数字图像加密算法研究及实现

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 1.67MB 58 页 15积分
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摘 要
随着图像处理技术的快速发展和广泛应用，图像数据逐渐成为人们获取信息
的重要来源，但这同时也带来了图像信息安全隐患问题。因而如何保护这些信息
安全成为国际上研究的热门课题。数字图像加密技术也成为一项非常实用又急需
快速发展的关键技术。
本文简要介绍了数字图像加密技术的研究意义、研究现状及发展趋势，阐述
了数字图像加密的基本原理，分析了几种数字图像加密技术的原理和算法的性能
要求。本文提出了三种基于不同加密原理的数字图像加密算法。
在深刻理解了数字图像置乱技术及其性质基础之上，分析了Arnold变换加密算
法的特性，提出了基于Arnold变换的图像加密算法，并针对基于矩阵变换的图像加
密算法保密性不高的缺点，改进了Arnold变换对图像进行置乱加密的算法。通过大
量实验对加密效果与安全性进行了分析。
在分析Logistic映射的混沌特性基础之上，给出由Logistic混沌模型生成混沌序
列异或图像像素的具体算法。针对一个密钥异或图像加密算法容易破译的缺点，
提出了将混沌序列排序置乱图像像素的加密算法，并通过加密实验对该算法的加
密效果进行验证和分析。
在深入分析小波变换特征基础之上，提出了在小波变换域中运用Logistic混沌
序列对小波系数的不同子带系数进行加密，再通过小波逆变换得到加密图像的算
法。对该算法进行了加密实验，进一步分析了该算法的优点。
大量加密图像效果分析表明本文提出的三种图像加密算法有较高的抗攻击
性，能有效保护图像信息，并且算法具有一定的实用意义。
关键词：信息安全 图像加密 Arnold变换 混沌序列 小波变换
ABSTRACT
With the rapid development and widespread application of image processing
technique, image data have become an important form of information representation.
Meanwhile, the information security problems of images have produced. How to protect
the security of information is a major concern in the world. The encryption technique of
digital images has also become a useful technique, and needs to be developed quickly.
In this paper, significance of digital image encryption is introduced, present state
and perspectives of digital image encryption are generalized, the basic principles of
digital image encryption are illuminated, the algorithms of several digital image
encrypted technique are analyzed, and the performances of these algorithms are pointed
out. Three kinds of digital image encryption algorithms based on different encryption
theories have been discussed in this paper.
Based on understanding permuted algorithms of the digital image and their
properties, the specialties of Arnold transform are analyzed. The image encryption
algorithm based on Arnold mapping is presented. Because the image encryption
algorithms based on matrix transform are not enough secret, the encryption algorithm of
Arnold transform is improved. Experiments of this algorithm is done using computer
and the results of encryption and the security are analyzed.
Based on analyzing the specialty of Logistic mapping, the method that pixels of the
image are exclusive-OR by the chaotic sequences is given. Because this algorithm with
one key is easy to be decrypted, a new algorithm using the ordered chaotic sequences to
encrypting the pixels of images is presented. The algorithm is verified and analyzed by
simulations.
Based on analyzing the characters of wavelet transform, a new image encryption
algorithm combining with Logistic chaotic mapping encrypting different parts of
wavelet coefficients is presented in wavelet domain, and the encryption image can be
gain by inverse wavelet transform. The experiment is done in computer, and the
simulation results show advantages of the algorithm.
By analyzing a number of experiment data, these image encryption algorithms
presented in this paper indicate that they can protect the information of images
effectively, and they have the performance of resisting attacks and practicality.
