【文章內(nèi)容簡介】 縮編碼的應(yīng)用。 第二階段：對壓縮后的多媒體數(shù)據(jù)進行加密 。 例如， Qiao[3]等提出 基于 DES密碼的改進算法 VEA，并將其用于視頻的加密，其加解密效率比 DES 提高了 40%。Romeo 等 [4]提出 用于視頻數(shù)據(jù) 的 加密算法 RPK， 該算法加密速度快，安全性高。然而 ， 多媒體數(shù)據(jù)即使壓縮后 數(shù)據(jù)量 還是非常龐大，加密所有壓縮數(shù)據(jù)效率低，難以適應(yīng)實時傳輸。此外 加密后會破壞編碼格式 ， 解碼端無法正常解密。因此，此類算法多用于多媒體數(shù)據(jù)的加密保存。 重慶大學本科學 生畢業(yè)設(shè)計 （論文） 1 緒論 2 第三階段：選擇加密。即選擇碼流中的一部分重 要數(shù)據(jù)加密，從而起到保護所有數(shù)據(jù)的目的。如， Cheng 等 [5]提 出在基于小波變換的圖像或視頻編碼 的 選擇加密方法。袁春等 [6]提 出一種基于混沌密碼的視頻流選擇加密方法。這種加密方 式可以有效地降低加密所需的數(shù)據(jù)量，一般情況下不改變壓縮格式 但 安全性會有所降低。 根據(jù)加密算法與壓縮算法的不同，可以將現(xiàn)有的多媒體數(shù)據(jù)加密算法分為以下幾類： 第一類：直接加密。直接加密方法通常把原始數(shù)據(jù)化為一維比特流加密，采用的加密方法通常安全性非常高。但是，龐大的數(shù)據(jù)量與計算復(fù)雜度很難適應(yīng)實際應(yīng)用的需求。 第二類：選擇加密。選擇加密通 過減少加密所需的數(shù)據(jù)量來提高效率，但是目前對其加密效果缺乏權(quán)威的評價標準，它的安全性得不到保障。 第三類：與編碼過程相結(jié)合的加密方法。與編碼過程相結(jié)合的加密方案能夠在編碼的同時完成加密，提高了效率，并且能夠滿足格式兼容性，適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)實時傳輸。該算法的實質(zhì)類似于將碼流中的某些關(guān)鍵數(shù)據(jù)用隨機比特替換，容易受到已知明文攻擊和選擇明文攻擊。因此在設(shè)計此類加密算法時要考慮如何提高這方面的安全性。 多媒體信息加密的技術(shù)評價標準 多媒體信息與普通的文本信息不同，它們數(shù)據(jù)量大冗余度高，要求能夠適應(yīng)實時性傳輸?shù)囊?。通常我們可以從以下幾個方面評價多媒體加密算法的性能。 ① 安全性：安全性是所有加密算法最重要的性能，也是必須首先滿足的要求。一個安全的加密算法理論上應(yīng)該能夠抵抗各種密碼分析。然而，在實際應(yīng)用中不同的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Π踩缘囊笠彩遣煌摹Ｒ虼宋覀円话阏J為：若破譯該密碼所要花費的代價大于該信息本身的價值，則認為該加密算法是安全的。 ② 速度：多媒體數(shù)據(jù)和普通的文本信息不同，對實時傳輸和存取的要求非常高。因此，多媒體數(shù)據(jù)加密算法應(yīng)具有很高的加密效率。 ③ 對壓縮比的影響：一個好的加密算法，理論上不應(yīng)該對壓縮比產(chǎn)生影響。壓縮比如果不改變就不會改變數(shù)據(jù)占用的空間，也就不會對傳輸速率造成較大影響。 ④ 格式兼容性：在實際應(yīng)用中，我們常常需要根據(jù)應(yīng)用環(huán)境、數(shù)據(jù)格式以及具體的應(yīng)用需求設(shè)計加密算法。要求加密后的圖像即使不進行解密仍能由標準的解碼器進行正確的解碼。 通常情況下設(shè)計的算法并不能完美地滿足以上幾個要求，常常是各種技術(shù)要求的折中。 重慶大學本科學 生畢業(yè)設(shè)計 （論文） 1 緒論 3 課題研究的意義 近年來，隨著計算機多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對圖像和多媒體信息的需求不斷增長。