數(shù)字圖像加密技術(shù)及其安全性分析

劉為超

（洛陽師范學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院，河南 洛陽471934）

在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代中，數(shù)字圖像已經(jīng)成為信息傳遞的主要表現(xiàn)形式之一，普遍的存在于人們的日常生活中，甚至在國(guó)家機(jī)密中也發(fā)揮了很大的作用。因此，對(duì)其進(jìn)行加密是時(shí)代發(fā)展的必然需求，不僅是為了保護(hù)個(gè)人信息不被泄露，更是為了維護(hù)國(guó)家的安全。而對(duì)數(shù)字圖像信息進(jìn)行加密是網(wǎng)絡(luò)時(shí)代維護(hù)個(gè)人和國(guó)家信息安全的重要手段，同時(shí)也是信息隱藏技術(shù)未來的發(fā)展方向之一。

1 數(shù)字圖像加密技術(shù)

1.1 數(shù)字圖像加密技術(shù)的發(fā)展歷程

數(shù)字圖像加密技術(shù)是由早期密碼學(xué)理論經(jīng)過發(fā)展形成的。在當(dāng)今社會(huì)中，密碼一詞并不陌生，人們的銀行卡、各個(gè)軟件、登錄網(wǎng)站都會(huì)涉及，可以說是在人們生活中普遍存在。密碼就是將可懂的明文轉(zhuǎn)換成不可懂明文?，F(xiàn)如今，密碼已經(jīng)發(fā)展成為一門學(xué)科，是一種尖端技術(shù)科學(xué)。而密碼學(xué)的發(fā)展就是在編碼和破譯之間不斷實(shí)踐的過程。當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，使得密碼學(xué)與數(shù)學(xué)、語言學(xué)、聲學(xué)、電子學(xué)等眾多學(xué)科緊密相連。在數(shù)字圖像加密技術(shù)的發(fā)展中，文字和數(shù)碼的加密和解密為其提供了理論依據(jù)。在經(jīng)典密碼學(xué)中，二進(jìn)制流是其常見類型，而數(shù)字圖像的效果卻未引起過高的高度。由于數(shù)字圖像具有數(shù)據(jù)量大、實(shí)時(shí)性高的特點(diǎn)，與經(jīng)典密碼的加密方法不是很匹配。而計(jì)算機(jī)圖形學(xué)對(duì)圖像安全性的重視度不高，基于這樣的環(huán)境背景，數(shù)字圖像加密技術(shù)引起了學(xué)者的高度重視。

1.2 數(shù)字圖像加密技術(shù)的現(xiàn)狀

隨著數(shù)字圖像的應(yīng)用越來越廣泛，受重視程度也越來越高，在世界上也掀起了數(shù)字圖像加密技術(shù)的研究熱潮?，F(xiàn)如今，國(guó)內(nèi)外的研究機(jī)構(gòu)、公司和大學(xué)已經(jīng)先后開始對(duì)其進(jìn)行深入的研究，在信息安全和密碼學(xué)的相關(guān)期刊上都可以看到關(guān)于數(shù)字圖像加密技術(shù)的論文和報(bào)告。現(xiàn)階段，我們所使用的數(shù)字圖像加密算法都是應(yīng)用現(xiàn)代密碼體制對(duì)數(shù)字圖像文件直接加密，在安全性上現(xiàn)代密碼體制可以為其提供保障，因此人們對(duì)數(shù)字圖像加密技術(shù)的安全性和保密性還是比較滿意的。而在密碼學(xué)設(shè)計(jì)中，高度強(qiáng)調(diào)非線性變換的引入，如混沌等非線性科學(xué)的引入將極大的推動(dòng)密碼學(xué)的發(fā)展，但是兩者之間的完美結(jié)合還需要相當(dāng)一段時(shí)間才能夠?qū)崿F(xiàn)。現(xiàn)如今，生物特征識(shí)別理論和技術(shù)的發(fā)展是我們有目共睹的，因此數(shù)字圖像加密技術(shù)也將會(huì)有更好的發(fā)展。

2 我國(guó)數(shù)字圖像加密技術(shù)的應(yīng)用

現(xiàn)如今，數(shù)字圖像處理技術(shù)無論是在研究上還是在應(yīng)用上都得到了很好的發(fā)展，在加上網(wǎng)路技術(shù)的快速普及，為數(shù)字圖像加密技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了有力的條件。人們?cè)谌粘５纳詈凸ぷ髦?，可以直接?duì)數(shù)字圖像進(jìn)行保密傳輸、數(shù)字圖紙安全傳輸、自動(dòng)化辦公系統(tǒng)的圖像傳輸。數(shù)字圖像加密技術(shù)在軍事方面也得到了廣泛的應(yīng)用，例如：新型武器圖、軍事資料、軍事設(shè)計(jì)圖紙數(shù)字圖像的傳輸，都需要進(jìn)行加密以保障傳輸過程中的安全性和保密性。但是當(dāng)今時(shí)代對(duì)數(shù)字圖像加密技術(shù)的研究更多的是關(guān)注其在加密后的隱藏應(yīng)用上，例如我們將對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行先加密，隨后再將加密后的數(shù)據(jù)信息隱藏在一些載體中，這樣當(dāng)加密后的數(shù)據(jù)通過不安全網(wǎng)絡(luò)時(shí)也不會(huì)被破壞或是破譯，這樣可以使數(shù)據(jù)圖像的安全和保密得到進(jìn)一步的保障。因此，加密后的圖像再隱藏可以使數(shù)字圖像加密技術(shù)擁有更好的發(fā)展前景。

