基于混沌的数字图像水印算法研究

王剑 李磊

摘要：混沌加密算法通信是一个应用广泛、较为完整的加解密通信系统，对其进行研究具有一定的实际意义。本研究从多角度研究混沌加密算法的特性，在此基础上优化设计了非对称混沌加密算法，这种算法可以较好地和数字图像水印技术相结合，具有很多优良的特性。

关键词：混沌；加密算法；数字图像水印技术

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）32-0040-02

1 混沌加密算法通信

混沌加密算法通信是一个现代化信息加密解密的体系，其包括多种加密解密方式。混沌加密算法通信的具体实现步骤为：信息发送方通过密算法混沌通信系统对所要发送的信息进行混沌加密，加密后的信息会和秘钥信息一起混合成混合类噪声信号。而后，加密方再通过信道传输将加密后的信号传递给解密方，解密方则会根据对应的混沌通信系统对密文进行解密，将密文转换为原信息。

一般而言，混沌加密算法都会采用对称密码体系，对称密码体系指的是加密方和解密方使用同一套秘钥。但是对称混沌加密方法存在着一定的安全问题，其可能会产生秘钥泄漏等问题，从而造成加密方的加密内容被无关第三方破解。针对这种现象，本研究采用了非对称混沌加密算法，这是对传统的对称加密算法的改进。改进后的加密算法可以对接收方的身份信息进行验证，而这也就能够进一步地提高整个加解密算法的安全性。

2 研究内容、方法及路线

以下从研究内容、研究方法以及研究路线对本研究混沌加密算法做出说明。

1）研究内容

本混沌加密算法可以对多种不同类型的数据信息进行加解密处理，包括：语音图片、视频等多媒体数字信息。研究实现了三个功能：第一，对多媒体数字信息进行数字化分析。通过数字化分析，混沌加密算法可以通过混蛋信号宽频特性实现对不同类型信息的加密以及隐藏。第二，对多媒体数字信息进行加密以及隐藏，实现源信息的混沌化。第三，对加密后的混沌信息解密，将其转换为原信息以及类型。

2）研究方法

为了进一步提升研究的准确性以及加密算法的实用性，本研究结合了多种科学的研究方法，以下对此做出展开说明。

文献查找法。研究查找了大量的国内外相关文献，对文献中的内容进行了综合分析，得到了可以使用的理论结论。在此基础上，研究合理地将这些理论结论应用在加密算法的开发研究以及验证上。

实验分析法。在得到加解密算法的基础上，对加解密的性能、密文破解的难度、加解密的时间效能等做出了大量的实验分析，在此基础上得到了混沌加密算法的综合性能情况。

比较分析法。研究对多种混沌加密算法做出了对比分析，分析了其时间性能、空间性能、功效性能等等。在对比分析的基础上，研究对混沌加密算法进行了进一步的优化。

3）研究路线

本研究分成了几个不同的阶段，分别为：研究目标确定阶段、研究内容确定阶段、研究方法生成阶段、研究进行阶段、研究成果分析阶段、研究总结阶段。通过系统性的研究，研究的准确性、系统性均得到了较大的提升。

3 研究的意义及特色

对混沌加密算法进行研究分析具有重要的意义，这种意义主要体现在这样几个方面：

第一，时代对信息安全保障的需求。随着计算机技术、软硬件技术以及相关技术的进一步发展，计算机及其相关应用在当前时代有了越来越广泛的应用。现代社会对加解密算法有了更大的需求，这是因为：网络安全已经成了当前时代的一大问题。在当前时代，人们在利用大量数据的时代也产生了大量的数据。而这些数据极有可能被不法的商家或者恶意黑客利用。通过盗取个人或者网络中信息，个人、机构、甚至国家的利益都可能受到威胁，这给经济发展、国家发展都带来了极大的影响。在这种情况下，大力地发展优化混沌加密算法能够为数字信息提供较好的保障。

