數(shù)字圖像置亂加密技術(shù)最早起源于對(duì)語(yǔ)音模擬信號(hào)的加密，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，圖像置亂加密技術(shù)已經(jīng)成為數(shù)字圖像安全傳輸和保密存儲(chǔ)的主要手段之一。由于數(shù)字圖像置亂加密技術(shù)不會(huì)引起信息的冗余，因此尤其適合用于大幅圖像文件加密。那么，我們今天就來(lái)探討一下數(shù)字圖像置亂加密技術(shù)是如何在HDTV上的應(yīng)用的。

一、數(shù)字圖像置亂加密技術(shù)

置亂加密技術(shù)的基本思想可以追溯到大約50B.C高盧戰(zhàn)爭(zhēng)期間，當(dāng)時(shí)的古羅馬皇帝愷撒設(shè)計(jì)出的愷撒密碼（通過(guò)把26個(gè)英文字母循環(huán)移位將明文轉(zhuǎn)換成密文）。這種字母置換可以看成是一維數(shù)據(jù)流的值置換，在一定程度上達(dá)到了保護(hù)信息的目的。之后逐步發(fā)展為密本、多表代替及加亂等各種密碼體制。

置亂加密技術(shù)在信息安全中的最早應(yīng)用是用在了語(yǔ)音模擬信號(hào)上。受當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件所限制，早期的保密電話和電臺(tái)話音加密都是直接對(duì)模擬信號(hào)加密，通過(guò)改變語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)間、頻率、幅度特征使原來(lái)的話不能被識(shí)別，比如把話音的頻譜劃分成若干個(gè)子帶，重新排列它們的次序從而達(dá)到置亂的效果。

1、數(shù)字圖像加密技術(shù)的原理

數(shù)字圖像置亂加密技術(shù)是指：利用數(shù)字圖像具有的數(shù)字矩陣的特點(diǎn)，通過(guò)一些變換或數(shù)學(xué)上的特殊性質(zhì)，攪亂圖像中像素的位置或顏色，將原來(lái)有意義的圖像信息變換成一幅“雜亂無(wú)章”的圖像，使得無(wú)法辨認(rèn)出原始圖像信息，從而達(dá)到在一定程度上迷惑第三者的目的。

圖像文件經(jīng)過(guò)加密之后，圖像合法的接受方可以通過(guò)相應(yīng)加密算法的逆變換從而解密出原始圖像，這個(gè)過(guò)程我們稱之為去亂。由于目前大部分的置亂加密算法都是基于數(shù)學(xué)變換的，所以置亂之后的圖像文件可以通過(guò)置亂加密的周期性來(lái)獲得。

2、數(shù)字圖像加密技術(shù)

按照置亂加密對(duì)象的不同，一般可將數(shù)字圖像文件置亂加密方法分為三種：純位置移動(dòng)置換、灰度值置換、以及前兩者結(jié)合。純位置移動(dòng)置換算法的原理是置亂原圖像文件的像素點(diǎn)的位置，灰度值置換的原理是置亂原圖像的像素焦的灰度值，而它們的組合形式是將原圖像文件像素點(diǎn)的灰度值和位置都變換。

本文將要介紹的Gray碼加密算法是屬于灰度值置換。

該加密算法具有很強(qiáng)的代表性而且目前是大家研究的熱點(diǎn)。最后本文將給出Gray碼加密算法的Matlab仿真程序。

（1） Gray碼加密算法

對(duì)于任何的一個(gè)非負(fù)整數(shù)“，其二進(jìn)制碼可以表示為u= (upup-1…u1u0)2，我們定義：

那么我們就得到了一個(gè)由二進(jìn)制所表示的整數(shù)g(u)=(gpgp-1…g1g0)2，并且我們將變化(1)稱之為Gray變換，g(u)就稱之為跣的Gray碼，其中運(yùn)算+為模2加法。

Gray變換可以用下面的矩陣形式來(lái)表示出來(lái)：

下面我們給出u=0，1，2，……，15相對(duì)應(yīng)的Gray碼：

（2）灰度圖像

灰度圖像是包含灰度級(jí)（亮度）的圖像。在Matlab中，灰度圖像由一個(gè)unit8(每個(gè)像素點(diǎn)8bit)、unit16（每個(gè)像素點(diǎn)16bit）或一個(gè)雙精度類型的數(shù)組來(lái)描述的。

灰度圖像實(shí)際上是一個(gè)數(shù)據(jù)矩陣I，該矩陣的每一個(gè)元素對(duì)應(yīng)于圖像的一個(gè)像素點(diǎn)，元素的數(shù)值代表一定范圍內(nèi)的灰度級(jí)，通常0代表黑色，1、255或者65535（針對(duì)于不同的存儲(chǔ)類型）代表白色。數(shù)據(jù)矩陣I可以是雙精度、uint8或者uint16類型的。由于灰度圖像存儲(chǔ)時(shí)不使用調(diào)色板，因而MATLAB將使用一個(gè)默認(rèn)的系統(tǒng)調(diào)色板來(lái)顯示圖像。