未經(jīng)處理的圖像信號的數(shù)據(jù)量是巨大的，使得圖像信息的傳輸、處理和存儲都受到限制。 如何在 相同的空間存儲更多的信息以及在已有的帶寬情況下更快捷地傳輸更多的信息， 研究高效的圖像數(shù)據(jù)壓縮編碼方法在應(yīng)用領(lǐng)域中的作用將是至關(guān)重要的。圖像數(shù)據(jù)壓縮編碼技術(shù)己經(jīng)成為多媒體及通訊領(lǐng)域中的關(guān)鍵技術(shù)之一， 如果沒有數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，我們每次對數(shù)據(jù)信息進行提取和操作，與現(xiàn)在相比，將是個漫長復(fù)雜的過程，更無法在短時間內(nèi)對海量信息進行檢索。 由于通信傳輸和接收設(shè)備的充分發(fā)展，通過無線電和一般的通信網(wǎng)絡(luò)非法獲取數(shù)據(jù)已經(jīng)變得越來越容 易。 因此，信息安全已經(jīng)成為一個關(guān)鍵而迫切的問題，數(shù)字圖像加密技術(shù)已經(jīng)成為一項非常實用而又亟待快速發(fā) 展的關(guān)鍵技術(shù)。 過去，人們常常利用傳統(tǒng)的文本加密方法加密圖像的所有數(shù)據(jù)，然而，數(shù)字圖像具有數(shù)據(jù)量大、冗余度高和允許一定失真等特點，應(yīng)用現(xiàn)有的文本加密方法直接加密數(shù)字圖像時，加密效率不高。圖像壓縮技術(shù)成熟之后，出現(xiàn)了加密全部壓縮數(shù)據(jù)的圖像加密方法，加密效率有較大提高。然而，圖像的壓縮數(shù)據(jù)量仍然較大 ，難以適應(yīng)實時傳輸 。基于壓縮編碼的加密方式能夠同時完成加密和壓縮的功能，通過壓縮減少了信息的冗余，同時引入加密使對試圖推測出明文信息和找到密鑰的攻擊具有非常好的魯棒性。因此，與壓縮編碼過程相結(jié)合的圖像加密算法成為了研究熱點。 SPIHT 編碼 [27]作為一種優(yōu)越的嵌入式小波編碼，在各種圖像壓縮中應(yīng)用廣泛。它能夠支持圖像漸進傳輸、壓縮效率高，比特流按照重要性排序并且能夠隨時結(jié)束編碼，允許達到一個目標比特率或失真。該算法充分挖掘了小波圖像不同子帶之間的相似性，是公認的一種高效圖像壓縮編碼。因此研究 SPIHT 編碼并更好地利用它是非常必要的。與壓縮編碼相結(jié)合的圖像加密算法能同時完成加密和壓縮的功能，具有非常重要的應(yīng)用意義。因此，本文的核心任務(wù)是基于 SPIHT 編碼設(shè)計一個加密方案，要求在滿足安全性要求的前提下，盡量提高加密速度或者減 少加密所需的數(shù)據(jù)量，同時保持數(shù)據(jù)格式的兼容性并適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)實時傳輸。 本文主要內(nèi)容及其結(jié)構(gòu)安排 文本研究了圖像加密技術(shù)和圖像壓縮編碼技術(shù)，深入學習了小波編碼的相關(guān)知識。本文的主要工作是對 SPIHT 編碼算法進行重點研究，針對編碼的結(jié)構(gòu)和特點設(shè)計一種基于編碼過程的加密方案。此外本文還設(shè)計并實現(xiàn)了基于 SPIHT 編碼的重慶大學本科學 生畢業(yè)設(shè)計 （論文） 1 緒論 4 圖像加密系統(tǒng)，對加密算法進行了多方面的測試實驗與性能分析。 本文章節(jié)安排如下： 第一章：緒論部分。介紹了多媒體加密技術(shù)的相關(guān)知識，提出了本文的研究背景和研究意義； 第二章：信息論與密碼學基礎(chǔ)。簡要 介紹了信息論與密碼學的基礎(chǔ)知識； 第三章：圖像編碼技術(shù)。簡要概述了數(shù)字圖像壓縮編碼技術(shù)的相關(guān)知識以及它的發(fā)展趨勢。