第二，对促进中国信息安全的发展具有重要的意义。由于历史等一系列原因，我国在计算机及其相关技术上的发展是较晚的。在这种情况下，大力发展中国信息安全技术对促进国家的信息化发展具有不容小觑的意义。而对混沌加密算法进行研究的意义在于：提升国民或者企业对信息安全的重视，提升我国信息安全人员对加解密理论基础的重视，加强电力、政府、金融、电信等行业对自身的信息安全基础的建设，给出可供使用的研究方法及路線、促进其他研究团队的科学研究。

第三，在发展及完善广义同步理论的基础上提出性能好、体系完整的混沌加密算法体系。研究出来的体系具有安全性强、抗干扰性强、性能高、速度高、不易失真等优良特点，其能够被广泛地应用在实际的生活中。

4 混沌加密算法的特性

“混沌”一词起源于对物质排列及相关运动的描述，其表示混沌运动中的物质处于一种无序的状态。而通常情况下，这种无序开始于一种有序的状态，通过一系列的变化运行才变成了随机无序态。而在信息安全中的“混沌态”表示既确定又类似于随机状态的一种状态，这种状态对其初始态具有敏感的依赖性，它既非周期又不收敛。

数字图像水印是信息时代下的一种发展产物，其起到了版权保护、跟踪侵权行为的一种有效方法。由于数字水印在当前时代具有广泛的应用，因此数字水印技术已经逐渐成为了信息隐藏技术的一大重要分支，其起到了对信息的版权保护作用。数字水印技术具有的特点有：第一，难清除和难破坏。所谓难清除和难破坏指的是：第三方在不被允许的状态下使用图像信息难以消除和破坏图像的水印。第二，透明性。透明性指的是：加密方仅将可见信息给第三方或者其他人，而不可见信息对第三方或者其他人是不可见的。第三，鲁棒性。鲁棒性指的是数字图像水印算法的强壮性和稳定性，这对提升数字图像的加密效率、加密准确性具有重要意义。第四，可恢复性。可恢复性指的是：图像信息在网络系统或其他系统中经过一系列的变换还能够被还原为初始状态、还原初始隐藏信息。

数字图像水印技术能够和混沌加密算法较好地结合。通过大量的文献分析以及实际的案例研究，研究发现：将混沌加密算法应用在数字图像水印技术中能够较好地提升数字图像水印技术的处理效率。这是因为：第一，混沌加密算法的实现较简单、迅速。随着计算机学以及密码学的不断发展，现代网络安全中的混沌加密算法已经相对完善了。混沌加密算法的完善可以体现在其具有较好的理论基础和案例基础这两个方面。正是如此，现代加密技术对混沌加密算法的研究已经较为深入了，利用混沌加密算法实现图像的加密具有高速、高效的特点，其能够满足大规模图像信息快速加密的需求。第二，混沌加密算法具有较好的抗剪切性。数字图像水印技术要求具有难清除和难破坏性，混沌加密算法所具有的抗剪切性刚好为数字图像水印技术的抗剪切提供了保障。第三，混沌加密算法适合对图像的处理。混沌加密算法不仅加强了图像信息的安全性，其还具有高效JPEG压缩、高不可见性、对初始条件敏感等特性。这些特性可以和混沌加密算法进行较好地结合，从而能够较好地增强混沌加密算法的性能。

5 混沌加密算法的实现

在上文的分析中，笔者介绍了混沌加密算法具有很多优良的特性，这些优良的特性让混沌加密算法能够和数字图像水印技术相结合，其具有与较强的使用性。以下从逻辑、技术两个层次简要交待基于混沌加密算法的实现。

1）选择合适的混沌序列

置换能够导致信息的混沌。而影响置换质量的关键是混沌序列的选择。因此，研究研发了很多合适的混沌序列，对混沌序列使用后的数据混沌性做出了分析。在此基础上，研究对混沌序列特点和数据混沌性的关系做出了分析，从中选出了很多合适的混沌序列，对不合适的混沌序列进行了剔除或者更换。其实，随着混沌加密算法的不断发展，算法研究过程中已经可以使用了一些较为成熟、性能较好混沌序列，这可以较好地简化相关人员的工作。例如：混沌加密算法可以对Logistic混沌序列加以应用，Logistic混沌序列是一种较为成熟的混沌序列。

