圖像文件加密方法之隨機(jī)區(qū)域移位和隨機(jī)像素映射加密.doc

圖像文件加密方法之隨機(jī)區(qū)域移位和隨機(jī)像素映射加密隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展和對(duì)大量圖像信息傳輸需求的日益增加，圖像文件加密技術(shù)已變得越來越重要，為此，我們提出了一種基于隨機(jī)區(qū)域移位和隨機(jī)像素映射的圖像文件加密方法，該方法首先對(duì)待加密圖像進(jìn)行分割，然后將分割出來的圖像單元順序隨機(jī)打亂，擾亂了圖像的原始信息；然后再對(duì)每個(gè)圖像單元進(jìn)行像素映射擾亂，切斷了各個(gè)單元像素值之間的聯(lián)系。該方法結(jié)合了區(qū)域移位算法和像素映射算法的優(yōu)點(diǎn)，自由度大，文件加密效果好對(duì)二值圖像和灰度圖像加密都取得了很好的效果。一、基于隨機(jī)區(qū)域移位和隨機(jī)像素映射的圖像加密算法1、 像素映射法像素映射法是一種簡單的圖像文件加密方法，對(duì)于一幅灰度圖它首先建立從原灰度值到新灰度值的映射表，然后把圖像中所有原灰度替換成在映射表中該灰度對(duì)應(yīng)的新灰度，打亂圖像中原來的像素分布，從而達(dá)到加密圖像文件的目的；而在解密時(shí)只要依照映射表用舊灰度替代加密后圖像中的新灰度，就可以還原出原來的圖像，完成解密，從原灰度值到新灰度值的映射函數(shù)可以表示如下，假設(shè)Gold表示原圖中某一灰度，Gnew表示新灰度，構(gòu)造一個(gè)函數(shù)f（），使：建立了映射函數(shù)后，用新灰度去取代對(duì)應(yīng)的舊灰度，實(shí)現(xiàn)對(duì)原圖像文件加密。該函數(shù)可以任意選取，選取的函數(shù)不同，加密的效果就會(huì)不同，所以為了達(dá)到加密圖像文件的目的，需選用合適的映射函數(shù)。本文所采用的映射函數(shù)是隨機(jī)產(chǎn)生的，就是用隨機(jī)像素映射法來加密圖像文件。隨機(jī)像素映射法是將256個(gè)灰度值隨機(jī)排列產(chǎn)生新的灰度值，在這里用到rand()函數(shù)，該函數(shù)能產(chǎn)生一個(gè)值在0到1的隨機(jī)數(shù)；把函數(shù)y= fix(rand(x).255）的值作為新灰度值，當(dāng)每一次產(chǎn)生新灰度值的時(shí)候，要和之前產(chǎn)生的所有新灰度值進(jìn)行比較，如果當(dāng)前灰度值已經(jīng)出現(xiàn)過了，那么該新灰度值不人選，重新產(chǎn)生新灰度值，直到產(chǎn)生的新灰度值包含256個(gè)灰度值為止，這樣就產(chǎn)生了隨機(jī)排列的256個(gè)灰度值，與它們對(duì)應(yīng)的位置序號(hào)一起構(gòu)成隨機(jī)像素映射表。圖1(b)是用隨機(jī)像素映射法來加密圖1(a)的效果，加密后圖像已經(jīng)失去了表示原事物的能力；圖1(c)是用錯(cuò)誤的映射表來解密的圖像，從結(jié)果來看，用錯(cuò)誤的映射表來解密得不到原圖像的信息。然而隨機(jī)映射法有著很大的缺陷，如果對(duì)一個(gè)二值圖進(jìn)行加密，那么它就無能為力了，圖2(b)是用隨機(jī)像素映射法來加密字符二值圖圖2(a)的效果，由于原圖像的對(duì)比度很強(qiáng)，灰度等級(jí)二級(jí)（即只有二個(gè)灰度值）的性質(zhì)從而導(dǎo)致了加密后圖像的對(duì)比度仍然很大（仍然是兩個(gè)灰度值），原圖的信息依稀可見，從而違背了圖像文件加密的原則。2、區(qū)域移位法區(qū)域移位法是一種基本的加密算法，它是先把待加密的圖像分割成NN個(gè)單元塊，然后對(duì)分割后的單元塊進(jìn)行移位，形成加密圖像，其中涉及到一張移位表用來放單元塊移位的信息，解密時(shí)仍將圖像分割成NN個(gè)單元塊，根據(jù)移位表還原回去，得到原圖像。圖3是區(qū)域移位法的示意圖，假設(shè)將原圖像分割成4個(gè)單元塊如(a)，按照移位表(e)將單元塊進(jìn)行移位(見(b)得到加密的圖像；解密時(shí)仍將圖像分割成4個(gè)單元塊如圖(c)，括號(hào)中是原圖像單元塊序號(hào)，通過移位表將單元塊移位，得到解密的圖像(d)，由括號(hào)中的序號(hào)可知，圖像已經(jīng)恢復(fù)成原圖像。