数字图像加密技术研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 6 4 1.31MB 70 页 15积分

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摘要

随着现代通信技术、多媒体技术和网络技术的快速发展，人类步入了一个数

字化的时代。数字图像作为其中最主要的数字媒介之一，给人们的生活和工作带

来了无穷的乐趣。但越来越多的图像外泄事件，也给人们的生活带来了困扰。图

像信息的安全引起了人们的高度重视，所以数字图像加密作为一种有效的图像信

息保护手段，受到了人们的广泛关注。

本文依据混沌系统对其初始值敏感的特性，提出并改进了基于混沌的图像异

或加密算法，并结合多幅图像的加密和解密实验仿真效果，从原始图像的加密效

果、加密图像的解密效果、加密方案的安全性三个方面，对该算法的加密和解密

性能进行了多角度的对比分析。实验结果表明，该算法加密和解密效果理想，安

全性高。

本文依据混沌系统对其初始值敏感的特性，提出并改进了基于混沌的图像置

乱加密算法，并结合多幅图像的加密和解密实验仿真效果，从原始图像的加密效

果、加密图像的解密效果、加密方案的安全性三个方面，对该算法的加密和解密

性能进行了多角度的对比分析。实验结果表明，该算法加密和解密效果理想，安

全性高。

本文依据小波变换的多分辨分析特性，提出了基于小波变换域的数字图像加

密算法，并结合多幅图像的加密和解密实验仿真效果，将小波变换域间接加密算

法和混沌空间域直接加密算法从加密效果、加密运算量、加密方案的安全性三个

方面对加密和解密性能进行了多角度的对比分析。实验结果表明，基于小波域的

加密算法减少了加密的数据量，加密和解密效果却丝毫未受影响。

关键词：数字图像混沌小波变换加密和解密

ABSTRACT

With the rapid development of modern communication technology, modern

multimedia technology and modern network technology, the human being has stepped

into a digital age. As one of the main digital media, the digital image has brought

infinite pleasures to everyone's life and work. But it will also take plenty of trouble to

everyone’s life since more and more images have been revealed through the internet. So

the digital image encryption, as a kind of effective means of image information

protection, has received people's attention.

The chaotic systems are sensitive to their initial value. Based on this characteristic,

this paper has put forward and improved the chaotic Exclusive Or image encryption

algorithm. Providing the experimental simulation effects of many images, this paper has

taken a multi-angle comparative analysis to this algorithm’s encrypted and decrypted

performance. This analysis covers these three aspects: the original image encryption

effect, the encrypted image decryption effect and the safety of encryption schemes. The

experimental result shows that the image encryption algorithm based on the chaotic

Exclusive Or has an ideal encrypted and decrypted effect with a high safety.

The chaotic systems are sensitive to their initial value. Based on this characteristic,

this paper has put forward and improved the chaotic Scrambling image encryption

algorithm. Providing the experimental simulation effects of many images, this paper has

taken a multi-angle comparative analysis to this algorithm’s encrypted and decrypted

performance. This analysis covers these three aspects: the original image encryption

effect, the encrypted image decryption effect and the safety of encryption schemes. The

experimental result shows that the image encryption algorithm based on the chaotic

Scrambling has an ideal encrypted and decrypted effect with a high safety.

Multi-resolution analysis is one of the wavelet transform’s characteristics. Based

on this characteristic, this paper has put forward the wavelet transform image encryption

algorithm. Providing the experimental simulation effects of many images, this paper has

taken a multi-angle comparative analysis to the wavelet transform domain indirect

encryption algorithm and the chaos spatial domain direct encryption algorithm. This

analysis covers these three aspects: the encryption effect, the encryption computation

and the safety of encryption schemes. The experimental result shows that the image

encryption algorithm based on the wavelet transform domain can reduce the encrypted

data, but the encryption effect is not affected.

