【正文】 遠(yuǎn)的古代信息隱藏 技術(shù)不同于傳統(tǒng)的密碼學(xué)技術(shù)，密碼技術(shù)主要研究將機(jī)密信息進(jìn)行特殊的編碼，形成不可識(shí)別的密碼形式 (密文 )進(jìn)行傳遞；信息隱藏不同于密碼學(xué)中對(duì)信息內(nèi)容的保護(hù)，隱秘術(shù)著眼于隱藏信息本身的存在。因此，新型的多媒體應(yīng)用需要新的數(shù)據(jù)加密技術(shù)。保護(hù)圖像信息安全最經(jīng)濟(jì)有效的方法之～是采用密碼技術(shù)，但是，一方面?zhèn)?統(tǒng)的加密算法如 DES和RSA，一般是基于文本數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的，它把一段有意義的數(shù)據(jù)流 (稱為明文 )轉(zhuǎn)換成看起來(lái)沒(méi)有意義的數(shù)據(jù) (成為密文 )。因此針對(duì)多媒體信息安全保護(hù)技術(shù)的研究也顯得尤為重 要，多媒體信息安全是集數(shù)學(xué)、密碼學(xué)、信息論、概率論、計(jì)算復(fù)雜度理論和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以及其它計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)于一體的多學(xué)科交叉的研究課題。對(duì)于圖像信息，傳統(tǒng)的保密學(xué)尚缺少足夠的研究。由于人的視覺(jué)系統(tǒng)很復(fù)雜，數(shù)字圖像受環(huán)境條件、視覺(jué)性能、人的主觀意識(shí)的影響很大，因此要求系統(tǒng)與人的良好的基于 Arnold 置亂的數(shù)字圖像加密算法的研究與實(shí)現(xiàn) 2 配合，這還是一個(gè)很大的研究課題。 (3)數(shù)字圖像中各個(gè)象素不是獨(dú)立的，其相關(guān)性很大。 (2)數(shù)字圖像占用的頻帶較寬。 一般地，模擬圖像經(jīng)采樣離散后得到的數(shù)字圖像具有以下的特點(diǎn)： (1)圖像數(shù)據(jù)信息量很大。這種離散化了的圖像就是數(shù)字圖像，可以用 (, )Irc 來(lái)表示。一幅圖像可以用一個(gè) 2D數(shù)組 ( , )f xy 來(lái)表示，這里 x 和 y 表示 2D空間 XY中一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的位置，而 f 則代表圖像在點(diǎn)的某種性質(zhì) F 的數(shù)值。 我們生活在一個(gè)信息時(shí)代，科學(xué)研究和統(tǒng)計(jì)表明，人類從外界獲得的信息約有 75％來(lái)自視覺(jué)系統(tǒng)，也就是從圖像中獲得的。圖像對(duì)我們并不陌生，它是用各種觀測(cè)系統(tǒng)以不同形 式和手段觀測(cè)客觀世界而獲得的，可以直接或間接作用于人眼進(jìn)而產(chǎn)生視知覺(jué)的實(shí)體?；?Arnold 置亂的數(shù)字圖像加密算法的研究與實(shí)現(xiàn)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 Ⅲ 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題 目： 基于 Arnold 置亂的數(shù)字圖像加密算法的研究與實(shí)現(xiàn) 基于 Arnold 置亂的數(shù)字圖像加密算法的研究與實(shí)現(xiàn) 1 第一章 綜述 在一切數(shù)字化信息中，圖像信息是一種非常直觀而又含有大量信息的載體，此所謂“千言萬(wàn)語(yǔ)不及一張圖”。人的視覺(jué)系統(tǒng)就是一個(gè)觀測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)它得到的圖像就是客觀景物在人眼中形成的影像。這里圖像是比較廣義的，例如照片、繪圖、視像等等。例如常用的圖 像一般是灰度圖，這時(shí) f 表示灰度值，它常對(duì)應(yīng)客觀景物被觀察到的亮度值。這 里 I 代表離散化后的 f ， (, )rc 代表離散化后的 (, )xy ，其中 r 代表圖像的行 (row)， c 代表圖像的列 (column)。