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毕业设计（论文）

题 目：基于Arnold置乱的数字图像加密算法的研究与实现

III

第一章 综述

1.1数字图像

在一切数字化信息中，图像信息是一种非常直观而又含有大量信息的载体，此所谓“千言万语不及一张图”。目前，图像的所有者可以在Internet上发布和拍卖他所拥有的图像，这种方式不但方便快捷、不受地域限制，而且可以为所有者约大量的费用。从广义上说，图像是自然界景物的客观反映，是人类认识世界和人类本身的重要源泉。图像对我们并不陌生，它是用各种观测系统以不同形式和手段观测客观世界而获得的，可以直接或间接作用于人眼进而产生视知觉的实体。人的视觉系统就是一个观测系统，通过它得到的图像就是客观景物在人眼中形成的影像。图像信息不仅包含光通量分布，而且也还包含人类视觉的主观感受。随着计算机技术的迅速发展，人们还可以人为地创造出色彩斑斓、千姿百态的各种图像。

我们生活在一个信息时代，科学研究和统计表明，人类从外界获得的信息约有75％来自视觉系统，也就是从图像中获得的。这里图像是比较广义的，例如照片、绘图、视像等等。图像带有大量的信息，百闻不如一见，就说明了这个事实。客观世界在空间上是三维(3D)的，但一般从客观景物得到的图像是二维(2D)的。一幅图像可以用一个2D数组f(x,y)来表示，这里x和y表示2D空间XY中一个坐标点的位置，而f则代表图像在点的某种性质F的数值。例如常用的图像一般是灰度图，这时f表示灰度值，它常对应客观景物被观察到的亮度值。常见图像是连续的，即f,x,y的值可以是任意实数。为了能用数字计算机对图像进行加工处理，需要把连续的图像在坐标空间XY和性质空间F都进行离散化。这种离散化了的图像就是数字图像，可以用I(r,c)来表示。这里I代表离散化后的f，(r,c)代表离散化后的(x,y)，其中r代表图像的行(row)，c代表图像的列(column)。这里I,r,c的值都是整数。本文以后主要讨论数字图像，在不引起混淆的情况下我们用f(x,y)代表数字图像，如不特别说明f,x,y都在整数集合中取值。

一般地，模拟图像经采样离散后得到的数字图像具有以下的特点：

(1)图像数据信息量很大。例如取512×512个象素组成一幅数字图像，如其灰度级用8比特的二进制来表示，则有28=256个灰度级，那么这幅图像的数据信息量即为512×512×8=2097152比特。若是彩色图像，数据量会更大。对这样大数据量的图像进行处理，必须要有计算机才能胜任，而且计算机的内存量要大。

(2)数字图像占用的频带较宽。与语言信息相比，占用的频带要大几个数量级。如电视图像的带宽为5.6MHz，而语言带宽仅为4kHz左右。频带愈宽，技术实现的难度就越大，成本亦高，为此对频带压缩技术提出了较高的要求。

(3)数字图像中各个象素不是独立的，其相关性很大。就是说，有大块区域的灰度值是相差不大的。例如在一幅数字电视图像中，同一行中相邻两个象素或相邻两行的象素，其相关系数可达0.9，而

相邻两帧电视图像之间的相关性比帧内相关性还要大一些，因此图像信息的冗余度很大。 (4)数字图像是需要给人观察和评价的，因此效果的好坏受人的因素影响较大。由于人的视觉系统很复杂，数字图像受环境条件、视觉性能、人的主观意识的影响很大，因此要求系统与人的良好的配合，这还是一个很大的研究课题。

1.2 信息安全

随着网络技术的发展，大量个人和公众信息在刚络上传播，使得信息的安全问题成为人们关注的热点，信息的安全与保密不仅与国家的政治、军事和外交等有重大的关系，而且与国家的经济、商务活动以及个人都有极大的关系。随着信息化社会的到来，数字信息与网络已成为人们生活中的重要组成部分，他们给我们带来方便的同时，也给我们带来了隐患：敏感信息可能轻易地被窃取、篡改、非法复制和传播等。而信息安全中图像安全是大家所关心的。对于图像信息，传统的保密学尚缺少足够的研究。随着计算机技术与数字图像处理技术的发展，对此已有一些研究成果。近年来，相继召开了多次信息隐藏的国际学术会议，图像信息隐藏及在图像中隐藏信息问题为其重要议题之一，且有关的论文以保护多媒体数据版权的数字水印技术为主。

多媒体数据，尤其是图像，比传统的文字蕴涵更大的信息量，因而成为人类社会在信息利用方面的重要手段。因此针对多媒体信息安全保护技术的研究也显得尤为重要，多媒体信息安全是集数学、密码学、信息论、概率论、计算复杂度理论和计算机网络以及其它计算机应用技术于一体的多学科交叉的研究课题。

对通讯安全的研究不仅包括加密，还包括以隐藏信息为根本的信息安全。作为多媒体信息安全技术的研究方法，目前有多媒体信息加密和多媒体信息隐藏技术两种。

多媒体信息加密：随着计算机网络多媒体技术和现代电子商务的不断发展，在机要、军事、政府、金融和私人通信中，多媒体信息加密技术已经成为一项非常实用又亟待快速发展的关键技术。保护图像信息安全最经济有效的方法之～是采用密码技术，但是，一方面传统的加密算法如DES和RSA，一般是基于文本数据设计的，它把一段有意义的数据流(称为明文)转换成看起来没有意义的数据(成为密文)。由于将明文数据加密成密文数据，使得在网络传递过程中非法拦截者无法从巾获得信息，从而达到保密的目的。与文本信息相比，数字图像有着数据量大、信息相关性强、抗干扰能力强等特点，直接采用针对文本的加密算法来保护图像信息并不合适．另一方面已有加密算法的抗破译能力不强，出于硬件技术的速发展，使得已有的加密算法的抗破译能力受到质疑，如著名的DEs算法，实际密钥只有飘比特，有报道称[15]用专用的设备9小时内能破解用它加密的信息。这样目前的传统加密方法如DES、3-DES或RSA等就很难满足多媒体应用中的实时性，安全性等要求。因此，新型的多媒体应用需要新的数据加密技术。近年来，在这方面的研究取得了一些成果，主要针对视频数据和图像数据。

多媒体信息隐藏技术：人们往往认为对通讯内容加密即可保证通讯的安全，然而在实际中这是远远不够的。有时我们不仅仅要使用加密技术来加密一条消息的内容，还要力图隐藏消息的发送者、接收者，甚至是消息本身的存在，因为这样做就不会引起非法破译者的注意。可以追溯到遥远的古