圖像加密技術在無人機上的應用

隨著智能設備、物聯(lián)網(wǎng)和網(wǎng)絡技術的高速發(fā)展，大量數(shù)字圖像信息通過通信網(wǎng)絡廣泛傳輸。然而，數(shù)字圖像傳輸?shù)陌踩杂葹橹匾Ｄ壳暗闹髁鞣椒ㄊ禽^為安全的網(wǎng)絡或者介質傳輸圖像，但該方法存在治標不治本的風險，圖像信息很容易被非法攻擊者竊取。眾多研究者開始對圖像源頭進行技術革新，將明文圖像進行加密后再傳輸，即使攻擊者盜取密文圖像，只能得到畫面雜亂無章的圖，并不會獲取圖像的有效信息。然而，接收方可根據(jù)指定的密鑰和加密算法獲得解密圖像，有效避免圖像信息在傳輸過程中被盜取，保證了圖像安全。由于圖像具有數(shù)據(jù)容量大、冗余度高、相鄰像素間的相關性強等特點，傳統(tǒng)的DES、AES等文本加密算法已不再適用于圖像加密。

圖像加密的重要性

近年，各種類型無人機發(fā)展迅猛，其性能各異、功能紛呈、核心技術百花齊放。例如，無人直升機具有垂直起降、定點懸停等特點，可承擔通信中繼、目標偵察、海上救援等多種任務。在無人機快速發(fā)展的同時，保密技術落后、單位保密知識宣貫不到位、責任人保密意識較差等因素會導致無人機核心技術甚至軍事信息泄密，國家和單位存在安全隱患。就泄密內(nèi)容來看，圖像泄密最為嚴重，因為圖像具有拍攝簡單、獲取的信息量大、直觀性強等特點，容易被別有用心的人竊取。例如，工作人員前往外地參加重要會議，需要攜帶存儲無人機系統(tǒng)圖像的保密光盤，一旦保密光盤被不慎遺失，將造成不可估量的損失。無人機系統(tǒng)圖像經(jīng)過加密處理，增強了圖像傳輸?shù)陌踩裕词贡Ｃ芄獗P被遺失或被盜取，圖像有效信息仍然不易被竊取。

圖像加密技術研究現(xiàn)狀

眾多研究表明，混沌系統(tǒng)能夠生成具有參數(shù)敏感性、不可預測性和非周期性的偽隨機序列，與密碼學系統(tǒng)的性質高度相似。從某種意義上看，混沌和密碼學之間存在著天然的聯(lián)系。因此，混沌系統(tǒng)被廣泛應用于圖像加密。早在1989年，一位國外學者已將混沌引入加密系統(tǒng)，提出并解釋混沌密碼概念；另一位國外學者于1998年提出置亂-擴散結構，并將混沌系統(tǒng)引入圖像安全領域，對混沌圖像加密具有重要意義；其他學者提出了一種基于超混沌系統(tǒng)的圖像加密方案，由于超混沌系統(tǒng)的動力學行為更為復雜，該方案具有較好的仿真效果；另外一些學者提出了一種基于可逆元胞自動機和混沌系統(tǒng)的圖像加密方案，由于該方案中的每個像素的高4位幾乎攜帶了所有圖像信息，在擴散階段，該方案只需對每個像素的高4位進行加密，而低4位像素信息保持不變。然而，大量研究表明，僅僅基于混沌系統(tǒng)的圖像加密算法仍然存在被破譯的風險，安全性與可靠性相對缺乏。

近年，隨著DNA計算的深入研究，DNA相關算法在密碼學領域中的應用潛力逐漸被發(fā)掘，并廣泛應用于圖像加密領域。僅僅基于混沌系統(tǒng)的加密效果有限，為提升加密算法的安全系數(shù)，許多研究者將DNA計算與混沌系統(tǒng)結合在一起，從而展開更深層次的研究。因此，本文提出基于混沌系統(tǒng)與DNA序列的圖像加密算法應用于無人機圖像加密的方案。

應用可行性分析

本節(jié)對圖像加密算法應用于無人機圖像加密的可行性進行分析，采用像素為256×256×3的MQ-8C無人直升機圖像作為明文圖像，并在AMD Ryzen 7 5800H with Radeon Graphics 3.20 GHz處理器、16GB內(nèi)存、Windows 11專業(yè)版電腦配置環(huán)境下運行MATLAB R2021a，得到仿真試驗結果以及性能分析結果。由圖1可知，密文圖像完全不能被人的肉眼識別且為無序畫面，人員無法從密文圖像中獲取任何有效信息，而且解密后的圖像與明文圖像是一致的，證明了本文加密算法非常有效。

直方圖分析

直方圖是一種衡量加密效果的重要指標。明文圖像和密文圖像的直方圖如圖2所示。圖2顯示，明文圖像像素分布十分不均勻，密文圖像像素分布卻較為平滑且均勻。因此，本文圖像加密算法可以有效打亂明文圖像的像素分布，增強密文圖像的安全性。

抗剪切攻擊能力測試

本文設計一種密文圖像分別被隨機剪切1/8、1/4、1/2圖像數(shù)據(jù)后的解密試驗，并得到與被隨機剪切1/8、1/4、1/2圖像數(shù)據(jù)的密文圖像相對應的解密圖像，再根據(jù)解密圖像，測試加密算法抗剪切攻擊的能力。人的肉眼能從圖3的解密圖像中獲取明文圖像的主要信息，表明該加密算法能夠抵抗剪切攻擊。

結論

試驗結果表明，本文設計的加密算法具有良好的加密性能，能夠抵抗常見的各種攻擊，有效提升無人機圖像傳輸?shù)陌踩耘c可靠性，避免嚴重的泄密現(xiàn)象，讓涉密無人機系統(tǒng)圖像真正做到一對一傳輸。即使外人盜取密文圖像，只能得到一幅像素被打亂且無有效信息的亂圖。