Key Words：Digital Image, Chaotic, Wavelet Transform, Encryption

and Decryption

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论.................................................................................................................1

§1.1 研究背景及意义..............................................................................................1

§1.2 国内外研究现状及发展趋势..........................................................................2

§1.3 主要工作及论文结构......................................................................................4

第二章数字图像加密技术概述.................................................................................6

§2.1 数字图像基础..................................................................................................6

§2.1.1 数字图像概述...........................................................................................6

§2.1.2 数字图像处理...........................................................................................8

§2.2 密码学概述....................................................................................................10

§2.2.1 密码学基础.............................................................................................11

§2.2.2 密码系统与数字图像加密.....................................................................12

§2.3 数字图像加密技术分类................................................................................13

§2.3.1 基于置乱的数字图像加密技术.............................................................14

§2.3.2 基于现代密码体制的数字图像加密技术.............................................14

§2.3.3 基于混沌的数字图像加密技术.............................................................15

§2.3.4 基于变换域的数字图像加密技术.........................................................16

§2.4 本章小结........................................................................................................17

第三章基于混沌的数字图像加密和解密算法.......................................................18

§3.1 混沌与混沌系统............................................................................................18

§3.1.1 背景及发展历史.....................................................................................18

§3.1.2 特点及系统分类.....................................................................................19

§3.1.3 应用及存在问题.....................................................................................20

§3.2 Logistic 混沌映射 .......................................................................................... 21

§3.2.1 Logistic 混沌映射定义 ........................................................................... 21

§3.2.2 Logistic 混沌映射特性 ........................................................................... 22

§3.3 基于 Logistic 混沌映射的异或图像加密和解密算法 ................................ 24

§3.3.1 加密算法.................................................................................................24

§3.3.2 解密算法.................................................................................................27

§3.3.3 加密和解密性能分析.............................................................................29

§3.4 基于 Logistic 混沌映射的图像置乱加密和解密算法 ................................ 33

§3.4.1 加密算法.................................................................................................33

§3.4.2 解密算法.................................................................................................35

§3.4.3 加密和解密性能分析.............................................................................37

§3.5 本章小结........................................................................................................42

第四章基于小波变换域的数字图像加密和解密算法...........................................43

§4.1 小波与小波变换............................................................................................43

§4.1.1 背景及发展历史.....................................................................................43

§4.1.2 小波变换的定义及分类.........................................................................43

§4.1.3 小波变换的特点及应用.........................................................................46

§4.2 基于小波变换域的数字图像加密和解密算法............................................46

§4.2.1 图像的多分辨分解与重建.....................................................................47

§4.2.2 加密算法.................................................................................................51

§4.2.3 解密算法.................................................................................................53

§4.3 加密和解密性能分析....................................................................................55

§4.4 本章小结........................................................................................................61

第五章结论与展望...................................................................................................62

§5.1 结论................................................................................................................62

§5.2 展望................................................................................................................63

参考文献.....................................................................................................................64

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.........................................67

致谢.........................................................................................................................68

