猫脸变换和拼图在图像加密中的应用
摘 要伴随着互联网技术和多媒体技术的爆炸性的传播，信息化高速发展。在这样自由开放、飞速发展的的互联网信息时代，同样带来了信息安全问题。数字图像作为当今多媒体信息中最常用的一种，存在极大的安全隐患。伴随着互联网技术和多媒体技术的爆炸性的传播，信息化高速发展。在这样自由开放、飞速发展的的互联网信息时代，同样带来了信息安全问题。数字图像作为当今多媒体信息中最常用的一种，存在极大的安全隐患。对图像进行加密是保护数字图像信息安全的有效手段，现在国际上主流的加密技术方式包括基于像素置乱的加密技术、基于秘密分割和共享的加密技术、基于现代密码体制的加密技术与基于混沌系统的加密技术等。猫脸变换（Arnold 变换）是通信安全中数字图像置乱技术之一，本文首先对猫脸变换置乱算法进行分析，然后在此基础上提出了新的优化方案，并基于性能评估手段对优化的算法进行性能评估。最后针对优化算法进行了仿真实验，列举了置乱度的影响指标，并演示了不同置乱轮数对置乱度的影响。在解密的方式中基于猫脸变换变换具有周期性的特点，通过猫脸变换变换的逆变换进行图像解密。本文仿真实验基于MATLAB 语言进行。MATLAB语言自从 20 世纪 80 年代中期推出以来，不断吸收各学科领域权威人士所编写的实用程序，是近几年来在国内外广泛流行的一种可视化科学计算软件。
Keywords:Image encryption;image procession;Arnold;MATLAB 目 录
第一章 绪论 1
第二章 数字图像处理在信息安全中的应用 2
2.1信息安全概述 2
2.2 数字图像加密 2
2.3图像处理的鲁棒性 2
第三章 猫脸变换 4
3.1用MATLAB仿真猫脸变换 4
3.2猫脸变换的周期性 5
3.3猫脸变换的周期性思考 6
3.4猫脸变换的逆变换 6
3.5猫脸变换的周期性和安全性分析 7
3.6消除周期性安全隐患的现实办法 8
第四章 拼图加密 9
4.1拼图算法 9
4.2基于拼图算法的图像信息隐藏 11
4.3拼图算法的局限性 11
第五章 总结 12
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
结束语 13
致 谢 14
参考文献 15
附录A 16
附录B 18
附录C 20
附录D 23
第一章 绪论
在网络技术飞速发展和作为强大的媒介智能手机越来越普及的当下，大量的数字信息例如声音、图片、视频等也正在网络中快速传输。在网络社交爆炸的今天，图片信息的传播所占比重是最大的。
聚会、旅游等需要拍照纪念的时候，往往会将这些照片上传至社交网络;当我们旅游时，会通过互联网将自己的照片发送给家人或朋友分享快乐;当发现有趣的事件时，会拍下放到互联网同大家共享;公安部门也往往会在互联网上放出嫌疑人的照片来进行通缉。在这样的生活方式中，我们应该意识到一个问题，图片在互联网传播中的会不会存在一些意想不到的安全问题?
针对这个问题，广大学者己经在数字图像的安全性上做出了很多的研究成果，可以预见，图像加密技术会有广阔的应用前景。
首先阐述了研究课题的背景与意义，篇幅有限的原因，仅仅对密码学基础做出简单的阐述，并对本文重点核心：传统的猫脸变换和拼图算法，介绍了各自的算法特点进行了描述分析。在信息技术高度发展的今天，图像的保密需要更加严格的标准，本文首先对猫脸变换置乱算法进行分析，然后在此基础上提出了新的优化方案，并基于性能评估手段对优化的算法进行性能评估。最后针对优化算法进行了仿真实验，列举了置乱度的影响指标，并演示了不同置乱轮数对置乱度的影响。在解密的方式中基于猫脸变换变换具有周期性的特点，通过猫脸变换变换的逆变换进行图像解密。
第二章 数字图像处理在信息安全中的应用
2.1信息安全概述
数学、密码学、计算机应用技术是信息安全的基石，信息论、概率论、计算机网络是信息安全的工具。它们被广泛交叉应用于信息安全的研究课题中。
在智能手机不断普及，和社会的进步，互联网的应用已经全世界普及。网络、人工智能、虚拟技术处于高速发展期，在这样的信息时代下，图片、视频等多媒体信息拥有较直观的表达效果，已经远远超过了文本信息所能表达的了。在社交领域也因此衍生出了有趣的“斗图”等亚文化。但是，现在的大多数多媒体信息传输通道是“没有安全保障的”公共信道。信息加密，这己经成为当今各大互联网平台普遍关注的问题，信息加密术与信息隐藏术是两种常见的加密思路。
