隨著Internet的不斷發(fā)展，越來越多的多媒體數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行傳輸，其中部分?jǐn)?shù)據(jù)由于個人隱私、版權(quán)等安全原因，需要進(jìn)行加密傳輸。文本數(shù)據(jù)文件加密有許多性能良好的算法，但是它們不適合于圖像加密，因為圖像數(shù)據(jù)是二維的、信息量大且冗余度高。為適應(yīng)圖像數(shù)據(jù)的特點，提高圖像加密的效率和安全性，有許多專用的圖像加密方案被提出。

一、混沌系統(tǒng)

混沌是一種具有某些特殊性質(zhì)的復(fù)雜的動力學(xué)行為。它具有對初始條件的極度敏感性、運(yùn)動軌跡的無規(guī)則性、內(nèi)隨機(jī)性、有界性、遍歷性等特性。混沌現(xiàn)象最早是由Lorenz在1963年研究模擬天氣預(yù)報時發(fā)現(xiàn)的。在近40年中，人們又發(fā)現(xiàn)了多個混沌系統(tǒng)，如Logistic映射、Chua電路、Chen’s系統(tǒng)、Rossler系統(tǒng)、Cat映射等，它們在數(shù)據(jù)加密通信中得到了廣泛應(yīng)用。

Lorenz混沌系統(tǒng)是第一個混沌的物理和數(shù)學(xué)模型，其動力學(xué)方程為：

當(dāng)參數(shù)a=10，b=8/3，c=28時，該系統(tǒng)有一個混沌吸引子，處于混沌狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)初始條件誤差只有10～15時，系統(tǒng)的運(yùn)行軌跡卻出現(xiàn)了極大的、無規(guī)則的偏差，表現(xiàn)出對初始條件的極大敏感性。

二、傳統(tǒng)的圖像加密技術(shù)

根據(jù)加密與解密中使用的密鑰情況，傳統(tǒng)的加密技術(shù)分為對稱加密與非對稱加密，或稱為私鑰加密與公鑰加密。對稱加密指的是在加密與解密時使用相同的密鑰，并且密鑰只有通信雙方知道；而非對稱加密中的加密密鑰與解密密鑰是不同的，加密密鑰是公開的，任何人都可以知道，而解密密鑰只有解密者才有。

從本質(zhì)上講，圖像在計算機(jī)中的表示仍然是數(shù)字，完全可以采用傳統(tǒng)的加密技術(shù)對其進(jìn)行加密，但是由于圖像是用二維或三維數(shù)據(jù)格式進(jìn)行表示的，若采用傳統(tǒng)的加密技術(shù)對其加密，加密時首先要把圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為一維的，解密時還要把其轉(zhuǎn)換為二維或三維數(shù)據(jù)。同時由于圖像數(shù)據(jù)還具有信息量大冗余度高的特性，因此采用上述方法對其加密和解密，不但效率較低，而且安全性差。為了解決上述問題，國內(nèi)外學(xué)者研究了許多專用的圖像加密方案。

①基于像素位置變換的加密技術(shù)：

該技術(shù)加密的基本思想就是通過改變圖像中像素點的位置實現(xiàn)加密。在實現(xiàn)像素位置變動時經(jīng)常使用矩陣變換，如Arnold變換、幻方變換等。使用這種變換有一個非常大的缺點，就是在攻擊者知道加密算法和密文時，很容易就可得到明文。因為這種建立在有限點集上的迭代是有周期的，經(jīng)過若干次迭代就可以恢復(fù)出明文。按照現(xiàn)代加密理論，一個加密體制的加密算法是要公開的，唯一保密的是密鑰。假若加密時不使用上述矩陣變換，而采用復(fù)雜的變換或隨機(jī)變換矩陣，該類加密同樣安全性不高，因為采用已知明文或選擇明文的攻擊方法得到加密用的變換矩陣并不困難。

