混合圖元加密算法
admin 混合圖元加密算法是把研究對(duì)象從單幅數(shù)字圖像拓廣到以混合圖元為單位的多幅數(shù)字圖像上，在保證交互信息安全性的同時(shí)，通過(guò)合理設(shè)計(jì)圖元粒度，可把加密效率控制到最優(yōu)水平。那么我就帶大家來(lái)了解一下這種混合圖元加密算法。
一、混合圖元加密算法原理
網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)下的信息交互涉及到收（Bob）發(fā)（Alice）雙方。利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，Alice很容易把一幅數(shù)字圖像分割成一組有序的小幅圖像，分割后的小幅圖像稱為塊圖元，簡(jiǎn)稱圖元。用于交互的原始圖像也稱為真圖像，分割后的圖元稱為真圖元；用于迷惑攻擊者（Oscar），增加系統(tǒng)安全性而添加的數(shù)字圖像稱為偽圖像，分割后的圖元稱為偽圖元。
將真、偽圖元集按照給定的算法進(jìn)行混合，得到的圖元集稱為混合圖元集，其中的圖元稱為混合圖元?；旌蠄D元是網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)下信息交互的主要對(duì)象。Alice發(fā)送后，Bob利用混合圖元解密算法和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，很容易將真圖元集完整提出，并恢復(fù)出真圖像。以混合圖元加密原理為基礎(chǔ)建立的加密系統(tǒng)稱為混合圖元加密系統(tǒng)。
混合圖元加密算法，依據(jù)ECC，具有密鑰空間大、加密效率和安全性較高、適用領(lǐng)域廣等優(yōu)點(diǎn)。該算法有效改善了目前圖像加密技術(shù)效率不高或安全性較弱的問(wèn)題，在滿足安全性要求的前提下，提高了加密效率。
二、混合圖元加密算法的結(jié)構(gòu)
混合圖元加密算法的結(jié)構(gòu)，如圖所示。
Alice發(fā)送前的主要任務(wù)包括：圖像確定與選取，圖像分割，圖元混合和ECC加密。
Bob接收密文后的主要任務(wù)包括：ECC解密，提取真圖元集和生成真圖像。
Bob在解密Alice發(fā)送的信息前，需生成私鑰和公鑰。步驟為：
（1）確定橢圓曲線E(Fp)，即確定參數(shù)a、b和的值。選取基點(diǎn)G，其周期為T(mén)；
（2）隨機(jī)選取[1,T-1]中的整數(shù)d作為私鑰，計(jì)算點(diǎn)Q=dG；
（3）公開(kāi)公鑰[E(Fp),G,T,Q]。
三、混合圖元加、解密過(guò)程
1、混合圖元加密過(guò)程
加密過(guò)程由Alice完成，其步驟為：
（1）Alice獲知Bob公鑰；
（2）如果是字符文稿，應(yīng)將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)M×N的數(shù)字圖像。然后選取K（K≥1）幅偽圖像；
（3）把幅圖像分別分割為幅圖元，構(gòu)成一個(gè)真圖元集和一個(gè)偽圖元集。其中m∈{1,2...M}，n∈{1,2..N}。依據(jù)映射f，為每幅圖元產(chǎn)生1個(gè)小于P，且具有唯一性的隨機(jī)正整數(shù)。令A(yù)1'為真圖元集對(duì)應(yīng)的數(shù)字矩陣.