3 數(shù)字圖像加密技術(shù)安全性

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的和互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，衍生出了數(shù)字圖像信息安全的問題。在數(shù)字圖像加密技術(shù)的發(fā)展過程中，由于克服了存儲(chǔ)方面的困難已經(jīng)迅速發(fā)展成為信息表達(dá)方式的主要表現(xiàn)形式。然后，數(shù)據(jù)圖像信息安全性問題也一度成為國(guó)際熱議的課題。通過對(duì)數(shù)字圖像加密技術(shù)的安全性進(jìn)行研究，主要體現(xiàn)在數(shù)字圖像信息安全隱藏和偽裝的研究上，進(jìn)行如下的分析：

3.1 數(shù)字圖像置亂

數(shù)字圖像置亂分為空間域置亂和頻域置亂兩種，是指置換數(shù)字圖像的空間域或?qū)?shù)字圖像的變換域參數(shù)進(jìn)行修改，以獲取令完全看不懂的雜亂圖像作為傳輸數(shù)字圖像的表象，用來掩蓋真實(shí)的數(shù)字圖像信息，進(jìn)而對(duì)真實(shí)的數(shù)字圖像信息進(jìn)行保護(hù)，提高其在傳輸過程中的安全性。現(xiàn)如今，隨著研究學(xué)者不斷對(duì)其進(jìn)行深入的研究，相繼提出了數(shù)字圖像變換的新算法，例如：arnold 變換、FASS 曲線、幻方變換、生命模型、混沌置亂等。這些數(shù)字圖像的新算法已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到數(shù)字圖像信息安全處理中，也被是在數(shù)字圖像的預(yù)處理和后處理中，可以很好的掩蓋真實(shí)的數(shù)字圖像信息，最大可能為數(shù)字圖像信息的安全提供保障。

3.2 數(shù)字圖像信息隱藏

提到數(shù)字圖像信息隱藏相信大家對(duì)其并不陌生，在經(jīng)典密碼學(xué)中就存在信息隱藏，而數(shù)字圖像信息隱藏于其非常類似。其原理都是將公開的圖像作為載體，在其中一些視覺不敏感的圖像像素中嵌入一些需要隱藏的信息。即先將數(shù)字圖像信息進(jìn)行保密，然后再將經(jīng)過保密處理的數(shù)字圖像信息隱藏其他圖像中，往往都會(huì)選擇公開的圖像中。這主要是因?yàn)楣_的圖像因其自身具有的迷惑性或是對(duì)方放松警惕，因此不易被察覺，可以有效的降低對(duì)方的注意力，反倒可以減少數(shù)字圖像信息遭受攻擊和破譯的機(jī)會(huì)，因此數(shù)字圖像信息隱藏也可以在一定程度上保護(hù)數(shù)字圖像加密的安全性。

3.3 數(shù)字圖像水印技術(shù)

數(shù)字圖像水印技術(shù)簡(jiǎn)稱為數(shù)字水印，這是一種可以按照某種方式將著作權(quán)人身份的信息植入到出版物中的技術(shù)，分為魯棒性的認(rèn)證水印和脆弱性的認(rèn)證水印技術(shù)。因此數(shù)字圖像水印技術(shù)在圖書、期刊、論文的發(fā)表中甚至國(guó)防軍事通信中被廣泛的應(yīng)用，可以有效的解決版權(quán)糾紛問題。當(dāng)發(fā)生版權(quán)糾紛事件時(shí)，為了維護(hù)著作權(quán)人的權(quán)力，可以采用數(shù)字圖像水印技術(shù)對(duì)出版物中的身份信息按照相應(yīng)的算法進(jìn)行提取，提取之后就會(huì)將之前植入數(shù)字水印信息顯示出來，這樣就可以對(duì)從版權(quán)的歸屬問題進(jìn)行驗(yàn)證，以維護(hù)出版物著作權(quán)人的合法利益，避免出現(xiàn)非法盜版問題。

3.4 數(shù)字圖像分存

數(shù)字圖像分存是在數(shù)字圖像信息隱藏的基礎(chǔ)上再對(duì)數(shù)字圖像信息進(jìn)行分散的技術(shù)，因此這一技術(shù)不僅可以對(duì)數(shù)字圖像信息進(jìn)行保密和隱藏，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)保密的數(shù)字圖像進(jìn)行分散存儲(chǔ)的目的。這樣的數(shù)據(jù)圖像加密技術(shù)具有較高的安全性，因?yàn)橥暾臄?shù)據(jù)信息被分散存儲(chǔ)，即使攻擊者找到其中一部分或者幾部分也無法獲取完整的加密數(shù)字圖像信息。這種加密方法與上述的方法相比，可以說是為攻擊者設(shè)計(jì)雙重障礙，在尋找分散的數(shù)據(jù)信時(shí)就會(huì)耗費(fèi)攻擊者大量的時(shí)間和精力，即使全部找到也還需要繼續(xù)花費(fèi)時(shí)間和精力對(duì)其進(jìn)行破譯。這樣看來，數(shù)字圖像分存時(shí)對(duì)數(shù)字圖像信息設(shè)置雙重保險(xiǎn)，不僅提高了攻擊者的難度還可以數(shù)據(jù)圖像信息擁有者之間互相牽制，最大限度的保障了信息的保密性和安全性。

綜上所述，網(wǎng)絡(luò)時(shí)代加速了信息技術(shù)的普及，但同時(shí)使信息安全問題越來越嚴(yán)峻。數(shù)字圖像加密技術(shù)是一項(xiàng)正在發(fā)展的新技術(shù)，雖然現(xiàn)階段的人們對(duì)其的研究取得了一定的成果，但是該項(xiàng)技術(shù)還需要人們對(duì)其進(jìn)行深入的探索和創(chuàng)新，相信在不久的未來，數(shù)字圖像信息加密技術(shù)會(huì)在更多的領(lǐng)域發(fā)揮更重要的作用。