Key Words ：Information Security, Image Encryption, Arnold
Transform, Chaotic Sequences, Wavelet Transform
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论............................................................................................................1
§1.1 数字图像加密技术的研究背景及意义 ..................................................1
§1.2 数字图像加密技术的研究现状及发展趋势 ..........................................2
§1.2.1 数字图像加密技术的研究现状 ......................................................2
§1.2.2 数字图像加密技术的发展趋势 ......................................................3
§1.3 本文的主要工作及论文结构....................................................................4
第二章 数字图像加密技术的基础理论..................................................................6
§2.1 数字图像基础知识 ..................................................................................6
§2.1.1 图像 ..................................................................................................6
§2.1.2 数字图像 ..........................................................................................7
§2.1.3 数字图像处理 ..................................................................................8
§2.2 密码学概述 ..............................................................................................9
§2.2.1 密码学背景知识 ..............................................................................9
§2.2.2 密码系统基础 ................................................................................10
§2.3 数字图像加密算法分类 ........................................................................11
§2.3.1 基于矩阵变换/像素置乱的图像加密技术 ..................................11
§2.3.2 基于秘密分割与秘密共享的图像加密技术 ................................12
§2.3.3 基于混沌的图像加密技术 ............................................................12
§2.3.4 基于变换域的图像加密技术 ........................................................12
§2.4 数字图像加密算法的性能要求 ............................................................13
§2.5 本章小结 ................................................................................................14
第三章 基于 Arnold 变换的图像加密算法研究.................................................. 15
§3.1 矩阵变换/像素置乱的图像加密技术 ..................................................15
§3.1.1 Arnold 变换的基本概念 ............................................................... 15
§3.1.2 Arnold 变换的扩展 ....................................................................... 16
§3.1.3 Arnold 变换的周期性 ................................................................... 17
§3.2 基于 Arnold 变换的图像加密算法 ...................................................... 17
§3.2.1 基于 Arnold 变换的一般加密算法 .............................................. 17
§3.2.2 基于 Arnold 变换的参数密钥加密算法 ...................................... 19
§3.2.3 基于 Arnold 变换的彩色图像加密算法 ...................................... 20
§3.3 本章小结 ................................................................................................23
第四章 基于 Logistic 混沌映射的图像加密算法研究........................................ 24
§4.1 混沌系统的概念 ....................................................................................24
§4.1.1 混沌系统的背景 ............................................................................24
§4.1.2 混沌系统的特点 ............................................................................25
§4.1.3 混沌系统的分类 ............................................................................25
§4.2 混沌系统在密码学中的应用 ................................................................26
§4.3 Logistic 混沌映射模型 ......................................................................... 26
§4.3.1 Logistic 混沌映射模型定义 ......................................................... 26
§4.3.2 Logistic 混沌映射模型的特性 ..................................................... 27
§4.4 基于 Logistic 混沌映射图像加密算法 ................................................ 28
§4.4.1 基于 Logistic 混沌映射的异或图像加密算法 ............................ 28