此外還重點介紹了小編變換編碼的基礎(chǔ)理論知識：包括小波變換系數(shù)的分布特點以及小波變換實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)壓縮的基本思想，并突出了小波編碼在圖像壓縮領(lǐng)域的優(yōu)勢。最后簡單介紹了幾種常見的小波變換圖像壓縮編碼方法； 第四章： SPIHT 編碼介紹。重點介紹了 SPIHT 編碼算法及相關(guān)理論知識； 第五章：基于 SPIHT 編碼的圖像加密算法。重點分析了 SPIHT 壓縮數(shù)據(jù)特點以及它們在解碼過程中所起的作用。在此基礎(chǔ)上提出了基 于編碼的選擇加密算法并進行加密性能分析。經(jīng)分析，該算法存在一些不足，針對這一問題提出了對該算法的改進。 第六章：基于 SPIHT 編碼的圖像選擇加密系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。本文基于 MFC設(shè)計并實現(xiàn)了加密軟件。詳細介紹了軟件各個功能模塊并對系統(tǒng)進行測試。 第七章：總結(jié)和展望。 重慶大學本科學生畢業(yè)設(shè)計 （論文） 2 信息論與密碼學基礎(chǔ) 5 2 信息論與密碼學基礎(chǔ) 信息論基礎(chǔ) 信息論定義 信息論是運用概率論和數(shù)理統(tǒng)計的方法研究信息、信息熵、通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸、密碼學、數(shù)據(jù)壓縮等問題的應(yīng)用數(shù)學學科。信息傳輸和信息壓縮是信息論中的兩大研究領(lǐng)域。 1948 年香農(nóng)在《 通訊的數(shù)學理論》一文中系統(tǒng)地提出了關(guān)于信息的論述，創(chuàng)立了信息論。 信息有著各式各樣的定義，比較一致的定義為 [7]：信息是認知主體（人、生物、機器）所感受到的或所表達的事物運動狀態(tài)和運動狀態(tài)變化的方式。信息的特征為： ① 接收者在收到信息之前無法知道它的內(nèi)容，所以信息是新知識、新內(nèi)容； ② 信息是能使認知主體對某一事物的未知性或不確定性減少的有用知識； ③ 信息可以產(chǎn)生也可以消失，同時信息可以被攜帶、儲存及處理； ④ 信息是可以度量的，信息量有多少的差別。 圖 是目前常用的、也是較為完整的通信系統(tǒng)物理模型。 信 源信 源編 碼加 密信 道編 碼信 道信 宿信 源譯 碼解 密信 道編 碼干 擾噪 聲圖 通信系統(tǒng)物理模型 在各種通信系統(tǒng)中傳送的本質(zhì)內(nèi)容是信息，發(fā)送端需將信息表示成具體的消息，再將消息載至信號上，才能在實際的通信系統(tǒng)中傳輸。對收信者來說，消息的傳遞過程是一個從不確定到部分確定或全部確定的過程。所以，通信過程是一種消除不確定性的過程。因此，香農(nóng)定義信息是事物運動狀態(tài)或存在方式的不確定性的描述。 信息論研究的對象和目的 信息論研究的對象主要可分成以下五個部分 [8]: 重慶大學本科學生畢業(yè)設(shè)計 （論文） 2 信息論與密碼學基礎(chǔ) 6 ① 信源 信源是發(fā)出消息的源，它可以是人，生物，機器或其他事 物。信源按照一定的概率分布發(fā)出符號，包括文字、數(shù)字、語言、圖像等，單個符號和符號序列都可以構(gòu)成具體消息。信源輸出的單符號集可用隨機變量 X 描述 : ( , )X A a b?? ,X 取值于連續(xù)區(qū)間 (, )ab 內(nèi)。概率分布可表示為： 連續(xù)信源： ( , )[ , ( )]()abA p x pX??? ????， { } ( )p x X x dx p x dx? ? ? ?,其中， ()pX 為概率密度。 