2）水印信息的处理

一般而言，对水印信息的处理过程为：将水印信息数字化、将数字化的水印信息和混沌序列相结合、得到水印密文。在这个过程中，研究对水印信息的特性做出了充分的考虑，分析了其所具有的隐藏性、效率性等特点，保证了加密后的水印密文具有透明性、鲁棒性等特点，具有较强的实用性。

3）图像、视频等多媒体信息进行数字化

研究对所需要处理的信息进行了分类。在分类的基础上，对不同类型数据的数字化做出了分类处理。在获取了明文信息以及明文信息类型的基础上，混沌加密算法根据明文信息类型将其转换为合适的二进制数据。

4）根据需求对源信息进行压缩处理

在很多情况下，数字信息的使用者并不需要高清的数据信息。在这种情况下，数据的传送方需要对数据进行压缩处理，这样才能够保证数字信息能够较快地被传动到其需要传送的地方。如果不对数字信息进行压缩处理，那么其可能会导致多余的时间消耗和空间消耗。

5）将水印信息和数字信息进行的结合

将水印信息嵌入到数字信息中是混沌数字图像水印算法中关键的步骤之一。在进行水印信息和数字信息结合的过程中，混沌加密算法会根据源数据的类型对加入水印信息的算法进行分类处理。

值得注意的是，对数字化源信息进行置换处理是需要重复进行多次的。通过多次的置换处理，源信息的混沌性能够得到较大的提升。为此，在进行源信息置换处理之前，使用者可以动态地设置置换处理的次数，使置换处理能够较好地符合使用需求及应用需求。

6 研究结果

通过上诉的处理步骤对源信息进行处理后，研究对处理的性能做出了分析，以下是分析结果：通过处理后的信息可以根据混沌数字系统反向还原为原信息，处理后的信息混沌度较好，混沌加密体系具有多种功能、可以满足使用者在实际生活中的使用需求。由此可见，研究所得的混沌加密体系能够较好地满足实际的使用需求，其具有较强的实用性。

7 混沌加密算法的展望

混沌加密算法在现代有较为广泛的应用前景。在对混沌加密算法的分析以及对时代发展需求的分析中，笔者认为混沌加密算法必将朝以下几个方面发展：

1）高效性

随着时代的不断发展，人们需要使用的多媒体数据将会在未来的一段时间内得到较大的提升。另外，随着现代社会安全问题、侵权问题的不断发展，整个社会层次对计算机数据安全有了更高的重视。在这种情况下，需要被混沌加密算法加密的数据量将会在短时间内得到较大的提升。为此，混沌加密算法必须要提升自己的性能，这样才能够跟上时代的发展潮流，才能够满足大数据时代人们对信息安全处理的需求。

另外，随着整个社会对数据安全性能的逐渐重视，混沌加密算法体系必将在未来得到较好的发展，而发展后的混沌加密算法能够提供给使用者更为高效的服务。

2）体系化

在信息安全的发展过程中，很多人投入到不同的发展层面中了，这些人的研究贡献使得信息安全的体系逐渐被发展。而体系化了的信息安全系統对数据信息的处理、保护而言是具有更多的好处的。这是因为：体系化了的信息安全系统可以从多个角度、不同层次对计算机上的信息做出全方位的处理。这也说明：只有使信息安全系统体系化，信息的安全才能够得到真正的保障。因此，混沌加密算法也必将朝着体系化的方向发展。

8 总结

混沌加密算法通信是一个现代化信息加密解密的体系，其包括多种加密解密方式。数字图像水印是信息时代下的一种发展产物，其起到了版权保护、跟踪侵权行为的一种有效方法。研究发现：数字图像水印技术能够和混沌加密算法较好地结合。为此，研究使用了文献查找法、实验分析法和比较分析法等多种方法对混沌加密算法进行了优化设计，设计出来的混沌加密算法具有处理后的信息混沌度较好，混沌加密体系具有多种功能、可以满足使用者在实际生活中的使用需求等优良特性。

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【通联编辑：张薇】