平頂山市第一中學 楊明三

數(shù)字圖像選擇加密算法的設計

平頂山市第一中學 楊明三

在我們的日常生活和工作中，數(shù)字圖像起著越來越大的作用，并且人們的使用量也變得越來越多。加密--作為為信息安全做出保障的最基本的手段，也同樣適用于數(shù)字圖像。本文通過對數(shù)字圖像的學習與現(xiàn)有的數(shù)字圖像加密的算法進行學習，并提出新的算法來為數(shù)字圖像加密所用時間較長這一問題提供一種新的想法。

圖像加密；四叉樹算法；信息安全

1.研究背景

伴隨著計算機以及計算機網(wǎng)絡的日新月異，數(shù)字圖像的使用量在近幾年迅劇增長，數(shù)字圖像在我們的工作和日常生活中發(fā)揮的作用越來越明顯。然而伴著數(shù)字圖像的使用在不斷的增加，數(shù)字圖像的安全問題也被提到我們的眼前。綜上所述，本文將研究圖像加密，設計一種算法來減少數(shù)字圖像處理中加密所用的時間，從而使加密的處理時間減少，是這一瓶頸更好的解決。

2.圖像選擇加密算法的分析和設計

以DES算法為例進行進一步分析，在實際應用完全可以用更加安全的對稱密碼算法進行加密，如AES。前文也提及過由于重要部分的數(shù)據(jù)量比較小，所以可以用公鑰加密體制RSA對重要部分的數(shù)據(jù)進行加密。在運用RSA加密算法對四叉樹結(jié)構(gòu)加密也必須先用四叉樹類提供的四叉樹序列化的算法將四叉樹結(jié)構(gòu)進行序列化，隨后將對序列化后的四叉樹結(jié)構(gòu)進行RSA加密。由于相對重要的部分很小，導致傳輸葉子節(jié)點序列可以和加密四叉樹結(jié)構(gòu)并傳輸同步的進行，從而大大的縮短了圖像處理中的加密解密時間。同時圖片的安全性也得到了強有力的保證。加密都進行完后，將可以對處理后的數(shù)據(jù)進行傳輸，整個算法過程即達到了保護圖片安全的目的也使圖片在加密的處理時間上大大減少。經(jīng)過研究比較可以發(fā)現(xiàn)四叉樹壓縮算法可以使用部分加密技術。四叉樹壓縮算法計算簡單，并且在低比特率傳輸中優(yōu)于JPEG壓縮算法。

3.基于四叉樹圖像壓縮的選擇加密算法的需求分析

針對本文提出的算法特性，在這里將對該算法的實現(xiàn)進行功能分析如下：

（1）圖片讀取解析。對用戶輸入系統(tǒng)的圖片進行解析，主要為解析判斷該圖像是否為壓縮加密后的圖片。

（2）圖片存儲。對系統(tǒng)操作后的圖片進行存儲即寫進計算機磁盤，方便用戶的使用。

（3）圖片壓縮。對檢測沒有加密的圖片可以進行圖片的四叉樹無損壓縮。將壓縮后四叉樹結(jié)構(gòu)和采用中序遍歷后的葉子節(jié)點值進行保存，方便系統(tǒng)進行加密操作。

（4）圖片加密。對壓縮輸出的四叉樹結(jié)構(gòu)可以進行2種加密操作，即DES加密或者RSA加密操作。

（5）密鑰管理。針對不同的加密方式提供不同的密鑰管理器。方便用戶在輸入密鑰時的友好性和對密鑰管理的高效性。

（6）圖像的質(zhì)量分析。通過統(tǒng)計直方圖的方法對壓縮加密前的原始圖像和壓縮加密后的圖像進行比較，通過比較查看算法的有效性。

3.1 系統(tǒng)流程圖

系統(tǒng)流程圖將分為壓縮加密系統(tǒng)流程圖和解壓解密系統(tǒng)流程圖。具體如圖3.1、圖3.2所示：

圖3.1 系統(tǒng)主流程圖

圖3.2 圖像分析流程圖

3.2 模塊設計

所需的功能模塊如圖3.3所示：

圖3.3 功能模塊圖

3.3 測試與分析

該部分測試主要是針對算法的三種分析方式。測試數(shù)據(jù)是由本文提出的算法統(tǒng)計出來的數(shù)據(jù)。測試時，從圖像處理常用的標準測試圖片中隨機選取了14張圖片進行測試。通過觀察測試數(shù)據(jù)我們可以看出在進行四叉樹壓縮的輸出中，四叉樹結(jié)構(gòu)體的大小占總大小的比例在5%-15%之間，比例的大小隨著圖像深度的變大而減小。由前文介紹可知，四叉樹結(jié)構(gòu)是本文提出的算法中被歸結(jié)為重要的一部分數(shù)據(jù)，根據(jù)本文提出的算法，我們將對四叉樹結(jié)構(gòu)進行加密。由實驗數(shù)據(jù)可以充分的說明我們所要加密的內(nèi)容量大大的減少，從而達到了減少加密解密所用時間的目的。

本文提出的無損壓縮算法能對圖片進行有效的壓縮。10組數(shù)據(jù)通過壓縮都有良好的壓縮率。而對于第一組數(shù)據(jù)，也就是lenna這幅圖測試得到的壓縮率有些反常。這個反常的原因是由于lenna這幅圖片比較復雜，同時又是8位的，所以會導致四叉樹占壓縮輸出總大小的比例比較大，也就是四叉樹結(jié)構(gòu)比較大，從而導致了壓縮后的總大小超出了遠圖的大小。這種現(xiàn)象是符合四叉樹壓縮的特性的。

通過本文提出的算法，我們對壓縮加密后的圖像能進行一個完全的恢復，本文提出的算法實現(xiàn)了完整的無損壓縮。對恢復后的圖像的每個像素值進行了100%的恢復。

4.總結(jié)與展望

隨著計算機技術的不斷發(fā)展，關于信息的安全問題缺日益嚴峻。像棱鏡門中Edward Snowden暴漏美國國家安全局竊聽大量的通信是記錄，又如iCloud的漏洞使得黑客泄露出了大量明星包括Jenifer Lawrence、Scarlet Johansson、Kim Kardashian的私照。這些數(shù)字圖像傳輸過程中信息的泄露正是因為加密的算法被黑客解出，使其獲得了大量的信息。所以在將來我們應更加注重對于信息的保密，不斷完成關于數(shù)字圖像處理與傳輸過程中加密的不斷完善與更新。

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