離 散 信 源 ： 1212, , . . . ,[ , ( ) ] ( ) , ( ) , . . . ( )nna a aA p x p a p a p a??? ????，1 ( ) 1nni pa? ??，其中12{ , , ..., }nX A a a a?? ② 信宿 消息傳遞的對象，即接收消息的人或機器。信宿需要研究的問題是能收到多少或提取多少信息。 ③ 信道 傳遞消息的通道，又是傳輸物理信號的設(shè)施。信道的問題主要是它能傳輸多少信息，即信道容量的大小。 ④ 編碼器 編碼是把消息變換成信號的措施。編碼器輸出的是適合信道傳輸?shù)男盘?，信號攜帶消息，它是消息的載荷者。 ⑤ 解碼器 譯碼就是把信道輸出的編碼信號進行變換。從受干擾的編碼信號中最 大限度地提取出有關(guān)信源輸出的信息。 研究這樣的信息傳輸系統(tǒng)，其目的就是要找到信息傳輸過程中的共同規(guī)律，以提高信息傳輸?shù)目煽啃?、有效性、保密性和認證性，以達到信息傳輸系統(tǒng)的最優(yōu)化。具體表現(xiàn)為： ① 信源發(fā)出的消息經(jīng)過信道傳輸以后，希望盡可能準確的，不失真地再現(xiàn)在接收端。 ② 用盡可能短的時間和盡可能少的設(shè)備來傳送一定數(shù)量的信息。 ③ 隱蔽和保護通信系統(tǒng)中傳送的消息，使它只能授權(quán)接收者獲取，而不能被未授權(quán)者接收和理解。 ④ 使接收者能正確判斷所接收的消息的正確性，驗證消息的完整性，而不是重慶大學本科學生畢業(yè)設(shè)計 （論文） 2 信息論與密碼學基礎(chǔ) 7 偽造和被竄改的。 信息論與編 碼 編碼學是實現(xiàn)信息傳輸?shù)挠行浴⒈Ｃ苄约罢J證性的重要手段。針對不同信息的壓縮編碼保證了系統(tǒng)使用盡可能少的資源和時間傳送盡可能多的信息，同時在一定程度上實現(xiàn)了保密性。根據(jù)信息論的各種編碼定理，編碼問題可分為 3類 [8]：信源編碼、信道編碼和加密編碼。 ① 信源編碼 信源編碼器的作用有兩個：一是把信源發(fā)出的消息變換成由二進制碼元（或多進制碼元）組成的代碼組，這種代碼組就是基帶信號；另一個作用是通過信源編碼可以壓縮信源的冗余度，以提高通信系統(tǒng)傳輸消息的效率。信源編碼主要可分成無失真信源編碼和限失真信源編碼。無失真信源 編碼主要適用于離散信源或數(shù)字信號，如文本，表格及工程圖紙等，它們要求進行無失真地數(shù)據(jù)壓縮，要求完全能夠無失真的可逆恢復(fù)。限失真信源編碼主要適用于波形信源或一定限度內(nèi)允許失真的信息，如圖像，視頻，聲音等，它們不要求完全可逆恢復(fù)。 ② 信道編碼 信道編碼器的作用是在信源編碼器輸出的代碼組上有目的地增加一些監(jiān)督碼元，使之具有檢錯或糾錯能力。信道編碼包括調(diào)制解調(diào)和糾錯檢錯編譯碼。信道編碼的主要方法是增大碼率或頻帶，即增大所需的信道容量。 ③ 加密編碼 加密編碼是研究如何隱蔽消息中的信息內(nèi)容，以便于在傳輸過程中不被竊聽，提高 通信系統(tǒng)的安全。 密碼學基礎(chǔ) 密碼學是一門古老而深奧的學科 ，它的發(fā)展與數(shù)學的發(fā)展緊密相連，除此之外它還利用了統(tǒng)計學、組合代數(shù)、隨機知識。隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，信息的搜集更加便利。然而大量的信息通過公共設(shè)施以及計算機網(wǎng)絡(luò)進行交換，保證這些信息的安全性和真實性至關(guān)重要。現(xiàn)代密碼學不僅僅只是應(yīng)用在軍事、政治和外交中，它已經(jīng)滲透到人們生活領(lǐng)域的各個方面。 密碼學主要分為兩個 方面：密碼編碼學和密碼分析學 。 密碼編碼學： 它的核心任務(wù)是設(shè)計算法使得在密鑰未知的情況下無法根據(jù)密文分析出明文， 實現(xiàn)對信息的保密或認證，保 證信息的完整性及安全性。 密碼分析學：研究在 密 鑰未知的情況下，