?fù)性指的是：圖像信息在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)或其他系統(tǒng)中經(jīng)過一系列的變換還能夠被還原為初始狀態(tài)、還原初始隱藏信息。

數(shù)字圖像水印技術(shù)能夠和混沌加密算法較好地結(jié)合。通過大量的文獻(xiàn)分析以及實(shí)際的案例研究，研究發(fā)現(xiàn)：將混沌加密算法應(yīng)用在數(shù)字圖像水印技術(shù)中能夠較好地提升數(shù)字圖像水印技術(shù)的處理效率。這是因?yàn)椋旱谝?，混沌加密算法的?shí)現(xiàn)較簡單、迅速。隨著計算機(jī)學(xué)以及密碼學(xué)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)安全中的混沌加密算法已經(jīng)相對完善了?；煦缂用芩惴ǖ耐晟瓶梢泽w現(xiàn)在其具有較好的理論基礎(chǔ)和案例基礎(chǔ)這兩個方面。正是如此，現(xiàn)代加密技術(shù)對混沌加密算法的研究已經(jīng)較為深入了，利用混沌加密算法實(shí)現(xiàn)圖像的加密具有高速、高效的特點(diǎn)，其能夠滿足大規(guī)模圖像信息快速加密的需求。第二，混沌加密算法具有較好的抗剪切性。數(shù)字圖像水印技術(shù)要求具有難清除和難破壞性，混沌加密算法所具有的抗剪切性剛好為數(shù)字圖像水印技術(shù)的抗剪切提供了保障。第三，混沌加密算法適合對圖像的處理?；煦缂用芩惴ú粌H加強(qiáng)了圖像信息的安全性，其還具有高效JPEG壓縮、高不可見性、對初始條件敏感等特性。這些特性可以和混沌加密算法進(jìn)行較好地結(jié)合，從而能夠較好地增強(qiáng)混沌加密算法的性能。

5 混沌加密算法的實(shí)現(xiàn)

在上文的分析中，筆者介紹了混沌加密算法具有很多優(yōu)良的特性，這些優(yōu)良的特性讓混沌加密算法能夠和數(shù)字圖像水印技術(shù)相結(jié)合，其具有與較強(qiáng)的使用性。以下從邏輯、技術(shù)兩個層次簡要交待基于混沌加密算法的實(shí)現(xiàn)。

1）選擇合適的混沌序列

置換能夠?qū)е滦畔⒌幕煦纭６绊懼脫Q質(zhì)量的關(guān)鍵是混沌序列的選擇。因此，研究研發(fā)了很多合適的混沌序列，對混沌序列使用后的數(shù)據(jù)混沌性做出了分析。在此基礎(chǔ)上，研究對混沌序列特點(diǎn)和數(shù)據(jù)混沌性的關(guān)系做出了分析，從中選出了很多合適的混沌序列，對不合適的混沌序列進(jìn)行了剔除或者更換。其實(shí)，隨著混沌加密算法的不斷發(fā)展，算法研究過程中已經(jīng)可以使用了一些較為成熟、性能較好混沌序列，這可以較好地簡化相關(guān)人員的工作。例如：混沌加密算法可以對Logistic混沌序列加以應(yīng)用，Logistic混沌序列是一種較為成熟的混沌序列。

2）水印信息的處理

一般而言，對水印信息的處理過程為：將水印信息數(shù)字化、將數(shù)字化的水印信息和混沌序列相結(jié)合、得到水印密文。在這個過程中，研究對水印信息的特性做出了充分的考慮，分析了其所具有的隱藏性、效率性等特點(diǎn)，保證了加密后的水印密文具有透明性、魯棒性等特點(diǎn)，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

3）圖像、視頻等多媒體信息進(jìn)行數(shù)字化

研究對所需要處理的信息進(jìn)行了分類。在分類的基礎(chǔ)上，對不同類型數(shù)據(jù)的數(shù)字化做出了分類處理。在獲取了明文信息以及明文信息類型的基礎(chǔ)上，混沌加密算法根據(jù)明文信息類型將其轉(zhuǎn)換為合適的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。