例如取 512512個(gè)象素組成一幅數(shù)字圖像，如其灰度級(jí)用 8比特的二進(jìn)制來(lái)表示，則有 28=256個(gè)灰度級(jí)，那么這幅圖像的數(shù)據(jù)信息量即為 5125128=2097152比特。與語(yǔ)言信息相比，占用的頻帶要大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。就是說(shuō)，有大塊區(qū)域的灰度值是相差不大的。 信息安全 隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，大量個(gè)人和公眾信息在剛絡(luò)上傳播，使得信息的安全問(wèn)題成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)，信息的安全與保密不僅與國(guó)家的政治、軍事和外交等有重大的關(guān)系，而且與國(guó)家的經(jīng)濟(jì)、商務(wù)活動(dòng)以及個(gè)人都有極大的關(guān)系。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展，對(duì)此已有一些研究成果。 對(duì)通訊安全的研究不僅包括加密，還包括以隱藏信息為根本的信息安全。由于將明文數(shù)據(jù)加密成密文數(shù)據(jù)，使得在網(wǎng)絡(luò)傳遞過(guò)程中非法攔截者無(wú)法從巾獲得信息，從而達(dá)到保密的目的。近年來(lái)，在這方面的研究取得了一些成果，主要針對(duì)視頻數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)。主要研究如何將一機(jī)密信息秘密隱藏于另一公開(kāi)的信息中，然后通過(guò)公開(kāi)信息的傳輸來(lái)傳遞機(jī)密信息。圖像比聲音、文字等蘊(yùn)涵更多的信息量，因而在多媒體信息中占有舉足輕重的地位，數(shù)字圖像信息安全是多媒體信息安全的重要組成部分。它們從不同的角度保證信息的安全，如果我們將信息加密與信息隱藏有機(jī)地相結(jié)合 ，可進(jìn)一步提高信息的安全性。在這些方法中，為保證安全性，一般主要依靠由密鑰以非常復(fù)雜的方式控制的替換過(guò)程，對(duì)于數(shù)據(jù)量極為龐大的多媒體數(shù)據(jù)流而毒， 難以實(shí)現(xiàn)快速的加、解密算法。這使得在處理圖像數(shù)據(jù)時(shí)傳統(tǒng)的加密方法顯得效率不高、效果不理想。這使得圖像的實(shí)時(shí)加密變得非常困難。香農(nóng)在信息論中提到，一個(gè)足夠安全的加密算法應(yīng)該滿足 E(P/c)=E(P)。一個(gè)均勻分布的信息源具有極大的不確定性。一般來(lái)講，圖像的安全性由實(shí)際的應(yīng)用情況所決定，除了軍事應(yīng)用等特殊情況外，通常圖像信息的價(jià)值很低．因此沒(méi)必要對(duì)所有類型的圖像都應(yīng)用級(jí)別很高的加密算法。數(shù)字圖像具有信息量大、信息表達(dá)直觀的特點(diǎn)，它的安全保密顯然與以往在計(jì)算機(jī)上所面對(duì)的文本數(shù)據(jù)截然不同。按照加密對(duì)象的不同，可分為：對(duì)空間域像素值的加密 方法、對(duì)變換域系數(shù)的加密方法等等。 圖像置亂與 Arnold算法 針對(duì)圖像作品的保護(hù)措施有許多種，其中圖像置亂和數(shù)字圖像加密技術(shù)受到了廣泛的重視。 數(shù)字圖像置亂是一種數(shù)字圖像空間域的變換，它通過(guò)對(duì) 圖像空間的重新分布來(lái)打亂各像素的次序，但其像素總數(shù)目不變，直方圖不變，使一幅圖像變得面目全非，因其分散性較好，所以也有人運(yùn)用這種技術(shù)來(lái)生成人工仿真的布料紋理。 Arnold變換可以將圖像的錯(cuò)誤分散出去，所以用在數(shù)字圖像水印時(shí)其魯棒性較好。選擇一幅有實(shí)際意義的二值圖像作為數(shù)字水印 ,通過(guò)對(duì)原始圖像進(jìn)行多級(jí)小波分解后 ,自適應(yīng)的修改選擇的中頻系數(shù)來(lái)進(jìn)行嵌入。 