淺談圖像加密系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

孟令國

【關(guān)鍵詞】數(shù)字圖像;安全;泄露;篡改;Rijndael 算法

（一）研究背景及意義

21世紀(jì)的今天“Digitizing”、“Informatization”不斷發(fā)展，并逐漸深入到人們的生活中。數(shù)字圖像的普及應(yīng)運(yùn)而生，它以快速、便捷等優(yōu)勢(shì)深受人們的喜愛，也是人們溝通交流不可或缺的一部分。運(yùn)用頻率的提升人們，也關(guān)心其安全性[1]。

圖像數(shù)據(jù)的可靠安全處理是當(dāng)前研究的重要方向之一，它具有保證圖像信息的安全、拓展加密技術(shù)的研究領(lǐng)域等意義。

（二）技術(shù)算法

1、Rijndael算法的詳細(xì)描述

（1）算法簡介

Rijndael算法是美國政府取代早期的數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)而使用的標(biāo)準(zhǔn)加密算法。它是基于置換和代替的，主要優(yōu)勢(shì)便是允許數(shù)據(jù)區(qū)塊以及密鑰的長度獨(dú)立變化。

2、偽隨機(jī)數(shù)

（1）動(dòng)力系統(tǒng)生成偽隨機(jī)數(shù)序列

偽隨機(jī)數(shù)是密碼學(xué)中最重要的一項(xiàng)技術(shù)，它是密碼系統(tǒng)安全性的重要保障。混沌序列便是偽隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)物[2]。混沌序列產(chǎn)生公式：

（2） 二進(jìn)制混沌偽隨機(jī)序列

表達(dá)式： = f（ ）

非周期、不收斂、非線性是改隨機(jī)數(shù)列的特點(diǎn)，選取初始值，通過反復(fù)迭代產(chǎn)生混沌序列 ，在通過f（ ）產(chǎn)生二進(jìn)制混沌偽隨機(jī)序列做密鑰。

（一）數(shù)字圖像置亂

隨著電腦、智能手機(jī)的普及，越來越多的人選擇在線互動(dòng)，隨之而生的便是圖像的安全性和有效性得不到全面保障，因?yàn)閳D像信息的泄露導(dǎo)致巨大損失的事情比比皆是。

通過結(jié)合圖像加密和圖像隱藏生成了兩種解決方案：圖像置亂處理;信息隱藏和偽裝。圖像置亂變換是通過改變像素的位置或顏色而形成的一種保護(hù)技術(shù)。

圖像置亂方法主要有三種[3]：

1、基于Arnold變換的置亂方法;

2、用分形圖形的方法填充空間曲線;

3、運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)和奇異現(xiàn)象。

（二）基于Rijndael的圖像置亂算法分析

數(shù)字矩陣是人們常用的方法之一，矩陣的數(shù)值即為灰度值。本結(jié)采用的是基于Rijndael的圖像置亂算法。

該算法主要由三部分組成：

（1）通過偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器實(shí)現(xiàn)灰度值的變換

（2）S-盒變換

（3）行位移和列混合

1、基于Rijndael算法的圖像置亂算法描述

step1：取出前4行的種子密鑰，按字節(jié)與待加密圖像子塊中的像素異或得到新的像素。

Step2：利用查表進(jìn)行S-盒變換;

step3：行置換，將矩陣中的行按照不同的偏移量進(jìn)行左循環(huán)移位。

step4：列混亂，將矩陣中每個(gè)列上的像素看作為GF（28）上的3次多項(xiàng)式的系數(shù)，進(jìn)行運(yùn)算，計(jì)算出新的像素值

step5：按順序取出像素灰度值

step6：回到step1，進(jìn)行多次閉環(huán)加密。

2、置亂算法算例

本小結(jié)通過Aradar圖像為例，說明Rijnael算法的有效性[4]。

step1：通過偽隨機(jī)數(shù)得到新的像素;

step2：利用查表進(jìn)行S-盒變換，得到新的像素灰度值;

step3：行置換，行進(jìn)行移位;

step4：在列置換中，計(jì)算出新的像素灰度值;

step5：像素灰度值與輪密鑰異或;

step6：回到step3，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)加密。

最后得到置亂后的圖像置亂算法算例如圖1所示：

（三）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過以上比較我們不難得出這樣的結(jié)論：輪變換部分是整個(gè)算法中耗時(shí)最多的。這也是算法優(yōu)化的重點(diǎn)，而S-盒運(yùn)算和列混合運(yùn)算有非平凡的代數(shù)運(yùn)算，因此值得考慮它們的快速實(shí)現(xiàn)。