第一章绪论

§1.1 研究背景及意义

现代社会和科技的迅猛发展，促使各种信息量剧增，人类已经进入到一个超

信息化的时代。而现代信息大多是以文本、图像、视频等基本的媒体方式存在，

并通过互联网、移动存储设备等各种途径快速而有效地传输。在信息化透明度极

高的今天，个人通过一根网线就可以获得足够的信息量，从而可以很方便地搜集

到对自己有用的信息，这些信息大到一个国家，小到一个人。但大家在享受这种

便利的信息透明度的同时，也相对地带来一些相关重要信息的保密问题。在现实

中或者互联网中由于泄漏个人或组织相关信息导致一些负面影响的例子屡见不

鲜，这已经关系到每个人的自身，谁也不想失去自己应有的隐私权利，所以对庞

杂信息中特定信息的保密也就显得极为重要，这就涉及到大家常说的信息安全，

这也成为了一个世界性的现实问题。涉及到国家，信息安全关系到一个国家的国

防、政治、经济、军事、民族兴衰、战争胜负；而涉及到个人，信息安全关系到

个人的隐私、荣誉、人生安全、职业发展[1]。

现代通信技术、网络技术迅猛发展，人们已经习惯了利用各种多媒体技术进

行方便、快捷地通信，可以说这实现了世界各国各地人们交流的零距离。而数字

图像信息由于其极强的生动性和形象性，已逐渐成为人们获取信息的重要来源和

表达信息的重要手段。数字图像信息的传输、处理和存储技术越来越广泛地应用

于人们生活和工作的方方面面。然而有些情况下，网络上传输的图像数据是不能

够公开的，必须要求通信双方进行有效的保密才能进行安全地通信，例如军用卫

星拍摄的照片、军用设施图纸、新型武器图、金融机构建筑图纸、远程医疗系统

中的图像信息、医院中患者的病历（其中包括患者的图像）等，根据法律的相关

规定，必须经过加密后方可在网络上传输[2]。通过因特网传输图像信息不但方便

快捷、不受地域限制，而且省时省力、节约了开支、提高了传输效率。但由于某

些图像数据的特殊性，发送和接收双方都不希望网络上所传输的图像信息被未授

权者所浏览或处理，因为这些图像信息往往涉及到个人的隐私、单位的秘密和国

家的安全。因此，如何确保图像信息的安全传输已经为社会各界所广泛关注。随

着人们对互联网安全重视程度的加深，图像信息安全也就逐渐成为人们研究的重

要课题之一。

对于数字图像，尤其是互联网时代的数字图像，为了满足其保密性、完整性、

鉴别性和不可抵赖性这四方面的安全性需求[3]，人们提出了许多有效的保护措施，

数字图像加密技术研究

这些措施从总体上可以分为两大类：一类是以近年来发展起来的以数字水印技术

为代表的信息隐藏与伪装技术[4]。数字水印技术主要是通过在数字图像中嵌入相

关的水印信息，从而实现数字图像版权的有效保护。但这种技术并不能改变图像

的可见性，它可以用于知识产权的鉴定保护，却不适合某些特殊的通信场合，例

如军用卫星摄取图像的存储、远程医疗患者病历和娱乐产品的网络传输等。另一

类便是基于现代密码学思想的图像加密技术[5]。数字图像加密技术以早期经典加

密理论为基础，旨在隐藏图像的真实信息，使合法接收方通过预先约定的密钥和

解密方法从收到的加密信息中正确地解密出原始图像，但非法接收方即使在收到

加密信息后也无法从中获得原始图像的任何信息。由于图像作为一种直观的信息

表达方式，本身就具有很大的迷惑性，所以如果对数字图像进行一些“扰乱” 处

理，即对数字图像进行适当的加密操作，得到一幅杂乱无章、面目全非、类似随

机信道噪声的图像，窃取者虽然注意到这些图像信息，但如果他不知道相关的数

据加密技术（即使他知道相关的数据加密技术，但是他不能够破解密钥），那么这

些图像信息对他来说仍然是不可识别的（除非进行了有效地破译），这样就可以确

保图像数据的有效传输，从而在一定程度上提高了图像信息的安全性。因此，对

数字图像加密技术的研究可以有效地保护图像信息的安全，确保图像信息的有效

传输。

随着娱乐、教育、信息等产业的发展，人们对知识产权的重视度越来越高，

这使得人们对数字图像加密技术的重视程度也越来越高。数字图像加密技术已经

发展成为一门集数学、信息论、密码学、计算机视觉等为一体的多学科交叉的前

沿科学，逐渐成为多媒体信息安全的核心体系，它的应用前景也越来越广阔。

§1.2 国内外研究现状及发展趋势

尽管图像加密方法种类繁多，但归纳起来主要有三种：像素值替代法、像素

位置变换法以及二者的结合。像素值替代法是通过加密算法，在密钥的控制下改