（4）混合真、偽圖元集，獲得混合圖元集；
（5）依據(jù)Bob公鑰，計(jì)算出點(diǎn)和點(diǎn)c1(x1,y1)=uG，c2(x2,y2)=uQ。
（6）將密文[C1,c1]和混合圖元集傳送給Bob。
2、混合圖元解密過(guò)程
解密過(guò)程由Bob完成，Bob收到Alice的密文[C1,c1]和混合圖元集后，解密步驟為：
（1）用私鑰計(jì)算：c2(x2,y2)=dC1恢復(fù)出明文數(shù)據(jù)Aij。如此反復(fù)，直到恢復(fù)出的全部明文A1"；
（2）依據(jù)A1"，從混合圖元集中提取出真圖元集，并對(duì)其組合恢復(fù)出真圖像。
四、混合圖元加密效率
圖元粒度決定創(chuàng)建真圖元的數(shù)目，即ECC的文件加密量。偽圖像幅數(shù)和圖元粒度決定創(chuàng)建混合圖元的數(shù)目。ECC密鑰長(zhǎng)度決定著一次ECC加密點(diǎn)乘的運(yùn)算量。當(dāng)偽圖像越多和圖元粒度越小時(shí)，圖像分割時(shí)創(chuàng)建的真圖元和混合圖元越多，ECC的文件加密量越大，耗時(shí)越長(zhǎng)；當(dāng)ECC密鑰越長(zhǎng)時(shí)，一次ECC加密點(diǎn)乘的運(yùn)算量越大，耗時(shí)越長(zhǎng)。因此，圖元粒度、偽圖像幅數(shù)和ECC密鑰長(zhǎng)度是影響混合圖元加密算法加密效率的重要因素。
五、混合圖元加密安全性
1、現(xiàn)有加密系統(tǒng)安全性
（1）傳統(tǒng)密碼體制：
DES或AES等傳統(tǒng)密碼體制，從理論上講均可用于數(shù)字圖像加密，但由于圖像數(shù)據(jù)量龐大，使得運(yùn)算量增加，且需要將二維的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成一維的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流。因此，加密效率難以得到保證。
（2）混沌系統(tǒng)：
低維混沌加密系統(tǒng)不具有很高的安全性。雖然高維或超級(jí)混沌加密系統(tǒng)比低階混沌加密系統(tǒng)具有更高的保密性。但會(huì)使電路變得復(fù)雜，且高維混沌加密系統(tǒng)同步的魯棒性和抗噪聲能力較差，在實(shí)際應(yīng)用中受到很大限制。
（3）ECC：
ECC具有安全性能高和密鑰短等優(yōu)勢(shì)，研究結(jié)果表明，長(zhǎng)度為160bit和210bit的橢圓曲線密鑰所具有的安全性，分別相當(dāng)于RSA中1024bit和2048bit的密鑰所具有的安全性。目前尚未見(jiàn)到針對(duì)ECC的有效破譯方法。但以單幅圖像作為加密對(duì)象時(shí)，若不添加偽圖元，采用基于ECC的塊圖元加密算法，其安全性不高。
2、混合圖元加密安全性
（1）針對(duì)圖元組合窮搜攻擊算法
圖元粒度決定著真圖元的數(shù)目。圖元粒度和偽圖像幅數(shù)決定著混合圖元的數(shù)目。真圖元和混合圖元數(shù)目越多，圖元組合窮搜攻擊算法窮舉次數(shù)越多，耗時(shí)越長(zhǎng)，系統(tǒng)越安全。
（2）針對(duì)圖元文件名ECC攻擊算法
利用網(wǎng)絡(luò)資源，國(guó)際上已解決Certicom公司給出的密鑰長(zhǎng)度為109bit的橢圓離散對(duì)數(shù)問(wèn)題挑戰(zhàn)，這已是目前最好的結(jié)果，其所用資源如下表所示（2-108表示特征為2、密鑰長(zhǎng)度為108bit且是koblitz曲線；p-109表示密鑰長(zhǎng)度為109bit的素?cái)?shù)；2-109表示特征為2、密鑰長(zhǎng)度為109bit）。
針對(duì)圖元文件名ECC攻擊算法，顯然ECC密鑰長(zhǎng)度越長(zhǎng)，系統(tǒng)越安全。
小知識(shí)之ECC:
ECC是“Error Correcting Code”的簡(jiǎn)寫(xiě)，中文名稱是“錯(cuò)誤檢查和糾正”。ECC是一種能夠?qū)崿F(xiàn)“錯(cuò)誤檢查和糾正”的技術(shù)，ECC內(nèi)存就是應(yīng)用了這種技術(shù)的內(nèi)存，一般多應(yīng)用在服務(wù)器及圖形工作站上，這將使整個(gè)電腦系統(tǒng)在工作時(shí)更趨于安全穩(wěn)定。