②基于隨機(jī)序列的加密技術(shù)：

該類加密的基本思想是利用偽隨機(jī)序列生成器產(chǎn)生出像素變換的二進(jìn)制序列，而后根據(jù)該序列改變圖像中的像素值，從而實現(xiàn)加密。該方案主要對二值圖像進(jìn)行加密。我們給出了一個基于混合細(xì)胞自動機(jī)(hybridcellularautomata)的二進(jìn)制圖像文件加密方案，方案中首先利用利用混合細(xì)胞自動機(jī)產(chǎn)生偽隨機(jī)序列，而后再把圖像轉(zhuǎn)換成一維序列，最后把兩個序列進(jìn)行按位異或后得到的序列轉(zhuǎn)換為圖像，從而實現(xiàn)圖像加密。該方案與其它類似的方案一樣，在應(yīng)對已知明文和選擇明文的攻擊方面安全性較差。

③基于壓縮編碼的加密技術(shù)：

該類加密的基本思想是對圖像進(jìn)行壓縮后再進(jìn)行加密。基于四叉樹編碼和SCAN語言的圖像加密和基于壓縮編碼的圖像加密都屬于該類加密技術(shù)，只不過前者進(jìn)行的是無損壓縮，而后者進(jìn)行的是有損壓縮。采用此類加密技術(shù)，可以減少加密后圖像傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，加快傳輸速度，但需要首先對原圖像進(jìn)行預(yù)處理。

三、基于混沌的圖像加密技術(shù)進(jìn)展情況

混沌由于具有與密碼學(xué)非常近似的一些特性，近年來被廣泛的應(yīng)用于密碼研究中。利用二維的Baker映射進(jìn)行像素位置變換，利用擴(kuò)展的三維映射改變像素值。MaoYB和ChenGR在Fridrich方法的基礎(chǔ)上，提出了一個快速的圖像加密方案，該方案使用了三維的Baker映射，結(jié)果顯示其加密速度是原來的2～3倍，安全性也有所提高。另外又有專家給出了一個基于三維CAT映射的圖像加密方案，此方案利用三維CAT映射置亂圖像像素位置，利用其它混沌映射去混淆原圖像與加密圖像的關(guān)系。

在國內(nèi)，也有許多學(xué)者在做這方面的研究，提出了一個基于混沌的實時數(shù)字視頻圖像加密方案，另外還給出了一個基于連續(xù)混沌系統(tǒng)的圖像加密新方案，該方案利用多維混沌系統(tǒng)與Hash函數(shù)分別產(chǎn)生圖像像素置亂矩陣和像素值變換矩陣，方案中利用抽取后的混沌信號產(chǎn)生變換矩陣，從而提高了安全性能。

無論是基于現(xiàn)代加密技術(shù)的圖像加密方案還是基于混沌系統(tǒng)的圖像加密方案，其本質(zhì)都是對圖像像素位置和像素值進(jìn)行變換。變換越復(fù)雜，安全性可能就越高，但數(shù)據(jù)處理的效率可能就較低。反之，采用簡單的變換，加密效率會高，但安全性就低。在實際應(yīng)用中，選取什么樣的加密策略，要根據(jù)實際中對兩項指標(biāo)的要求，做到兩全其美是困難的，但這是未來圖像加密研究的目標(biāo)。

混沌系統(tǒng)雖然有許多特性使其可以用于加密，但混沌系統(tǒng)與密碼學(xué)還有很多差別，基于混沌的加密技術(shù)研究要取得更大的進(jìn)展，就一定要吸收現(xiàn)代加密技術(shù)的研究成果。兩個學(xué)科充分結(jié)合，取長補(bǔ)短，從而可以促進(jìn)兩個學(xué)科不斷向前發(fā)展。可以預(yù)見，隨著基于混沌的加密技術(shù)研究的不斷深入，混沌加密在未來的數(shù)據(jù)加密應(yīng)用中將會有很好的前景。

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