基于物聯(lián)網(wǎng)中傳輸層圖像信息加密及壓縮的算法探討

馮 娜

(濰坊工程職業(yè)學(xué)院，山東濰坊262500)

圖像信息安全是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要技術(shù)壁壘，特別是隨著網(wǎng)絡(luò)傳輸速度的加快，圖像壓縮與加密技術(shù)的提升，對(duì)于科研工作與生活而言都變得十分重要[1]?，F(xiàn)如今，在國(guó)家安全、金融、工業(yè)等領(lǐng)域，如何加強(qiáng)密鑰安全以及加強(qiáng)壓縮率是一個(gè)重要問(wèn)題[2]。同時(shí)也促進(jìn)了我國(guó)對(duì)不同領(lǐng)域圖像信息壓縮加密技術(shù)研究的發(fā)展。盧佩等人根據(jù)現(xiàn)有投影光學(xué)圖像信息安全的缺陷，建立了4F雙隨機(jī)相位編碼光學(xué)系統(tǒng)和二次加密技術(shù)，提升了接收端對(duì)于信息加密與隱藏的效果[3]。郭麗艷為提升艦載無(wú)人機(jī)傳輸實(shí)時(shí)圖像的安全性，提出了基于整數(shù)小波變換和改進(jìn)嵌入式零樹(shù)的圖像傳輸系統(tǒng)，達(dá)到減少冗余數(shù)據(jù)保障目標(biāo)辨識(shí)度的傳輸效果[4]。吳國(guó)新等人利用分形理論與小波變換理論，對(duì)東巴經(jīng)典古籍的歷史特征與圖像信息進(jìn)行數(shù)字化處理，具有壓縮比高、壓縮效率強(qiáng)的特點(diǎn)[5]。盡管圖像加密與壓縮技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用與推廣，但是還需要對(duì)不同的數(shù)據(jù)信息漏洞進(jìn)行深入挖掘，特別是目前的圖像二維加密技術(shù)僅僅針對(duì)正方形圖像進(jìn)行簡(jiǎn)單加密，存在著不可忽視漏洞。因此，在現(xiàn)有技術(shù)缺陷的前提下，進(jìn)行圖像加密與壓縮算法的改進(jìn)。

1 現(xiàn)有圖像加密與壓縮算法的優(yōu)缺點(diǎn)

1.1 圖像壓縮加密算法的優(yōu)點(diǎn)

為了保證圖像加密與壓縮過(guò)程可以通過(guò)統(tǒng)一的函數(shù)算法進(jìn)行設(shè)計(jì)，一般在構(gòu)建圖像加密與解密時(shí)采用同一個(gè)密鑰，該方法稱(chēng)為對(duì)稱(chēng)加密算法。從國(guó)家專(zhuān)用的密鑰算法SDBI，到其它算法例如DES、IDEA等[6]都是采用了對(duì)稱(chēng)加密算法。對(duì)稱(chēng)算法之所以應(yīng)用廣泛，主要是基于其具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，主要包括：圖像信息采用一對(duì)一的方式進(jìn)行加密，加密速度非?？欤送庥捎诿荑€的單一性使其管理過(guò)程也非常的簡(jiǎn)便。例如，加密算法DES主要是通過(guò)分組乘積的方式進(jìn)行密碼的構(gòu)建，首先輸入64位比特明文，經(jīng)過(guò)密鑰運(yùn)算后得到64位比特密文，其中包含8位校驗(yàn)碼。

1.2 圖像壓縮加密算法的缺點(diǎn)

盡管對(duì)稱(chēng)加密算法能夠?yàn)閳D像壓縮加密帶來(lái)很多便利性，但根據(jù)算法的不同也存在各樣的缺陷[7]。主要是由于對(duì)稱(chēng)加密算法存在特別多的缺點(diǎn)，包括由于算法比較對(duì)稱(chēng)單一化，密鑰的程度一般是在56-128比特，導(dǎo)致密鑰的抗擊強(qiáng)度較弱；同時(shí)，因?yàn)閷?duì)稱(chēng)算法采用一對(duì)一的圖像信息加密，無(wú)法實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的加密信息傳輸，從而阻礙了對(duì)稱(chēng)加密算法在更多領(lǐng)域的應(yīng)用。例如，DES算法就充分體現(xiàn)了對(duì)稱(chēng)加密算法的短處，由于算法密鑰容量特別低，只能夠存儲(chǔ)56位比特密文，在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中往往不能夠成為重要圖像文件的加密方法。此外，處理對(duì)稱(chēng)加密算法存在不可忽視的缺陷外，非對(duì)稱(chēng)加密算法也存在非常明顯的缺陷。例如，非對(duì)稱(chēng)加密算法RSA在為保證圖像信息的安全性和抵抗大數(shù)分析算法的攻擊，采用大模數(shù)的計(jì)算方式進(jìn)行加密，這樣的加密方式極大地降低加密算法的復(fù)雜性，從而使得密鑰非常容易被破解。

2 改進(jìn)的加密及壓縮算法設(shè)計(jì)

