数字图像选择加密算法的设计

平顶山市第一中学 杨明三

数字图像选择加密算法的设计

平顶山市第一中学 杨明三

在我们的日常生活和工作中，数字图像起着越来越大的作用，并且人们的使用量也变得越来越多。加密--作为为信息安全做出保障的最基本的手段，也同样适用于数字图像。本文通过对数字图像的学习与现有的数字图像加密的算法进行学习，并提出新的算法来为数字图像加密所用时间较长这一问题提供一种新的想法。

图像加密；四叉树算法；信息安全

1.研究背景

伴随着计算机以及计算机网络的日新月异，数字图像的使用量在近几年迅剧增长，数字图像在我们的工作和日常生活中发挥的作用越来越明显。然而伴着数字图像的使用在不断的增加，数字图像的安全问题也被提到我们的眼前。综上所述，本文将研究图像加密，设计一种算法来减少数字图像处理中加密所用的时间，从而使加密的处理时间减少，是这一瓶颈更好的解决。

2.图像选择加密算法的分析和设计

以DES算法为例进行进一步分析，在实际应用完全可以用更加安全的对称密码算法进行加密，如AES。前文也提及过由于重要部分的数据量比较小，所以可以用公钥加密体制RSA对重要部分的数据进行加密。在运用RSA加密算法对四叉树结构加密也必须先用四叉树类提供的四叉树序列化的算法将四叉树结构进行序列化，随后将对序列化后的四叉树结构进行RSA加密。由于相对重要的部分很小，导致传输叶子节点序列可以和加密四叉树结构并传输同步的进行，从而大大的缩短了图像处理中的加密解密时间。同时图片的安全性也得到了强有力的保证。加密都进行完后，将可以对处理后的数据进行传输，整个算法过程即达到了保护图片安全的目的也使图片在加密的处理时间上大大减少。经过研究比较可以发现四叉树压缩算法可以使用部分加密技术。四叉树压缩算法计算简单，并且在低比特率传输中优于JPEG压缩算法。

3.基于四叉树图像压缩的选择加密算法的需求分析

针对本文提出的算法特性，在这里将对该算法的实现进行功能分析如下：

（1）图片读取解析。对用户输入系统的图片进行解析，主要为解析判断该图像是否为压缩加密后的图片。

（2）图片存储。对系统操作后的图片进行存储即写进计算机磁盘，方便用户的使用。

（3）图片压缩。对检测没有加密的图片可以进行图片的四叉树无损压缩。将压缩后四叉树结构和采用中序遍历后的叶子节点值进行保存，方便系统进行加密操作。

（4）图片加密。对压缩输出的四叉树结构可以进行2种加密操作，即DES加密或者RSA加密操作。

（5）密钥管理。针对不同的加密方式提供不同的密钥管理器。方便用户在输入密钥时的友好性和对密钥管理的高效性。

（6）图像的质量分析。通过统计直方图的方法对压缩加密前的原始图像和压缩加密后的图像进行比较，通过比较查看算法的有效性。

3.1 系统流程图

系统流程图将分为压缩加密系统流程图和解压解密系统流程图。具体如图3.1、图3.2所示：

图3.1 系统主流程图

图3.2 图像分析流程图

3.2 模块设计

所需的功能模块如图3.3所示：

图3.3 功能模块图

3.3 测试与分析

该部分测试主要是针对算法的三种分析方式。测试数据是由本文提出的算法统计出来的数据。测试时，从图像处理常用的标准测试图片中随机选取了14张图片进行测试。通过观察测试数据我们可以看出在进行四叉树压缩的输出中，四叉树结构体的大小占总大小的比例在5%-15%之间，比例的大小随着图像深度的变大而减小。由前文介绍可知，四叉树结构是本文提出的算法中被归结为重要的一部分数据，根据本文提出的算法，我们将对四叉树结构进行加密。由实验数据可以充分的说明我们所要加密的内容量大大的减少，从而达到了减少加密解密所用时间的目的。

本文提出的无损压缩算法能对图片进行有效的压缩。10组数据通过压缩都有良好的压缩率。而对于第一组数据，也就是lenna这幅图测试得到的压缩率有些反常。这个反常的原因是由于lenna这幅图片比较复杂，同时又是8位的，所以会导致四叉树占压缩输出总大小的比例比较大，也就是四叉树结构比较大，从而导致了压缩后的总大小超出了远图的大小。这种现象是符合四叉树压缩的特性的。

通过本文提出的算法，我们对压缩加密后的图像能进行一个完全的恢复，本文提出的算法实现了完整的无损压缩。对恢复后的图像的每个像素值进行了100%的恢复。

4.总结与展望

随着计算机技术的不断发展，关于信息的安全问题缺日益严峻。像棱镜门中Edward Snowden暴漏美国国家安全局窃听大量的通信是记录，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。这些数字图像传输过程中信息的泄露正是因为加密的算法被黑客解出，使其获得了大量的信息。所以在将来我们应更加注重对于信息的保密，不断完成关于数字图像处理与传输过程中加密的不断完善与更新。

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