5G框架下数字图像加密技术的发展趋势

1 引言

由于图像数据量大、像素点间相关性强、实时性要求高的特点，现有的数字图像加密技术或方案大多通过设计数据运算量相对较低的算法以保证图像安全性、低时延以及高效率的性能要求。而5G技术的发展可能给数字图像加密技术带来新机遇：5G网络速度快、功耗低、时延低的特点可以改进数字图像加密解密过程中的数据运算量庞大、时间消耗长问题。以往算法复杂而安全性高的加密设计或许可以被重新考虑，现有的加密设计也可以提高算法难度或扩大基础数据量，从而进一步提升数字图像在应用过程中的安全性和便捷性。本文首先介绍数字图像加密技术的局限性，进而根据图像处理的技术特点和数字图像加密技术的局限探讨其在5G框架下改进方向。

2 数字图像加密技术的局限性

一般的，数字图像加密技术按照图像所在域分为空域图像加密技术和频域图像加密技术，前者直接将图像看做二维矩阵进行数字化，后者基于某种变换方式如傅里叶变换将图像信息以复数方式存储运算。对数字图像的加密和解密操作主要包括两个方面：图像像素点位置的改变，即置换操作；图像像素点像素值的改变，即扩散操作。所以图像加密算法的本质就是图像置乱算法。大部分的数字图像加密解密方案都是通过设计复杂的置乱算法及密钥，使图像信息变换为类似信道随机噪声的信息以达到加密效果，同时通过密钥空间大小分析、加密解密速度分析、密文统计特性分析、密钥敏感性分析等性能分析判定其加密效果、安全性是否良好。通用的加密算法模型如图1所示。下面具体介绍数字图像加密的局限性。

图1 通用加密算法模型

图像数据量大、像素点间相关性强的特征通常使加密后的图像数据容易受到来自各种密码分析方法的攻击。①由于图像数据量大、要求实时传输及整体加密解密过程数据运算量受限的原因，密钥空间的大小设置是有限的，攻击者可以对密钥空间穷搜索进行强力攻击。理论上，利用穷尽法破解加密或解密系统只需尝试密钥空间中一半密钥，因此，随着现代科技计算能力的提高，此种穷举攻击已成为巨大隐患；②图像数据量大、像素点间相关性强，邻近的像素很可能有近似的灰度值，攻击者可以获得足够多的明文、密文样本进行统计分析，利用已知明文攻击、选择密文攻击、唯密文攻击等方法达到破解目的。利用统计分析可以降低暴力破解的计算复杂程度，这就要求通过加密算法得到的密文图像的像素点位置和像素值呈均匀分布、相邻像素点间的相关性应该尽量达到零相关，这要求必然导致加密解密过程中数据运算量加大、加密解密时间耗费长，无法满足实时性要求，加密效率低。

空域图像加密算法得到的明文、密文图像敏感性一般都不高，容易受到攻击，但是可以实现无损耗加密解密，要想提高敏感性需要多次循环扩散，这样会大大降低加密效率。由于空域像素点像素值任意一点发生变换，在相应的频域都会发生强烈改变，因此经过变换的频域图像通过加密算法得到的明文、密文敏感性非常高。但是，频域图像加密算法十分复杂，图像像素值是复数形式，需要将其实部和虚部分开存储，这在图像的存储和传输带来极大的不方便，另外，由于计算机能显示的位数有限，频域图像加密后不能无失真还原。

数字图像加密技术虽然有诸多局限性，但是由于其现实生活中的迫切需要以及无限可能的研究价值，国内外研究学者仍努力寻求最优方案，同时攻击者也不断破解，数字图像加密技术就是在这种加密、破解的环境中发展着。5G的到来或许可以给数字图像加密技术带来新机遇。

3 5G框架下数字图像加密技术的发展趋势

5G技术的发展，联合大数据、云计算、人工智能等技术，它们将开启物联网时代，并渗透至各个行业。在5G的未来应用场景中，图像占有不可或缺的席位，例如：计算机图像实时渲染和建模的云VR、需要利用图像实现功能的车联网、无线医疗、无线家庭娱乐、视频监控、无人操作、智慧城市等。面对大爆发的图像应用需求以及高质量的服务需求，现有的数字图像加密设计方案难以满足大容量的图像信息加密处理需求，以及多渠道、快速度的恶意盗取和窃取，探索在5G框架下新的数字图像加密设计方案十分有意义。

