数字图像加密综述

摘 要 针对数字图像的特点，分析了传统加密算法不适 用 的 原 因，陈 述 了 数 字 图 像 加 密 的 现 状 ，对 基 于 空 间 域 的 像 素置乱、基于混沌的加密、基于变换域的加密、基于秘密分割与秘密共享的加密、基于神经网络和元胞自动机的加 密 以
及基于盲源分离的加密进行了详细描述，并对它们的特 点 进 行 了 分 析 比 较 。最 后，举 例 分 析 了 大 量 典 型 的 加 密 算 法 ，
１ 引 言
密、基于秘密分割与秘密共享的加密、基于神经网络和元胞 自 动 机 的 加 密 、基 于 盲 源 分 离 的 加 密 。
在诸如军事协同作 战、电 子 政 务、工 业 协 同 设 计、场 景 监 控、远程医疗与远程教育等传输系统中，需要可靠的图像加 密
２．１ 基 于 空 间 域 的 像 素 置 乱 置乱变换可以快速 地 打 乱 像 素 位 置，破 坏 图 像 中 原 有 的
指 出 了 它 们 的 不 足 ，并 探 讨 了 进 一 步 的 研 究 方 向 。
关 键 词 图 像 加 密 ，置 乱 ，混 沌 ，空 间 域 ，变 换 域 中 图 法 分 类 号 ＴＰ３９１ 文 献 标 识 码 Ａ
Ｄｉｇｉｔａｌ Ｉｍａｇｅ Ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ：Ａ Ｓｕｒｖｅｙ
技术。传 统 加 密 算 法 针 对 一 维 数 据 流 而 设 计 ，如 ＤＥＳ、３－ ＤＥＳ、ＩＤＥＡ、ＡＥＳ，没 有 考 虑 数 字 图 像 具 有 数 据 量 大、空 间 有 序、相关性强、冗余度高的特点，具有较高的计算复杂度，加 密 效率也不高。图像加 密 算 法 有 如 下 几 个 要 求：① 安 全 性。 混 淆和扩散是当前设计具有计算安全性的密码的必要条件。② 实时性。加密算法的使用不能给图像数据传输和存取带来过 大的延迟。③数据量 不 发 生 膨 胀。 为 了 不 给 存 储、传 输 带 来 更大的负担，加密处 理 不 能 使 密 文 数 据 量 发 生 膨 胀。 如 果 可
以，应尽量结合压 缩 编 码 进 行。 ④ 数 据 格 式 不 变。 不 加 密 与 图 像 格 式 密 切 相 关 的 数 据 字 段 ，可 以 尽 量 减 少 明 密 文 对 的 泄 漏 。 另 外 ，在 一 些 应 用 中 需 要 保 持 格 式 兼 容 。
２ 数 字 图 像 加 密 研 究 现 状
空间有序性和局部 相 关 性，把 图 像 变 得 杂 乱 无 章、无 法 识 别， 使图像呈现一种类似噪声的形式。为了保证加密之后还能正 确恢复，置乱变换必 须 为 一 一 映 射。 目 前 的 置 乱 方 法 有：Ａｒ－ ｎｏｌｄ变换及其扩展变 换 （如 猫 映 射、广 义 猫 映 射［１］、二 维 双 尺 度矩形映射、仿 射 变 换、ｎ 维 广 义 Ａｒｎｏｌｄ 变 换 ）、Ｂａｋｅｒ映 射、 幻方变 换、魔 方 变 换、基 于 Ｓ 盒 的 置 乱、基 于 拉 伸 折 叠 思 想 的 置乱、基于 Ｓｃａｎ语言的置乱、基于骑士巡游的 置 乱、基 于 随 机 数排序的置乱、基于像素值排序的自适应置乱、基于线映射 的
（Ａｉｒ Ｆｏｒｃｅ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００００９，Ｃｈｉｎａ）２
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｆｅａｔｕｒｅ ｏｆ ｄｉｇｉｔａｌ ｉｍａｇｅ，ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎ ｗｈｙ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｃｉｐｈｅｒ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ａｒｅ ｎｏｔ ａｐｐｌｉｃａｂｌｅ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｄｉｇｉｔａｌ ｉｍａｇｅ ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ ｗａｓ ｓｕｒｖｅｙｅｄ．Ｓｏｍｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，ｓｕｃｈ ａｓ ｐｉｘｅｌ ｐｅｒｍｕｔａｔｉｏｎ ｉｎ ｓｐａｃｅ ｄｏｍａｉｎ，ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｃｈａｏｓ，ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ ｉｎ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ｄｏｍａｉｎ，ｉｍａｇｅ ｓｅｃｒｅｔ ｓｅｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｈａｒｉｎｇ，ｅｎ－ ｃｒｙｐｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｎｅｕｔｒａｌ ｎｅｔｗｏｒｋ ａｎｄ ｃｅｌｌｕｌａｒ ａｕｔｏｍａｔａ，ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｂｌｉｎｄ ｓｏｕｒｃｅ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ，ｗｅｒｅ ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｄ， ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅｄ．Ａｔ ｌａｓｔ，ａ ｌａｒｇｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｔｙｐｉｃａｌ ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ ａｌｇｏ－ ｒｉｔｈｍｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ ｔｏ ｅｘｐｏｓｅ ｔｈｅｉｒ ｗｅａｋｎｅｓｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｗａｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｉｍａｇｅ ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ，Ｓｃｒａｍｂｌｅ，Ｃｈａｏｓ，Ｓｐａｃｅ ｄｏｍａｉｎ，Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ｄｏｍａｉｎ
第 ３９ 卷 第 １２ 期 ２０１２ 年 １２ 月
计算机科学 Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ
数字图像加密综述
Ｖｏｌ．３９ Ｎｏ．１２ Ｄｅｃ ２０１２
文 昌 辞１ 王 沁１ 苗 学 与 技 术 系 北 京 １０００８３）１ （空 军 装 备 部 北 京 １００００９）２
ＷＥＮ Ｃｈａｎｇ－ｃｉ １ ＷＡＮＧ Ｑｉｎ１ ＭＩＡＯ Ｘｉａｏ－ｎｉｎｇ２ ＬＩＵ Ｘｉａｎｇ－ｈｏｎｇ２ ＰＥＮＧ Ｙａｎｇ－ｘｉａｎｇ２ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｂｅｉｊｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３，Ｃｈｉｎａ）１