基于移动终端数字图像加密问题的研究动态综述

卢晟华

摘 要 本文依据相关理论研究成果，对移动终端图像数据的加密进行梳理分析，在此基础上设计实现一款移动终端企业级即时通信系统。以确保其在移动终端即时通信系统传输过程中的安全。本文提出一種适用于移动终端的图像加密算法。算法以置乱-扩散为架构，使用离散斜帐篷映射迭代生成算法中使用的密钥流、置乱和扩散分别采用简单线性映射和异或运算实现。

关键词 数字图像 移动终端 加密技术 信息通信

中图分类号：TP309.7 文献标识码：A

0引言

伴随着移动网络和智能移动终端的快速发展，人们在移动终端使用图像的频率越来越高，例如在朋友圈、微博中分享心情、美食时，通常会在文字后面添加一些图像，让好友们能更为形象的了解分享的内容。类似图像分享这样的应用场景，旨在分享图像内容，对安全性的要求自然不高。相关学者提出的图像加密算法专一针对移动终端设计，算法基于“置乱-扩散”架构，采用离散斜帐篷映射产生算法中使用的密钥流。其中，密钥流通过迭代方式生成；置乱算法为一个简单的线性映射，方便代码实现且速度性能高；扩散通过异或运算实现。这些设计保障了加密算法能在移动终端快速、高效的完成图像加密任务。最后，在PC端和移动终端对算法做了实现，并对算法各方面性能进行了分析，实验结果表明，该算法能胜任移动终端图像加密任务。

1基于混沌系统的数字图像加密研究现状

在目前的算法中，混沌系统因其具有诸多适用于多媒体加密的特性，所以，基于混沌系统的加密方法被认为是多媒体加密中最具潜力的研究方向之一。基于“置乱-扩散”的混沌系统加密框架，学者们便将此加密框架应用于各种图像加密算法中去。这些方案结合混沌系统产生的密钥流对图像中的像素进行置乱操作，从而破坏掉像素间的高相关性。常用的混沌映射有标准映射、猫映射、面包师映射等。

2数字图像加密理论研究动态综述

2.1数字图像特点

如今常用的拍照设备，如手机、照相机等，其像素值一般在500万以上，每个像素在计算机中用8位二进制来表示，如果不对图像进行压缩处理，那么一张灰度图片要占据大概5M的存储空间，如果是彩色图像则要占用更大的储存空间。图像像素间相关性高。由于图像是对某个景象的一个映像，除了图像中的边缘部分和纹理部分外，每一个像素的周边像素都和该像素所呈现的内容大概一致，从而它们具有一定的相关性，而这种相关比率一般在95%以上。图像像素容许在一定程度上被修改。图像像素间的高相关性造成图像像素的冗余性也较高，而人的视觉系统由于其自身特点对某些颜色和亮度并不敏感。所以，可以在保证视觉效果的前提下，对图像像素做一些修改。例如压缩图像时像素的丢失、图像缩放或者旋转时造成的像素的增加或减少等。图像像素值表达范围有限。目前，作为使用最为广泛的颜色系统之一，RGB色彩模式通过三个颜色通道的改变及其相互叠加来取得各种颜色，几乎囊括了人类视觉系统能够感知到的所有颜色。

2.2数字图像加密主要研究方向

传统的加密算法主要针对文本或二进制流，应用到图像数据中时，没有考虑到以上描述的图像特点。如果按照顺序依次加密，则图像像素间的相关性没有被破坏掉，而且明文和密文的统计特性一致，容易造成算法被破解。传统加密算法应用于图像时效果的不理想，催生了图像加密技术的诞生。针对图像的加密算法考虑到图像自身特点以及人眼的视觉特性，降低了像素间的相关性，减少了算法计算量，提高了图像安全性。针对图像加密，国内外的学者们进行了深入的研究，提出了一系列图像加密算法。按照算法中使用方法的不同，大致可以归结为以下几个方向：研究发现单一用AES加密算法加密图像之后，明文和密文一一对应，图像的熵值和直方图没有变化，从而致使算法易被攻破。随后他们对AES做了改进，在算法中引入密钥流产生器，一次加密过程使用多个密钥，这样密文空间变大了，从而图像的熵值也变大，图像的直方图特征也被隐藏。实验结果表明，改进算法的加密效果良好。在其文章综述中对许多改进AES的加密算法做了介绍，他们或使用AES对图像做选择性加密、或者在频域上进行AES加密，都取得了理想的加密效果。

2.3基于混沌系统的加密算法

混沌系统一般指对初值极度敏感的系统，具有确定性系统中的内在随机性、对初值高度敏感性、长期不可预测性、吸引子周期轨道稠密性等特性。在密码学、信息隐藏等领域，常常用到混沌系统的确定性系统内在随机性和对初值的高度敏感性两个特性。

对初值的高度敏感性是指随着时间的推进，最初任意接近的初始条件也会呈现各自独立的演化过程；确定性系统内在随机性是指，混沌的定常状态是始终局限于有限区域的、轨道不重复的、形式复杂的运动。混沌的不可预测性和对初值的敏感性造成了其内在随机性，同时，也说明混沌系统是局部不稳定的。混沌系统的上述特点使其在加密算法中被广泛使用。混沌系统一般分为离散混沌系统和连续混沌系统两类。离散混沌系统使用差分方程表示，连续混沌系统使用微分方程表示。离散混沌映射具有迭代速度快和结构简单等优点，常用于加密算法中。本文提出的加密算法中的置乱操作和扩散操作使用的密钥是由一种改进的帐篷映射，离散斜帐篷映射产生的。基于变换域的加密算法通常采用离散余弦变换和小波变换等方法，得到图像相应的变换域，通过对变换域系数的修改进而改变图像的像素值，相应逆变换之后便得到加密图像。这类算法通常选择对人类视觉系统影响较大的系数进行修改，效果明显且计算量小。但是各种变换方法的使用也会影响到算法的效率。这类算法的发展方向之一是和压缩编码结合，进一步减少加密的计算量和存储量。

参考文献

[1] 彭国军，邵玉如，王泰格.基于Android的手机隐私保护技术及实现[J].信息网络安全，2012（04）.