5G框架下數字圖像加密技術的發展趨勢

1 引言

由于圖像數據量大、像素點間相關性強、實時性要求高的特點，現有的數字圖像加密技術或方案大多通過設計數據運算量相對較低的算法以保證圖像安全性、低時延以及高效率的性能要求。而5G技術的發展可能給數字圖像加密技術帶來新機遇：5G網絡速度快、功耗低、時延低的特點可以改進數字圖像加密解密過程中的數據運算量龐大、時間消耗長問題。以往算法復雜而安全性高的加密設計或許可以被重新考慮，現有的加密設計也可以提高算法難度或擴大基礎數據量，從而進一步提升數字圖像在應用過程中的安全性和便捷性。本文首先介紹數字圖像加密技術的局限性，進而根據圖像處理的技術特點和數字圖像加密技術的局限探討其在5G框架下改進方向。

2 數字圖像加密技術的局限性

一般的，數字圖像加密技術按照圖像所在域分為空域圖像加密技術和頻域圖像加密技術，前者直接將圖像看做二維矩陣進行數字化，后者基于某種變換方式如傅里葉變換將圖像信息以復數方式存儲運算。對數字圖像的加密和解密操作主要包括兩個方面：圖像像素點位置的改變，即置換操作；圖像像素點像素值的改變，即擴散操作。所以圖像加密算法的本質就是圖像置亂算法。大部分的數字圖像加密解密方案都是通過設計復雜的置亂算法及密鑰，使圖像信息變換為類似信道隨機噪聲的信息以達到加密效果，同時通過密鑰空間大小分析、加密解密速度分析、密文統計特性分析、密鑰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圖1所示。下面具體介紹數字圖像加密的局限性。

圖1 通用加密算法模型

圖像數據量大、像素點間相關性強的特征通常使加密后的圖像數據容易受到來自各種密碼分析方法的攻擊。①由于圖像數據量大、要求實時傳輸及整體加密解密過程數據運算量受限的原因，密鑰空間的大小設置是有限的，攻擊者可以對密鑰空間窮搜索進行強力攻擊。理論上，利用窮盡法破解加密或解密系統只需嘗試密鑰空間中一半密鑰，因此，隨著現代科技計算能力的提高，此種窮舉攻擊已成為巨大隱患；②圖像數據量大、像素點間相關性強，鄰近的像素很可能有近似的灰度值，攻擊者可以獲得足夠多的明文、密文樣本進行統計分析，利用已知明文攻擊、選擇密文攻擊、唯密文攻擊等方法達到破解目的。利用統計分析可以降低暴力破解的計算復雜程度，這就要求通過加密算法得到的密文圖像的像素點位置和像素值呈均勻分布、相鄰像素點間的相關性應該盡量達到零相關，這要求必然導致加密解密過程中數據運算量加大、加密解密時間耗費長，無法滿足實時性要求，加密效率低。

空域圖像加密算法得到的明文、密文圖像敏感性一般都不高，容易受到攻擊，但是可以實現無損耗加密解密，要想提高敏感性需要多次循環擴散，這樣會大大降低加密效率。由于空域像素點像素值任意一點發生變換，在相應的頻域都會發生強烈改變，因此經過變換的頻域圖像通過加密算法得到的明文、密文敏感性非常高。但是，頻域圖像加密算法十分復雜，圖像像素值是復數形式，需要將其實部和虛部分開存儲，這在圖像的存儲和傳輸帶來極大的不方便，另外，由于計算機能顯示的位數有限，頻域圖像加密后不能無失真還原。

數字圖像加密技術雖然有諸多局限性，但是由于其現實生活中的迫切需要以及無限可能的研究價值，國內外研究學者仍努力尋求最優方案，同時攻擊者也不斷破解，數字圖像加密技術就是在這種加密、破解的環境中發展著。5G的到來或許可以給數字圖像加密技術帶來新機遇。

3 5G框架下數字圖像加密技術的發展趨勢

5G技術的發展，聯合大數據、云計算、人工智能等技術，它們將開啟物聯網時代，并滲透至各個行業。在5G的未來應用場景中，圖像占有不可或缺的席位，例如：計算機圖像實時渲染和建模的云VR、需要利用圖像實現功能的車聯網、無線醫療、無線家庭娛樂、視頻監控、無人操作、智慧城市等。面對大爆發的圖像應用需求以及高質量的服務需求，現有的數字圖像加密設計方案難以滿足大容量的圖像信息加密處理需求，以及多渠道、快速度的惡意盜取和竊取，探索在5G框架下新的數字圖像加密設計方案十分有意義。