2.1 基于二維混沌映射的圖像加密算法圖像增補(bǔ)算法原理

如圖1所示，為二維混沌映射圖像加密的增補(bǔ)算法加密的流程：(1)首先將原始圖像進(jìn)行模式識(shí)別，是否為方形圖像，如果不是則需要進(jìn)行圖像算法增補(bǔ)處理，然后根據(jù)像素與像素之間的混合程度，對(duì)處理后圖像進(jìn)行拉伸與折疊使得圖像達(dá)到均一化。根據(jù)圖像像素的相鄰數(shù)目特點(diǎn)，分別從水平方向與垂直方向進(jìn)行像素的插入，得到具有左右映射特點(diǎn)的新圖像實(shí)現(xiàn)原始圖像的預(yù)處理。(2)采用二維混沌映射加密的方式進(jìn)行K1密鑰的計(jì)入，得到二次圖像(置亂圖像)；(3)再通過(guò)擴(kuò)散加密方式植入密鑰K2實(shí)現(xiàn)像素值的擴(kuò)散加密，通過(guò)雙層加密后最終得到了增補(bǔ)加密后的圖像。

圖1 加密流程圖Figure 1 Encryption flowchart

2.2 基于混沌理論的圖像加密算法步驟

(1)混沌二值序列的生成

其中，混沌二值序列的生成過(guò)程主要是通過(guò)增加步長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)密鑰空間的不斷擴(kuò)大。在增加步長(zhǎng)的過(guò)程中還進(jìn)行了錯(cuò)位比較，以達(dá)到算法的安全統(tǒng)一性，混沌二值化的公式如下：

(2)二維混沌映射加密算法

二維混沌映射預(yù)處理圖像的加密過(guò)程如圖2所示，假設(shè)圖像為M×M大小的方形圖像。首先沿著方形圖像的對(duì)角線進(jìn)行折疊，拆分為兩個(gè)等腰三角形圖像。圖像中的每一列的像素?cái)?shù)目與相鄰的都不一樣，所以需要從其中的一列中的像素插入到相鄰列的像素中，最終形成環(huán)環(huán)相扣的一條直線，再重新折疊可以得到M×M大小的新圖像。

a.左映射

b.右映射

(3)密匙設(shè)計(jì)

密鑰的設(shè)計(jì)主要是通過(guò)圖像像素插入夠形成左右映射交互構(gòu)成，如圖2所示，分別為左右映射的像素變化，映射的次數(shù)能夠運(yùn)用于密鑰Key。例如，當(dāng)密鑰Key=3124時(shí)，代表密鑰設(shè)計(jì)需要進(jìn)行左映射3次，右映射1次，接著左映射2次和右映射4次。這充分體現(xiàn)了圖像置亂的算法的核心技術(shù)，所以在進(jìn)行密鑰設(shè)計(jì)的時(shí)候需要考慮映射次數(shù)的選取問(wèn)題。為了得到更加復(fù)雜與安全的密鑰，一般會(huì)采用混沌序列生成的數(shù)列作為最終的密鑰。

2.3 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1 二維混沌映射加密算法實(shí)驗(yàn)

圖3 二維混沌映射加密算法實(shí)驗(yàn)效果圖Figure 3 Experimental results of two-dimensional chaotic mapping encryption algorithm

2.3.2 密匙的敏感性分析

密鑰的抗擊能力體現(xiàn)在其復(fù)雜程度，其中密鑰長(zhǎng)度主要取決于密鑰空間的大小，而密鑰空間的大小與二維混沌數(shù)列的映射加密情況有關(guān)。比較原始圖像和加密圖像相關(guān)系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，加密后的密圖像素之間的相關(guān)系數(shù)非常小，加密置亂的效果好。如圖3所示，當(dāng)k1=8765432134567時(shí)對(duì)圖像加密處理，然后使用k1=8765432134566進(jìn)行解密。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，圖像加密的密鑰與解密的密鑰僅僅只差一位數(shù)，但是也無(wú)法得到加密前原始的圖像。這樣的結(jié)果充分的說(shuō)明了基于二維混沌映射的增補(bǔ)加密算法對(duì)于密鑰的保護(hù)具有極強(qiáng)的敏感性。

2.3.3 統(tǒng)計(jì)特性分析

a 加密圖像像素分布

b 原始圖像像素分布 圖4 加密圖像像素分布情況圖Figure 4 Pixel distribution of encrypted image

如圖4所示，分別為加密前后圖像像素的分布情況。其中原始圖像像素分布比較集中，在灰度值為100-200之間像素分布個(gè)數(shù)較多，而其它區(qū)域分布較少。通過(guò)置亂后加密圖像像素分布非常均勻，整個(gè)灰度區(qū)域跨度都充分展示了加密后圖像的抗統(tǒng)計(jì)攻擊的能力。此外，前人研究中的二維混沌映射圖像加密方法僅僅是針對(duì)于正方形圖像，而本文中增補(bǔ)加密方式卻使用與所有的方形圖像，其中包括正方形圖像與長(zhǎng)方形圖像，在應(yīng)用范圍上得到了擴(kuò)展。

3 結(jié)論

圖像信息加密與壓縮技術(shù)是國(guó)家信息網(wǎng)絡(luò)安全的利器，是筑建圖像加密平臺(tái)的重要基礎(chǔ)。本文提出適合長(zhǎng)方形圖像的加密技術(shù)，在原有圓形圖像加密基礎(chǔ)上加密效果得到進(jìn)一步提高，然而該方法對(duì)于橢圓圖像的加密效果并不理想。因此，為推動(dòng)圖像信息安全技術(shù)的發(fā)展，需要更多的科研工作者參與其中為國(guó)家的信息技術(shù)安全做應(yīng)有的貢獻(xiàn)。