数字图像由于其比传统的文本蕴涵更大的信息量，其信息载体的作用越来越重要，在关于商业机密、军事机密、个人隐私等图像信息必须严格防护。
2.2数字图像加密
目前较为常规的数字图像加密技术有：
置乱图像的加密技术：数字图像通过改变其像素点位置的方法进行图像的加密。常见的置乱图像加密技术有猫脸变换，幻方变换，面包师变换等。
秘密分割的图像加密技术：图像消息分割为若干不具有主题信息的小图像进行传输，接收之后，进行图像拼接恢复原图像。
秘密共享的图像加密技术：加密图像使用的密钥分为若干个子密钥，集合规定定量的子密钥可恢复原密钥。
4）混沌的图像加密技术：混沌加密技术具有极端敏感、无周期、不收敛的优点，加密后的图像类似白噪声。
图21 混沌加密原理图
本文着重研究Arnold变换在图像加密中的应用。
2.3图像伪装的鲁棒性
图像加密中的置乱技术作为一种预处理手段在图像信息隐藏的方法中，置乱技术在增强图像信息的伪装起到巨大的作用。置乱技术的作用可以从3个方面看出：
图像经过多次置乱，通常可以得到一幅无法主管读取内容、没有具体的纹理、没有可以识别的形状的杂乱无序图像，第三方很难在没有解密方法的前提下读取出有意义的信息。
通常，图像加密会将这样经过多次置乱后的无序图像以不起眼的方式隐藏到另一幅普通图像里。不起眼的方式是指，不改变普通图像的内容、纹理、形装，以躲过人眼的主观审查，从而逃出了第三方的视线，这是一种隐蔽性很强的，保证水印信息的手段。
处理过的秘密图像呈现为置乱以后的图像，它的内容、纹理、形状等很难被第三方用来进行统计分析，所以就算第三方获取得到了秘密图像，也是无从下手的。因为数字加密技术的繁杂，图像置乱的方式方法还是有很多的很多，并且每种方法有可以进行不同的次数，引用不一样的置乱算法，定制不一样的置乱参数，可以衍生出无数种方法，当然对应的结果也是无数的，如果第三企图在没有掌握图像加密的方法，想要对秘密图像进行反置乱运算，是很大的困难，只能使用“笨”方法，需要耗费巨大的计算量，来进行穷举演算各种可能性。
这样的原因下，第三方在反置乱无果的情况下，也许会在藏有隐藏信息的载体上进行恶意修改，希望达到图像攻击的效果，这里也体现出置乱方法又一大有时，那就是可以抵抗这些攻击。在合法接收者接收到载体信息后，通过使用已知解密算法，反置乱秘密图像，这个时候，第三方在隐藏信息上所涂画的信息像素被分散到画面的各个位置，只是形成对视觉影响程度不大的点状的随机噪声。
第三章 猫脸变换
Arnold变换是 V． J．Arnold在提出来的，俗称Cat Mapping，翻译过来猫脸变换， 在二维单位正方形内某一图像，通过如下变换:
公式3.1
一个简单的二维图像，通过该变换，图像会变模糊。公式3.1引入到数字图像上，变更为公式3.2:
公式3.2
Keywords:Image encryption;image procession;Arnold;MATLAB 目 录
第一章 绪论 1
第二章 数字图像处理在信息安全中的应用 2
2.1信息安全概述 2
2.2 数字图像加密 2
2.3图像处理的鲁棒性 2
第三章 猫脸变换 4
3.1用MATLAB仿真猫脸变换 4
3.2猫脸变换的周期性 5
3.3猫脸变换的周期性思考 6
3.4猫脸变换的逆变换 6
3.5猫脸变换的周期性和安全性分析 7
3.6消除周期性安全隐患的现实办法 8
第四章 拼图加密 9
4.1拼图算法 9
4.2基于拼图算法的图像信息隐藏 11
4.3拼图算法的局限性 11
第五章 总结 12
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
结束语 13
致 谢 14
参考文献 15
附录A 16
附录B 18
附录C 20
附录D 23
第一章 绪论
在网络技术飞速发展和作为强大的媒介智能手机越来越普及的当下，大量的数字信息例如声音、图片、视频等也正在网络中快速传输。在网络社交爆炸的今天，图片信息的传播所占比重是最大的。
聚会、旅游等需要拍照纪念的时候，往往会将这些照片上传至社交网络;当我们旅游时，会通过互联网将自己的照片发送给家人或朋友分享快乐;当发现有趣的事件时，会拍下放到互联网同大家共享;公安部门也往往会在互联网上放出嫌疑人的照片来进行通缉。在这样的生活方式中，我们应该意识到一个问题，图片在互联网传播中的会不会存在一些意想不到的安全问题?