總所周知，5G技術的特點是超高速率、超低時延、超大連接。在超高速率方面，5G速率最高可以達到4G的100倍，數據傳輸速度將大幅提升；在超低時延方面，5G的空口時延可以低到1毫秒，僅相當于4G的十分之一，遠高于人體的應激反應，傳統的數據傳輸時延在5G技術下幾乎不受影響，甚至加大幾倍也無任何差別；在超大連接方面，5G每平方公里可以有100萬的連接數，具備超千億連接的支持能力，數據的傳輸方式可以因此有新改變。針對數字圖像加密要求及特點，本文提出在5G框架下數字圖像加密技術改進的的3種新趨勢，具體如下。

（1）分塊式處理

面對龐大的圖像數據，要進行快速顯示瀏覽、加密解密，最大、最難以解決和改變的問題是計算機的內存。它要求在硬件配置上有更多的內存、更大的硬盤、速度更快的數據總線，但是，硬件配置的提高不僅成本昂貴，而且更新的速度也相對較慢。圖像分塊技術是將圖像分成小塊，按照傳統的矩陣模式存放，操作時依次處理，既滿足客戶對于圖像顯示的實時性要求也滿足了對網絡流量的要求。對于數字圖像加密來說，先分塊處理，再合成，一般適用于空域加密技術，變換域的操作與相鄰像素點有關系，分塊處理破壞了圖像的完整性，不合適。在5G框架下，面對海量爆發的圖像數據，圖像分塊處理不僅可以提高圖像整體的傳送速率，單塊的圖像數據也可以做更復雜的加密處理，提高了圖像加密的安全性。另外，依托5G技術本身的特點超大連接，可以將分塊后的圖像進行隨機零散分布，降低了完整圖像被惡意盜取或篡改的風險，同時這些操作消耗的多余時長可以由5G技術本身的超高速率和超低時延特點抵消，在用戶的視覺心理體驗上不會造成太大誤差。

（2）分割式處理

在數字圖像處理技術中，有一個很重要的手段就是圖像分割，它將數字圖像劃分為互不相交的區域，包括基于閥值的分割、基于區域的分割、基于比特的分層等。圖像分割需要正確的分割技術，由于圖像可能受噪聲影響、存在不清晰部分、有陰影等問題，計算機自動進行分割處理的圖像通常會發生錯誤。5G框架下人工智能的發展可以通過大量的訓練數據優化計算機的識別能力，幫助計算機實現精準的圖像分割。分割好的各部分圖像信息是相互獨立的，可以分別進行獨立的加密操作，不會造成圖像信息的交叉混亂，同時整體的數字圖像加密操作可以并行實現，大大提高了圖像加密的效率。利用圖像分割技術對需要加密的圖像進行預處理，需要大量的存儲空間，使得這一方式在目前的實際應用中存在局限性，但是，未來的云服務、云計算、云存儲可以給這個問題帶來新的解決方式。

（3）提高算法復雜程度，多種加密技術手段結合

在經過圖像分塊或分割處理后，單位圖像的數據量相對整體的是非常小的，且5G技術的發展帶動云計算、大數據、云存儲等技術的發展可以使海量的運算不成問題。因此，以往因算法復雜數據運算量大但安全性好的數字圖像加密算法可以重新被考慮在實際應用中使用，例如基于混沌運動的超混沌系統加密、多維混沌系統加密、基于神經網絡的數字圖像加密技術等等，現有的加密算法也可以豐富和疊加，例如置換后的圖像可以進行二次、多次置換以達到像素點隨機均勻分布的要求。5G技術的發展為數字圖像加密處理數據計算量大、時延高的提供了改進可能，當前的算法設計復雜程度與軟件硬件限制、安全性要求的比例可以進一步提高。

對于數據信息的加密處理，還有一種信息隱藏技術，主要分為隱秘技術和水印技術，它將特定的信息嵌入到數字化信息如文本、聲音、圖像中，目的不在于限制信息的訪問和存取而是在于不被監控者引起重視和監控。對于重要的圖像，可以先提取特別重要和關鍵的信息，然后利用信息隱藏技術將秘密信息嵌入到普通信息中，信息隱藏技術和數字圖像加密技術相互作用、相互配合，達到更高的安全級別。5G的發展給數據的計算容量帶來新改變，多種數據信息處理技術相結合也將變為可能，如何在實際應用中相互配合需要進一步的研究。

4 結束語

隨著5G技術和物聯網的發展，未來將是萬物互聯的時代，多媒體信息占有比例將會越來越重，而圖像作為最直觀、最便捷的視覺信息將會被廣泛利用在各個方面，如何實現圖像信息在開放的互聯網中安全傳遞是一個意義重大的課題。本文依據現有的數字圖像加密處理過程中的局限性，提出3個在5G技術發展下的新可能，希望可以對數字圖像的加密設計提供新思路。