對(duì)于區(qū)域移位表的選擇可以是任意的，但一定要起到圖像文件加密的效果，本文的移位表仍是用前面所論述的產(chǎn)生隨機(jī)像素映射表的原理得到，即為隨機(jī)區(qū)域移位法的圖像文件加密，圖4是用隨機(jī)區(qū)域移位加密圖像圖1(a)的效果，圖4(a)將原圖像分割成44個(gè)單元塊進(jìn)行區(qū)域移位加密；圖4(b)將原圖分解成84個(gè)單元塊進(jìn)行圖像文件加密。作為一種基本加密技術(shù)的隨機(jī)區(qū)域移位法，若將原圖像分成44單元塊，則有16！加密方式，其中有一部分是起不到加密效果的，因?yàn)榧用苄Ч缓?，容易被非授?quán)者破解，這勢必要增加分割單元塊數(shù)，通過這個(gè)方法雖然能使圖像保密性增強(qiáng)，但同時(shí)也會(huì)增加計(jì)算量，導(dǎo)致加密速度的降低（特別對(duì)于視頻信號(hào)）；另外隨著高性能計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，只要利用現(xiàn)有的各種解密算法對(duì)被截獲信息進(jìn)行窮舉運(yùn)算，則很有可能破解出原圖像，所以要尋找其它加密方法，該方法一方面運(yùn)算量不是很大，另一方面又要有很好的保密性。二、基于隨機(jī)區(qū)域移位和隨機(jī)像素映射的圖像文件加密方法基于隨機(jī)區(qū)域移位和隨機(jī)像素映射的圖像文件加密法結(jié)合了像素映射法和區(qū)域移位法這兩種方法，該法充分發(fā)揮了兩種方法的各自文件加密優(yōu)點(diǎn)，在運(yùn)算量不大的同時(shí)提高了圖像的保密性。該方法首先用隨機(jī)區(qū)域移位法對(duì)待加密的圖像文件進(jìn)行加密，初步置亂圖像區(qū)域位置，然后對(duì)每一個(gè)分割單元塊進(jìn)行隨機(jī)映射法加密，使像素信息再一次置亂，最后得到的圖像就是文件加密后的圖像。下面來討論該圖像文件加密法的保密性程度，如果把圖像仍分成44個(gè)單元塊，則共有16!種區(qū)域移位方式；然后用像素映射法對(duì)每一個(gè)單元塊進(jìn)行加密，則共有256！種映射關(guān)系，由于每一個(gè)單元塊都對(duì)應(yīng)一個(gè)映射表，且每個(gè)單元塊的映射表都是獨(dú)立的，所以44個(gè)單元塊就有(256 !)16種加密方式，那么總共有(2561)1616!種加密方式，由此可見該方法比單一的隨機(jī)區(qū)域移位法具有更好的保密性能，不僅運(yùn)算量不大而且圖像保密性更好，自由度更大。由于移位表和映射表都是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，授權(quán)者只要知道了鑰匙”，就可以依照“鑰匙”還原出原圖像。而非授權(quán)者在沒有得到“鑰匙”的條件下，試圖得到原圖信息是非常困難的。傳輸“鑰匙時(shí)，可以將移位表和映射表組成一張表傳輸，并且可以制定“規(guī)則”來隱藏表的信息，這樣就更能提高圖像的安全性?；陔S機(jī)區(qū)域移位和隨機(jī)像素映射的圖像加密法不僅具有很強(qiáng)的保密性，同時(shí)還克服了隨機(jī)映射法對(duì)二值圖加密無效的缺陷（見圖2和圖6），這也說明該加密方法具有很好的通用性。三、計(jì)算機(jī)仿真本文在Matlab7.O軟件平臺(tái)上對(duì)以上提到的基于隨機(jī)區(qū)域移位和隨機(jī)像素映射的圖像文件加密法進(jìn)行了仿真。圖5展示用基于隨機(jī)區(qū)域移位和隨機(jī)像素映射法加密圖像(圖1(a)的效果，圖5(a)是將原圖分成了44個(gè)單元塊進(jìn)行區(qū)域移位，圖5(b)是對(duì)移位后的圖像中每一個(gè)單元塊進(jìn)行隨機(jī)像素映射法置亂像素，得到最后的加密圖像；圖5(c)和圖5(d)是將原圖分成88個(gè)單元進(jìn)行圖像文件加密，圖6用基于隨機(jī)區(qū)域移位和隨機(jī)像素映射法對(duì)二值圖進(jìn)行加密，圖6(b)是將圖分割成了44個(gè)單元塊進(jìn)行區(qū)域移位，在加密圖中