圖像加密技術(shù)在無人機(jī)上的應(yīng)用

隨著智能設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，大量數(shù)字圖像信息通過通信網(wǎng)絡(luò)廣泛傳輸。然而，數(shù)字圖像傳輸?shù)陌踩杂葹橹匾?。目前的主流方法是較為安全的網(wǎng)絡(luò)或者介質(zhì)傳輸圖像，但該方法存在治標(biāo)不治本的風(fēng)險(xiǎn)，圖像信息很容易被非法攻擊者竊取。眾多研究者開始對(duì)圖像源頭進(jìn)行技術(shù)革新，將明文圖像進(jìn)行加密后再傳輸，即使攻擊者盜取密文圖像，只能得到畫面雜亂無章的圖，并不會(huì)獲取圖像的有效信息。然而，接收方可根據(jù)指定的密鑰和加密算法獲得解密圖像，有效避免圖像信息在傳輸過程中被盜取，保證了圖像安全。由于圖像具有數(shù)據(jù)容量大、冗余度高、相鄰像素間的相關(guān)性強(qiáng)等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的DES、AES等文本加密算法已不再適用于圖像加密。

圖像加密的重要性

近年，各種類型無人機(jī)發(fā)展迅猛，其性能各異、功能紛呈、核心技術(shù)百花齊放。例如，無人直升機(jī)具有垂直起降、定點(diǎn)懸停等特點(diǎn)，可承擔(dān)通信中繼、目標(biāo)偵察、海上救援等多種任務(wù)。在無人機(jī)快速發(fā)展的同時(shí)，保密技術(shù)落后、單位保密知識(shí)宣貫不到位、責(zé)任人保密意識(shí)較差等因素會(huì)導(dǎo)致無人機(jī)核心技術(shù)甚至軍事信息泄密，國(guó)家和單位存在安全隱患。就泄密內(nèi)容來看，圖像泄密最為嚴(yán)重，因?yàn)閳D像具有拍攝簡(jiǎn)單、獲取的信息量大、直觀性強(qiáng)等特點(diǎn)，容易被別有用心的人竊取。例如，工作人員前往外地參加重要會(huì)議，需要攜帶存儲(chǔ)無人機(jī)系統(tǒng)圖像的保密光盤，一旦保密光盤被不慎遺失，將造成不可估量的損失。無人機(jī)系統(tǒng)圖像經(jīng)過加密處理，增強(qiáng)了圖像傳輸?shù)陌踩裕词贡Ｃ芄獗P被遺失或被盜取，圖像有效信息仍然不易被竊取。

圖像加密技術(shù)研究現(xiàn)狀

眾多研究表明，混沌系統(tǒng)能夠生成具有參數(shù)敏感性、不可預(yù)測(cè)性和非周期性的偽隨機(jī)序列，與密碼學(xué)系統(tǒng)的性質(zhì)高度相似。從某種意義上看，混沌和密碼學(xué)之間存在著天然的聯(lián)系。因此，混沌系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于圖像加密。早在1989年，一位國(guó)外學(xué)者已將混沌引入加密系統(tǒng)，提出并解釋混沌密碼概念；另一位國(guó)外學(xué)者于1998年提出置亂-擴(kuò)散結(jié)構(gòu)，并將混沌系統(tǒng)引入圖像安全領(lǐng)域，對(duì)混沌圖像加密具有重要意義；其他學(xué)者提出了一種基于超混沌系統(tǒng)的圖像加密方案，由于超混沌系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)行為更為復(fù)雜，該方案具有較好的仿真效果；另外一些學(xué)者提出了一種基于可逆元胞自動(dòng)機(jī)和混沌系統(tǒng)的圖像加密方案，由于該方案中的每個(gè)像素的高4位幾乎攜帶了所有圖像信息，在擴(kuò)散階段，該方案只需對(duì)每個(gè)像素的高4位進(jìn)行加密，而低4位像素信息保持不變。然而，大量研究表明，僅僅基于混沌系統(tǒng)的圖像加密算法仍然存在被破譯的風(fēng)險(xiǎn)，安全性與可靠性相對(duì)缺乏。

近年，隨著DNA計(jì)算的深入研究，DNA相關(guān)算法在密碼學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用潛力逐漸被發(fā)掘，并廣泛應(yīng)用于圖像加密領(lǐng)域。僅僅基于混沌系統(tǒng)的加密效果有限，為提升加密算法的安全系數(shù)，許多研究者將DNA計(jì)算與混沌系統(tǒng)結(jié)合在一起，從而展開更深層次的研究。因此，本文提出基于混沌系統(tǒng)與DNA序列的圖像加密算法應(yīng)用于無人機(jī)圖像加密的方案。

應(yīng)用可行性分析

本節(jié)對(duì)圖像加密算法應(yīng)用于無人機(jī)圖像加密的可行性進(jìn)行分析，采用像素為256×256×3的MQ-8C無人直升機(jī)圖像作為明文圖像，并在AMD Ryzen 7 5800H with Radeon Graphics 3.20 GHz處理器、16GB內(nèi)存、Windows 11專業(yè)版電腦配置環(huán)境下運(yùn)行MATLAB R2021a，得到仿真試驗(yàn)結(jié)果以及性能分析結(jié)果。由圖1可知，密文圖像完全不能被人的肉眼識(shí)別且為無序畫面，人員無法從密文圖像中獲取任何有效信息，而且解密后的圖像與明文圖像是一致的，證明了本文加密算法非常有效。

直方圖分析

直方圖是一種衡量加密效果的重要指標(biāo)。明文圖像和密文圖像的直方圖如圖2所示。圖2顯示，明文圖像像素分布十分不均勻，密文圖像像素分布卻較為平滑且均勻。因此，本文圖像加密算法可以有效打亂明文圖像的像素分布，增強(qiáng)密文圖像的安全性。

抗剪切攻擊能力測(cè)試

本文設(shè)計(jì)一種密文圖像分別被隨機(jī)剪切1/8、1/4、1/2圖像數(shù)據(jù)后的解密試驗(yàn)，并得到與被隨機(jī)剪切1/8、1/4、1/2圖像數(shù)據(jù)的密文圖像相對(duì)應(yīng)的解密圖像，再根據(jù)解密圖像，測(cè)試加密算法抗剪切攻擊的能力。人的肉眼能從圖3的解密圖像中獲取明文圖像的主要信息，表明該加密算法能夠抵抗剪切攻擊。

結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的加密算法具有良好的加密性能，能夠抵抗常見的各種攻擊，有效提升無人機(jī)圖像傳輸?shù)陌踩耘c可靠性，避免嚴(yán)重的泄密現(xiàn)象，讓涉密無人機(jī)系統(tǒng)圖像真正做到一對(duì)一傳輸。即使外人盜取密文圖像，只能得到一幅像素被打亂且無有效信息的亂圖。