§4.4.2 基于 Logistic 混沌映射的排序图像加密算法 ............................ 31
§4.4.3 Arnold 加密算法与 Logistic 混沌加密算法叠加使用 ................ 34
§4.5 本章小结 ................................................................................................35
第五章 基于小波变换域的图像加密算法研究....................................................36
§5.1 小波变换的基本理论 ............................................................................36
§5.1.1 小波变换的发展背景 ....................................................................36
§5.1.2 小波变换的定义 ............................................................................37
§5.1.3 小波变换的分类 ............................................................................37
§5.1.4 小波变换的多分辨率分析 ............................................................38
§5.2 基于小波变换域的图像加密算法 ........................................................39
§5.2.1 图像的小波变换 ............................................................................39
§5.2.2 基于小波变换域的图像加密算法 ................................................41
§5.2.3 基于小波变换域的图像加密算法实现..........................................42
§5.3 本章小结 ................................................................................................43
第六章 图像加密算法集成....................................................................................44
§6.1 算法实现程序的运行环境 ....................................................................44
§6.2 算法实现的系统方案 ............................................................................45
§6.3 算法实现方案的可行性 ........................................................................45
§6.3.1 在 Visual C++中的可行性 ............................................................ 45
§6.3.2 在 MATLAB 中的可行性 ............................................................. 47
§6.3.3 算法实现的界面 ............................................................................48
§6.4 本章小结 ................................................................................................49
第七章 结论 ......................................................................................................50
参考文献 ............................................................................................................51
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ................................54
致谢......................................................................................................................55
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 数字图像加密技术的研究背景及意义
随着计算机技术、现代通信技术、网络技术和多媒体技术的迅速发展，以及
存储设备容量的增长，以往因为存储量巨大而让人望而却步的数字图像已经成为
人们获取信息的主要来源。数字图像信息生动形象，而且其与人感知外部世界的
基本手段相吻合，数字图像已经越来越被国家、政府、工业界、科学界以及个人
所注意和重视。数字图像信息的处理、存储和传输技术越来越广泛地应用于人们
的工作、生活和娱乐等各个方面。
数字图像经常会通过因特网进行传输，可以不受地域限制，且方便快捷。但
网络上传输的数字图像是纷繁复杂的，这些图像信息有些无关紧要，有些却至关
重要，它们有可能涉及军事机密、商业秘密或者个人隐私，其潜在价值无法衡量。
例如军用卫星所拍摄的图片、军用设施图、新型武器研制图以及金融机构的建筑
设计图等。还有些图像信息，如在远程医疗系统中，医院中患者的病历，其中包
括患者的图像，根据法律规定必须要在网络上加密后方可传输[1]。这些图像信息
一旦上网，且没有经过保密处理，它们将可能被轻易获取或非法截获，而对原始
信息的非法复制、蓄意修改则可能导致严重的后果，小则涉及到个人隐私的公开，
大则有可能危害到国家安全。因此，这些敏感图像数据在网络上传输时就要求发
送方和接收方要进行保密通信。如何保护图像信息的安全已经成为各界广为关注
的问题。因此，图像信息的安全性越来越受到社会的普遍重视，保护这些图像信
息的安全已经成为当前国际上研究的重要课题。
网络背景下的数字图像，其安全性需求包含以下四个方面：1）保密性；2）
完整性；3）鉴别性；4）不可抵赖性。为了达到以上需求，人们提出了许多相应
的安全措施，这些措施，从总体上可以分成两大类[2]：一类是基于信息隐藏与伪
装思想的方法，其代表就是近年来发展起来的数字水印技术[3]。通过在数字图像
中嵌入水印信息可以较有效地实现数字图像版权保护，但这样的技术并不改变图
像的可见性，这对于涉及知识产权的鉴定或许是可行的，但对于某些特殊的通信
场合，例如军用卫星摄取的图像、远程医疗患者的病历等的传输及娱乐工业中产
品的网络发送等不适合。另一类是基于现代密码学思想和图像加密的方法，即图
像加密技术[4]。现代密码体制对一维数字信号的安全保密提供了良好的基础，但
传统的加密技术将图像作为普通的一维数据流处理，没有考虑多媒体数据的特点，
具有一定的局限性。数字图像信息数据量大，具有二维的自相似性、相关性等，
摘要：

摘要随着图像处理技术的快速发展和广泛应用，图像数据逐渐成为人们获取信息的重要来源，但这同时也带来了图像信息安全隐患问题。因而如何保护这些信息安全成为国际上研究的热门课题。数字图像加密技术也成为一项非常实用又急需快速发展的关键技术。本文简要介绍了数字图像加密技术的研究意义、研究现状及发展趋势，阐述了数字图像加密的基本原理，分析了几种数字图像加密技术的原理和算法的性能要求。本文提出了三种基于不同加密原理的数字图像加密算法。在深刻理解了数字图像置乱技术及其性质基础之上，分析了Arnold变换加密算法的特性，提出了基于Arnold变换的图像加密算法，并针对基于矩阵变换的图像加密算法保密性不高的缺点，改...

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