总所周知，5G技术的特点是超高速率、超低时延、超大连接。在超高速率方面，5G速率最高可以达到4G的100倍，数据传输速度将大幅提升；在超低时延方面，5G的空口时延可以低到1毫秒，仅相当于4G的十分之一，远高于人体的应激反应，传统的数据传输时延在5G技术下几乎不受影响，甚至加大几倍也无任何差别；在超大连接方面，5G每平方公里可以有100万的连接数，具备超千亿连接的支持能力，数据的传输方式可以因此有新改变。针对数字图像加密要求及特点，本文提出在5G框架下数字图像加密技术改进的的3种新趋势，具体如下。

（1）分块式处理

面对庞大的图像数据，要进行快速显示浏览、加密解密，最大、最难以解决和改变的问题是计算机的内存。它要求在硬件配置上有更多的内存、更大的硬盘、速度更快的数据总线，但是，硬件配置的提高不仅成本昂贵，而且更新的速度也相对较慢。图像分块技术是将图像分成小块，按照传统的矩阵模式存放，操作时依次处理，既满足客户对于图像显示的实时性要求也满足了对网络流量的要求。对于数字图像加密来说，先分块处理，再合成，一般适用于空域加密技术，变换域的操作与相邻像素点有关系，分块处理破坏了图像的完整性，不合适。在5G框架下，面对海量爆发的图像数据，图像分块处理不仅可以提高图像整体的传送速率，单块的图像数据也可以做更复杂的加密处理，提高了图像加密的安全性。另外，依托5G技术本身的特点超大连接，可以将分块后的图像进行随机零散分布，降低了完整图像被恶意盗取或篡改的风险，同时这些操作消耗的多余时长可以由5G技术本身的超高速率和超低时延特点抵消，在用户的视觉心理体验上不会造成太大误差。

（2）分割式处理

在数字图像处理技术中，有一个很重要的手段就是图像分割，它将数字图像划分为互不相交的区域，包括基于阀值的分割、基于区域的分割、基于比特的分层等。图像分割需要正确的分割技术，由于图像可能受噪声影响、存在不清晰部分、有阴影等问题，计算机自动进行分割处理的图像通常会发生错误。5G框架下人工智能的发展可以通过大量的训练数据优化计算机的识别能力，帮助计算机实现精准的图像分割。分割好的各部分图像信息是相互独立的，可以分别进行独立的加密操作，不会造成图像信息的交叉混乱，同时整体的数字图像加密操作可以并行实现，大大提高了图像加密的效率。利用图像分割技术对需要加密的图像进行预处理，需要大量的存储空间，使得这一方式在目前的实际应用中存在局限性，但是，未来的云服务、云计算、云存储可以给这个问题带来新的解决方式。

（3）提高算法复杂程度，多种加密技术手段结合

在经过图像分块或分割处理后，单位图像的数据量相对整体的是非常小的，且5G技术的发展带动云计算、大数据、云存储等技术的发展可以使海量的运算不成问题。因此，以往因算法复杂数据运算量大但安全性好的数字图像加密算法可以重新被考虑在实际应用中使用，例如基于混沌运动的超混沌系统加密、多维混沌系统加密、基于神经网络的数字图像加密技术等等，现有的加密算法也可以丰富和叠加，例如置换后的图像可以进行二次、多次置换以达到像素点随机均匀分布的要求。5G技术的发展为数字图像加密处理数据计算量大、时延高的提供了改进可能，当前的算法设计复杂程度与软件硬件限制、安全性要求的比例可以进一步提高。

对于数据信息的加密处理，还有一种信息隐藏技术，主要分为隐秘技术和水印技术，它将特定的信息嵌入到数字化信息如文本、声音、图像中，目的不在于限制信息的访问和存取而是在于不被监控者引起重视和监控。对于重要的图像，可以先提取特别重要和关键的信息，然后利用信息隐藏技术将秘密信息嵌入到普通信息中，信息隐藏技术和数字图像加密技术相互作用、相互配合，达到更高的安全级别。5G的发展给数据的计算容量带来新改变，多种数据信息处理技术相结合也将变为可能，如何在实际应用中相互配合需要进一步的研究。

4 结束语

随着5G技术和物联网的发展，未来将是万物互联的时代，多媒体信息占有比例将会越来越重，而图像作为最直观、最便捷的视觉信息将会被广泛利用在各个方面，如何实现图像信息在开放的互联网中安全传递是一个意义重大的课题。本文依据现有的数字图像加密处理过程中的局限性，提出3个在5G技术发展下的新可能，希望可以对数字图像的加密设计提供新思路。