（1）S-盒運(yùn)算/逆S-盒運(yùn)算可以用兩個(gè)表來實(shí)現(xiàn)，而且查表法非常有效，還能抗定時(shí)分析攻擊。

（2）在列混合運(yùn)算中通過查表的方式，不僅很快，而且還能夠減少定時(shí)分析攻擊的危險(xiǎn)。

解密矩陣等于加密矩陣和一個(gè)矩陣的相乘。

三、彩色圖像加密

（一）圖像加密算法

1、關(guān)于位圖文件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

通過Windows系統(tǒng)運(yùn)行該加密系統(tǒng)，我們必須明白一點(diǎn)，即圖像顯示時(shí)必須轉(zhuǎn)換為DIB或者DDB位圖。文件頭、位圖信息和位圖像素?cái)?shù)據(jù)，組成了位圖文件，以下便依次介紹這三部分。

（1）位圖文件頭：文件頭的主要功能是識(shí)別位圖文件，該部分包含了文件件類型和大小等信息

（2）位圖信息：內(nèi)存的分配、調(diào)色板信息的設(shè)置、像素值的讀取都是由位圖信息所決定的。

（3）位圖數(shù)據(jù)：位圖數(shù)據(jù)是位圖的主體部分，位圖上的每一個(gè)點(diǎn)都表示了一個(gè)像素值，位圖的大小和顏色決定了位圖陣列的大小。

2、基于Rijndael算法和混沌序列的圖像置亂算法描述

step1：按順序取待加密圖像中的像素;

step2：利用查表進(jìn)行S-盒變換;

step3：用偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器生成一個(gè)序列;

step4：將圖像的每列像素依次向下循環(huán)移動(dòng)位置;

step5：回到step1，實(shí)現(xiàn)多次閉環(huán)加密。

四、圖像加密系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

（一）系統(tǒng)的功能目標(biāo)

本系統(tǒng)的主要功能便是對(duì)圖像進(jìn)行加密保護(hù)，它也是本系統(tǒng)最重要的功能。除此外，考慮到系統(tǒng)的友好性，力求系統(tǒng)用戶界面操作簡單。同時(shí)，考慮的后期需求完善和拓展，要求本系統(tǒng)具有一定的可擴(kuò)展性。作為一個(gè)圖像安全加密系統(tǒng)，系統(tǒng)本身的安全性也要可靠。圖像形式多樣，系統(tǒng)應(yīng)支持多種圖像形式。

（二）原型系統(tǒng)總體功能本系統(tǒng)包括以下幾個(gè)部分：

（1）輸入/輸出接口單元

（2）偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器

（3）加密/解密單元④圖像文件顯示

對(duì)于整理框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是系統(tǒng)研究中不可獲取的一步，也是非常重要的一步。在這一步要確定系統(tǒng)的模塊組成、模塊間的聯(lián)系。又要考慮到每個(gè)模塊的獨(dú)立性，力求做到“高內(nèi)聚，低耦合”的一款系統(tǒng)。

根據(jù)前期的研究，分別設(shè)置了4個(gè)子模塊：接口模塊;偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器模塊;加解密運(yùn)算模塊;圖像文件顯示模塊。

整個(gè)系統(tǒng)的總體框圖如圖2所示：

（三）原型系統(tǒng)功能分析

借助于面向?qū)ο缶幊谭椒ㄖ械睦^承機(jī)制設(shè)計(jì)了Rijndael類的派生類Rijnd ，用于實(shí)現(xiàn)基于Rijndael和混沌序列的圖像加密算法。

Rijnd類的方法有以下幾種分類：

（1）像素值變換：繼承父類Rijndael中定義的有關(guān)對(duì)像素值異或的方法AddRoundKey（）和重新定義了密鑰擴(kuò)展的方法KeyExpansion（）。

（2）像素值替代：繼承父類Rij n d a e l中的方法BuildSbox（）和BuildInvSbox （）來初始化替換表Sbox[][]和iSbox[][];SubBytes（）和InvSubBytes（）通過替換表實(shí)現(xiàn)像素值變換。

（3）行列置換：定義的自身類方法：RowsShift （），InvRowsShift （），ColumsShift（）和Inv ColumsShift（），實(shí)現(xiàn)行列的循環(huán)移位操作。

（四）原型系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

以對(duì)BMP格式圖像加密為例來部分介紹該原型系統(tǒng)的運(yùn)行過程：用戶點(diǎn)擊圖像加密界面中的“瀏覽”，選擇待加密的文件;輸入隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的初始條件，將用于隨機(jī)數(shù)發(fā)生器初始條件輸入的對(duì)話框定義為一個(gè)Initializtion類，只要系統(tǒng)中需要輸入隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的初始條件，就創(chuàng)建一個(gè)該類的對(duì)象來獲取輸入的初始條件值。

在圖像文件進(jìn)行加密的這段時(shí)間，系統(tǒng)會(huì)有提示信息同時(shí)在改頁面上其他功能暫時(shí)失效，只有完成加密后才會(huì)恢復(fù)正常。

Displaydlg用于顯示圖像文件，隨后系統(tǒng)根據(jù)用戶需求完成了圖像文件的加解密操作。

在圖像解密時(shí)，通過Initializtion類獲取隨機(jī)數(shù)發(fā)生器初始條件值，再通過RandomNumber，加密后的圖像進(jìn)行解密操作。