与图像压缩编码相结合的图像加密研究

摘要

自从互联网进入每一个家庭,它彻底地改变了人类生产和生活的方式,在线视频、图像、声音等多媒体大大丰富了人机交互的方式。许多领域如娱乐、商业、金融、新闻、体育、军事都需要用到数字图像,而这些图像的安全性关系到商业机密、敏感信息、军事机密等等,因此图像信息需要被安全地存储和传输。图像是一种特殊的数据结构,它拥有自己独特的语法格式特点,图像的数据量相较于普通的文本字符信息也更为庞大,存在较多的冗余信息。利用传统的加密算法直接对图像进行加密会造成加密速度慢、加密效率低下的问题,无法满足互联网实时传输的要求,因此需要针对图像数据的特点进行加密算法的设计。目前有两种主流的图像加密方式:选择加密和结合压缩编码的加密。混沌系统由于其出色的初值敏感性,非常符合密码算法的要求,因此目前对于混沌密码学的研究日益增多,并且针对混沌加密算法的安全性分析也是热点研究对象。因此,在此基础上对图像加密继续开展研究是非常必要的。
　　在现有图像加密方法的基础上,本文将结合目前应用最广泛的图像压缩编码标准——JPEG标准提出彩色图像加密算法,主要工作如下:
　　○1对图像压缩编码的相关理论基础进行了系统的研究,主要包括信息论基础、压缩编码过程以及常用的压缩编码方法。然后重点研究了联合图像专家组静止图像压缩编码(JPEG),并对编码算法步骤进行了整理和介绍。
　　○2对混沌理论以及图像加密基础的相关研究成果进行了研究整理,总结分析了图像加密技术研究现状,并介绍了图像加密算法的攻击手段和评价方法。然后对混沌理论在图像加密中的应用进行了整理和介绍。
　　○3提出了一种 JPEG彩色图像自适应加密算法。将图像自适应加密算法和频域选择加密思想引入其中,首先提一部分取DCT系数进行自适应加密,然后再加密DC系数符号。实验证明该算法具有良好的加密效果和安全性。
　　○4提出了一种结合 JPEG压缩编码的彩色图像加密算法。综合选择加密和在编码过程中加密两种思路,提出了一种空域和频域结合的加密算法。首先在空域对分块进行扩散置乱,然后利用边缘检测手段找出包含细节信息较多的重要分块,先加密所有分块中的DC系数,再选择重要分块中的一部分AC系数进行加密,最后将分块重要性标记信息嵌入AC系数中进行传输。通过理论分析和大量实验证明,算法格式兼容,密文图像视觉效果好、色彩分布均匀,算法密钥空间大,密钥敏感性强,安全性良好。
　　文章的末尾对全文的主要工作进行了总结和展望,并且指出了工作中一些不足之处,同时表明了今后进一步研究的方向。