第二章，介紹分組密碼的設(shè)計(jì)理論，包括分組密碼設(shè)計(jì)的安全性 原則、分組密碼的數(shù)學(xué)模型、迭代分組密碼的整體結(jié)構(gòu)和分組密碼的參數(shù)選取 以及 Rijndael算法的數(shù)學(xué)原理 。這種字母置換可以看成是一維數(shù)據(jù) 流的值置換，在一定程度上達(dá)到了保護(hù)信息的目的。比如把話音的頻譜劃分成若干個(gè)子帶，重新排列它們的次序以達(dá)到置亂的效果。近年來(lái)，已有很多文獻(xiàn)提出了語(yǔ)音置亂的方法，如異步語(yǔ)音置亂算法，時(shí)頻擾亂法等等。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，圖像置亂加密技術(shù)已成為數(shù)字圖像安全傳輸和保密存儲(chǔ)的主要手段之一。此外，目前給出的置亂加密算法大多是基于數(shù)學(xué)變換的，去亂過(guò)程有時(shí)也可通過(guò)置亂加密的周期性獲得。在絕大多數(shù)情況下區(qū)域 R 是一個(gè)矩形，對(duì) R 中任意的點(diǎn) (, )xy ， ( , )Fxy 代表圖像的信息 (如灰度值， RGB 分量值等 )，表示圖像的二元函數(shù)有其特殊性，這就是相關(guān)性。但是平移和旋轉(zhuǎn)變換都不會(huì)改變像素 間 的相對(duì)關(guān)系，由它們所生成的圖像沒(méi)有結(jié)構(gòu)上的變化；而比例和錯(cuò)切變換一般都會(huì)改變圖像在像素平面上所占據(jù)的位置，使原始圖像中的像素點(diǎn)跑到圖像以外的區(qū)域，因此，僅僅由這四種幾何變換中的一種無(wú)法構(gòu)造出我們要求的排列變換來(lái)，需要考慮同時(shí)使用其中的兩種甚至四種幾何變換。 定理 互相正交的 n 階拉丁方的個(gè)數(shù)不超過(guò) 1n? 個(gè)。由定理 知存在有 1n? 個(gè)拉丁方的互相正交的拉丁方組 1 2 1, ,..., nA A A ? 在該組中任取兩個(gè)互相正交的拉丁方設(shè)為： ,ijAA 1 , 1i j n? ? ? ， ij? 。 算法的周期性： 表 ： 不同階數(shù)下的相同參數(shù)的正交拉丁方變換的周期 表 ： 相同階數(shù) r的不同參數(shù)的止交拉 J方變換的周期 基于 Arnold 置亂的數(shù)字圖像加密算法的研究與實(shí)現(xiàn) 8 表 ： 不同階數(shù)下的不同參數(shù)的正交拉丁方變換的周期 和許多置亂算法一樣，基于正交拉丁方的加密算法的周期性仍有待進(jìn)一步研究。 設(shè)嵌入對(duì)象是 nn? 的像素矩陣 B，我們可以將 B與 A各元素一一對(duì)應(yīng)，然后將處于 A中元素 1位置的像素移至元素 2位置處，將處于 A中元素 2位置的像素移至元素 3位置處，以此類推，最后將 2n 處的像素移至 l處。 原始圖像中相鄰的像素經(jīng)置亂后大都仍保持空問(wèn)相鄰狀態(tài)，因此這種方法的置亂效果較差，為了得到較好的置亂效果，需要多次重復(fù)上面過(guò)程，成倍地增加計(jì)算量；此外，對(duì)于非正方尺寸的圖像，上述置亂算法不能直接應(yīng)用。 騎士巡游變換：對(duì)于圖像 { ( , )}nmA a i j ?? ，用巡游矩陣 { ( , )}nmT t i j ?? 作置亂變換，得到圖像 B。密鑰個(gè)數(shù)大于 Hilbert曲線、 Peano方法、 E曲線、幻方置亂變換的密鑰個(gè)數(shù)。 基于 Arnold 置亂的數(shù)字圖像加密算法的研究與實(shí)現(xiàn) 10 基于 Arnold變 換的數(shù)字圖像置亂 對(duì)于二維可逆保面積方程： 39。 1 1 ( m o d )39。 這是對(duì)一個(gè)一般的二維可逆保面積映射加了取正整數(shù)的限制，這種變換具有拉伸和折疊的性質(zhì)，經(jīng)變換后原來(lái)相鄰的兩點(diǎn) (, )ij 和 (, 1)ij? 經(jīng)幾次迭代后就不再相鄰，這樣圖像經(jīng)迭代若干次后就變得不可辨認(rèn)，從而達(dá)到加密的效果。 Arnold變換實(shí)際上是一種點(diǎn)的位置移動(dòng)，且這種 變換是一一對(duì)應(yīng)的。xxANyy?? 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