变原图像的像素值进而达到图像加密的目的。这种方法可以逐点替代，也可以把

原图像分成几块，逐块进行替代操作。像素位置变换法则是在加密算法的基础上，

通过密钥的控制改变原图像中像素点的排列顺序从而达到图像加密的目的。二者

的组合方法是在加密过程中既有像素值替代，又有像素位置的变换。除了上述三

种主要加密方法外，还有秘密分割和秘密共享等图像加密技术。图像加密既可以

在空间域进行，又可以在变换域进行；既可以在未压缩前进行，又可以在压缩后

进行。

伴随着计算机技术与数字图像处理技术的飞速发展，人们对图像信息的保护

第一章绪论

意识也逐渐增强，这在一定程度上加快了图像加密技术的发展。早期的数字图像

加密技术主要以置乱加密技术、伪随机序列加密技术、SCAN 语言加密技术、密

钥加密技术、图像矢量量化（VQ）压缩编码技术及商业密码加密技术等为主。其

中数字图像置乱加密技术由于不会引起信息的冗余，尤其适合于对大幅图像的加

密，成为近年来研究较多的一种图像加密技术。数字图像置乱加密技术是以一维

单表密码为基础进行扩展而产生的，因而可以更进一步，将其应用到二维图像平

面，甚至三维图像色彩空间中。从图像的构成角度来说，这种方法打乱了图像的

组成顺序，从而破坏了图像的自相关性，使得在人眼识别范围内无法从中提取有

效信息。从算法安全性角度来考虑，即使借助于计算机，通过“穷举法”进行强

制攻击，也需要耗费大量的时间，从而增加了图像信息的安全性。目前，在应用

中涉及到的数字图像置乱加密技术有：幻方、Arnold 变换、Hilbert 曲线、广义

Gray 码变换等。然而，由于这些加密技术不是完全通过密钥来控制加密、加密算

法也不能公开，所以不符合现代密码体制的要求，总体来说保密性不高，在实际

应用中还须加以适当地改进，才能满足一定的安全性和实用性要求。

现在，许多大学和研究机构也逐渐展开了数字图像加密方面的研究，数字图

像加密的相关论文和报告相继出现在有关密码学和信息安全的国际会议和刊物

上。在几个研讨多媒体信息安全的国际会议中，最重要的莫过于美国 SPIE 学会

的电子成像讨论会议，这个会议的议程主要是“多媒体安全、信息隐藏、数字水

印” ，每年在美国的圣约瑟举行一次。Springer 的“多媒体系统”和 IEEE 的“信

号处理”等权威科学杂志也相应开辟了多媒体处理专栏。2004 年秋，美国 CRC

出版了国际上第一本全面讨论多媒体安全的著作《Multimedia Security

Handbook》。2005 年，第一个图像安全国际标准 JPEG2000 安全标准草案被确定。

中国也举行了多次的全国信息隐藏研讨会（CIHW），这是我国针对信息安全领域

中信息隐藏及数字水印技术的专业学术交流活动。这一切都表明国内外已经掀起

了数字图像加密技术的研究热潮。

由于数字图像本身的特点，采用传统的加密方法很难对数字图像进行有效的

加密。因此，除了基于现代密码学的图像加密技术以外，近年来，人们根据数字

图像的特点，针对不同文件格式、不同应用场合和不同安全性要求的数字图像，

研究了许多有效可行的数字图像加密方法，以满足各种不同层次的需求，主要表

现在以下几个方面：

1）基于混沌思想的图像加密技术。伴随着混沌动力学的发展，

人们逐渐认识到混沌系统是一个天然的密码系统，大量的科研人员投入到相关领

域的研究，这使得基于混沌的数字图像加密技术的研究很快成为了一个热点，研

究成果层出不穷；2）改进的基于密码学的数字图像加密技术。3）基于新的变换

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摘要：

摘要随着现代通信技术、多媒体技术和网络技术的快速发展，人类步入了一个数字化的时代。数字图像作为其中最主要的数字媒介之一，给人们的生活和工作带来了无穷的乐趣。但越来越多的图像外泄事件，也给人们的生活带来了困扰。图像信息的安全引起了人们的高度重视，所以数字图像加密作为一种有效的图像信息保护手段，受到了人们的广泛关注。本文依据混沌系统对其初始值敏感的特性，提出并改进了基于混沌的图像异或加密算法，并结合多幅图像的加密和解密实验仿真效果，从原始图像的加密效果、加密图像的解密效果、加密方案的安全性三个方面，对该算法的加密和解密性能进行了多角度的对比分析。实验结果表明，该算法加密和解密效果理想，安全性高。本...

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