（3） MATLAB仿真代碼

用仿真軟件Matlab來(lái)對(duì)Gray碼加密算法來(lái)進(jìn)行仿真，運(yùn)用此加密算法對(duì)“pout.tif’這副圖像進(jìn)行加密，下面給出在這個(gè)仿真中要用到的代碼。這副圖像的像素是291*240。在下面的仿真程序中，i代表行數(shù)，j代表列數(shù)。

A= imread ('pout.tif');

for i=1:291j=1;

while j<=240 I = dec2binvec(double(A(itj)));k = length(1);

m=k;

B(k)= I(k);while k>1

k=k-1;

A(iAj) = binvec2decCB(1:m));j j+1; end;

end

（4）仿真結(jié)果分析

圖1左邊的圖像文件為加密之前的原始圖像，右邊的圖像文件為加密之后的圖像，我們從上面的圖像中可以看出此加密算法已經(jīng)完成了加密的功能。

我們還可以對(duì)Gray碼加密算法做進(jìn)一步的推導(dǎo)，根據(jù)公式u= (upup-1…u1u0)q，當(dāng)q=2時(shí)此算法為Gray碼加密算法，當(dāng)q>2時(shí)，此加密算法就被引申成為廣義Gray碼，因?yàn)槠浼用艿脑砀鶪ray碼基本上是一樣的，所以就沒(méi)有繼續(xù)對(duì)廣義Gray碼進(jìn)行MATLAB仿真。

二、圖像文件加密在HDTV上的應(yīng)用

當(dāng)前高清晰度數(shù)字電視(HDTV)已經(jīng)成為數(shù)字電視的研究熱點(diǎn)和發(fā)展方向。高清晰度數(shù)字電視節(jié)目信號(hào)的信源編碼采用的是符合MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)的TS(Transport stream)流。由于TS流這種具體視頻流很容易遭受到人為的攻擊，例如信息泄漏、信息竊取、數(shù)據(jù)篡改、數(shù)據(jù)刪添等，所以數(shù)字圖像置亂加密技術(shù)在HDTV上面的應(yīng)用就顯得很重要。

上面介紹的Gray碼加密算法理論性比較強(qiáng)，而且因?yàn)槠浼用艿乃俣炔豢欤荒苓_(dá)到實(shí)際使用中的技術(shù)指標(biāo)，所以在實(shí)際項(xiàng)目中的可用性不高。現(xiàn)在項(xiàng)目中如果需要對(duì)TS流進(jìn)行加密，通常是要利用硬件電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，下面將介紹如何利用自同步擾碼器來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像加密技術(shù)。

1、自同步擾碼器

自同步擾碼器是由一個(gè)具有反饋回路的線性移位寄存器構(gòu)成的。當(dāng)1位數(shù)據(jù)輸入擾碼器時(shí)，便與移位寄存器抽頭和相加，產(chǎn)生1位輸出數(shù)據(jù)，并饋入移位器的第一級(jí)，同時(shí)原來(lái)各級(jí)的存儲(chǔ)的數(shù)字都右移1位，輸入端不斷地將數(shù)據(jù)序列輸入擾碼器。

工作原理：

首先定義圖中的輸入數(shù)據(jù)序列為S，輸出為G。在線性反饋移位寄存器的反饋邏輯輸出與第一級(jí)寄存器輸入之間引入一個(gè)模2和相加電路，以輸出數(shù)據(jù)作為模2和的另一個(gè)輸入端，這樣就可以得到如圖2所示的加擾器的一般形式。在圖2中的C1C2…Cn都是移位寄存器。我們引入一個(gè)運(yùn)算符號(hào)“D”用來(lái)表示將加擾序列延時(shí)一位，DkS表示將加擾序列延時(shí)K位。當(dāng)我們采用延時(shí)運(yùn)算符后，可以得到加擾后的數(shù)據(jù)為：

在這里求和號(hào)∑是模2和運(yùn)算，G是線性反饋移位寄存器的特征多項(xiàng)式的系數(shù)，也就是我們通常所說(shuō)的反饋系數(shù)。

對(duì)于自同步擾碼器這種數(shù)字圖像加密方法，我們可以用硬件描述語(yǔ)言VHDL在FPGA (Field ProgrammableGateArray，現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列)中實(shí)現(xiàn)。根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目中的結(jié)果，我們可以作以下幾點(diǎn)說(shuō)明：

Gray碼加密算法理論性較強(qiáng)，但是在實(shí)際項(xiàng)目中，加密的速度不快，實(shí)用性不強(qiáng)。自同步擾碼器是用硬件描述語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)的，并且結(jié)合在FPGA中，所以在實(shí)際項(xiàng)目中的應(yīng)用效果不錯(cuò)，實(shí)用性很強(qiáng)，在大量的TS流加密項(xiàng)目中都是用這種圖像加密技術(shù)。自同步擾碼器在實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)臨界現(xiàn)象，需要注意保護(hù)。

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