针对这个问题，广大学者己经在数字图像的安全性上做出了很多的研究成果，可以预见，图像加密技术会有广阔的应用前景。
首先阐述了研究课题的背景与意义，篇幅有限的原因，仅仅对密码学基础做出简单的阐述，并对本文重点核心：传统的猫脸变换和拼图算法，介绍了各自的算法特点进行了描述分析。在信息技术高度发展的今天，图像的保密需要更加严格的标准，本文首先对猫脸变换置乱算法进行分析，然后在此基础上提出了新的优化方案，并基于性能评估手段对优化的算法进行性能评估。最后针对优化算法进行了仿真实验，列举了置乱度的影响指标，并演示了不同置乱轮数对置乱度的影响。在解密的方式中基于猫脸变换变换具有周期性的特点，通过猫脸变换变换的逆变换进行图像解密。
第二章 数字图像处理在信息安全中的应用
2.1信息安全概述
数学、密码学、计算机应用技术是信息安全的基石，信息论、概率论、计算机网络是信息安全的工具。它们被广泛交叉应用于信息安全的研究课题中。
在智能手机不断普及，和社会的进步，互联网的应用已经全世界普及。网络、人工智能、虚拟技术处于高速发展期，在这样的信息时代下，图片、视频等多媒体信息拥有较直观的表达效果，已经远远超过了文本信息所能表达的了。在社交领域也因此衍生出了有趣的“斗图”等亚文化。但是，现在的大多数多媒体信息传输通道是“没有安全保障的”公共信道。信息加密，这己经成为当今各大互联网平台普遍关注的问题，信息加密术与信息隐藏术是两种常见的加密思路。
数字图像由于其比传统的文本蕴涵更大的信息量，其信息载体的作用越来越重要，在关于商业机密、军事机密、个人隐私等图像信息必须严格防护。
2.2数字图像加密
目前较为常规的数字图像加密技术有：
置乱图像的加密技术：数字图像通过改变其像素点位置的方法进行图像的加密。常见的置乱图像加密技术有猫脸变换，幻方变换，面包师变换等。
秘密分割的图像加密技术：图像消息分割为若干不具有主题信息的小图像进行传输，接收之后，进行图像拼接恢复原图像。
秘密共享的图像加密技术：加密图像使用的密钥分为若干个子密钥，集合规定定量的子密钥可恢复原密钥。
4）混沌的图像加密技术：混沌加密技术具有极端敏感、无周期、不收敛的优点，加密后的图像类似白噪声。
图21 混沌加密原理图
本文着重研究Arnold变换在图像加密中的应用。
2.3图像伪装的鲁棒性
图像加密中的置乱技术作为一种预处理手段在图像信息隐藏的方法中，置乱技术在增强图像信息的伪装起到巨大的作用。置乱技术的作用可以从3个方面看出：
图像经过多次置乱，通常可以得到一幅无法主管读取内容、没有具体的纹理、没有可以识别的形状的杂乱无序图像，第三方很难在没有解密方法的前提下读取出有意义的信息。
通常，图像加密会将这样经过多次置乱后的无序图像以不起眼的方式隐藏到另一幅普通图像里。不起眼的方式是指，不改变普通图像的内容、纹理、形装，以躲过人眼的主观审查，从而逃出了第三方的视线，这是一种隐蔽性很强的，保证水印信息的手段。
处理过的秘密图像呈现为置乱以后的图像，它的内容、纹理、形状等很难被第三方用来进行统计分析，所以就算第三方获取得到了秘密图像，也是无从下手的。因为数字加密技术的繁杂，图像置乱的方式方法还是有很多的很多，并且每种方法有可以进行不同的次数，引用不一样的置乱算法，定制不一样的置乱参数，可以衍生出无数种方法，当然对应的结果也是无数的，如果第三企图在没有掌握图像加密的方法，想要对秘密图像进行反置乱运算，是很大的困难，只能使用“笨”方法，需要耗费巨大的计算量，来进行穷举演算各种可能性。
这样的原因下，第三方在反置乱无果的情况下，也许会在藏有隐藏信息的载体上进行恶意修改，希望达到图像攻击的效果，这里也体现出置乱方法又一大有时，那就是可以抵抗这些攻击。在合法接收者接收到载体信息后，通过使用已知解密算法，反置乱秘密图像，这个时候，第三方在隐藏信息上所涂画的信息像素被分散到画面的各个位置，只是形成对视觉影响程度不大的点状的随机噪声。
第三章 猫脸变换
Arnold变换是 V． J．Arnold在提出来的，俗称Cat Mapping，翻译过来猫脸变换， 在二维单位正方形内某一图像，通过如下变换:
公式3.1
一个简单的二维图像，通过该变换，图像会变模糊。公式3.1引入到数字图像上，变更为公式3.2:
公式3.2
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