4）根據(jù)需求對源信息進(jìn)行壓縮處理

在很多情況下，數(shù)字信息的使用者并不需要高清的數(shù)據(jù)信息。在這種情況下，數(shù)據(jù)的傳送方需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理，這樣才能夠保證數(shù)字信息能夠較快地被傳動到其需要傳送的地方。如果不對數(shù)字信息進(jìn)行壓縮處理，那么其可能會導(dǎo)致多余的時間消耗和空間消耗。

5）將水印信息和數(shù)字信息進(jìn)行的結(jié)合

將水印信息嵌入到數(shù)字信息中是混沌數(shù)字圖像水印算法中關(guān)鍵的步驟之一。在進(jìn)行水印信息和數(shù)字信息結(jié)合的過程中，混沌加密算法會根據(jù)源數(shù)據(jù)的類型對加入水印信息的算法進(jìn)行分類處理。

值得注意的是，對數(shù)字化源信息進(jìn)行置換處理是需要重復(fù)進(jìn)行多次的。通過多次的置換處理，源信息的混沌性能夠得到較大的提升。為此，在進(jìn)行源信息置換處理之前，使用者可以動態(tài)地設(shè)置置換處理的次數(shù)，使置換處理能夠較好地符合使用需求及應(yīng)用需求。

6 研究結(jié)果

通過上訴的處理步驟對源信息進(jìn)行處理后，研究對處理的性能做出了分析，以下是分析結(jié)果：通過處理后的信息可以根據(jù)混沌數(shù)字系統(tǒng)反向還原為原信息，處理后的信息混沌度較好，混沌加密體系具有多種功能、可以滿足使用者在實(shí)際生活中的使用需求。由此可見，研究所得的混沌加密體系能夠較好地滿足實(shí)際的使用需求，其具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

7 混沌加密算法的展望

混沌加密算法在現(xiàn)代有較為廣泛的應(yīng)用前景。在對混沌加密算法的分析以及對時代發(fā)展需求的分析中，筆者認(rèn)為混沌加密算法必將朝以下幾個方面發(fā)展：

1）高效性

隨著時代的不斷發(fā)展，人們需要使用的多媒體數(shù)據(jù)將會在未來的一段時間內(nèi)得到較大的提升。另外，隨著現(xiàn)代社會安全問題、侵權(quán)問題的不斷發(fā)展，整個社會層次對計算機(jī)數(shù)據(jù)安全有了更高的重視。在這種情況下，需要被混沌加密算法加密的數(shù)據(jù)量將會在短時間內(nèi)得到較大的提升。為此，混沌加密算法必須要提升自己的性能，這樣才能夠跟上時代的發(fā)展潮流，才能夠滿足大數(shù)據(jù)時代人們對信息安全處理的需求。

另外，隨著整個社會對數(shù)據(jù)安全性能的逐漸重視，混沌加密算法體系必將在未來得到較好的發(fā)展，而發(fā)展后的混沌加密算法能夠提供給使用者更為高效的服務(wù)。

2）體系化

在信息安全的發(fā)展過程中，很多人投入到不同的發(fā)展層面中了，這些人的研究貢獻(xiàn)使得信息安全的體系逐漸被發(fā)展。而體系化了的信息安全系統(tǒng)對數(shù)據(jù)信息的處理、保護(hù)而言是具有更多的好處的。這是因?yàn)椋后w系化了的信息安全系統(tǒng)可以從多個角度、不同層次對計算機(jī)上的信息做出全方位的處理。這也說明：只有使信息安全系統(tǒng)體系化，信息的安全才能夠得到真正的保障。因此，混沌加密算法也必將朝著體系化的方向發(fā)展。

8 總結(jié)

混沌加密算法通信是一個現(xiàn)代化信息加密解密的體系，其包括多種加密解密方式。數(shù)字圖像水印是信息時代下的一種發(fā)展產(chǎn)物，其起到了版權(quán)保護(hù)、跟蹤侵權(quán)行為的一種有效方法。研究發(fā)現(xiàn)：數(shù)字圖像水印技術(shù)能夠和混沌加密算法較好地結(jié)合。為此，研究使用了文獻(xiàn)查找法、實(shí)驗(yàn)分析法和比較分析法等多種方法對混沌加密算法進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計出來的混沌加密算法具有處理后的信息混沌度較好，混沌加密體系具有多種功能、可以滿足使用者在實(shí)際生活中的使用需求等優(yōu)良特性。

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【通聯(lián)編輯：張薇】