混沌理論應用于數(shù)字檔案圖像安全探析

王玲

摘 要 ?本文從檔案圖像安全的研究背景入手，對國內(nèi)外檔案圖像的安全進行現(xiàn)狀分析，說明了數(shù)字檔案圖像信息安全的重要性。簡要介紹幾種當前數(shù)字檔案圖像的加密方法，提出基于混沌理論的數(shù)字檔案圖像加密方法，從加密結構、模型建立和糾錯機制三個方面進行簡要分析，闡述混沌理論如何實現(xiàn)對數(shù)字檔案圖像的保護。

關鍵詞?混沌理論 數(shù)字檔案圖像 信息安全

檔案，是人類歷史文明的產(chǎn)物與財富，實現(xiàn)檔案的開放利用與安全保障，是檔案工作的基石與使命，是對歷史文化的傳承與開發(fā)。隨著計算機網(wǎng)絡技術發(fā)展的深入，使得檔案信息化發(fā)展加快，檔案行業(yè)也對計算機網(wǎng)絡及其系統(tǒng)的依賴性不斷增強。計算機網(wǎng)絡技術在檔案信息化中扮演著重要的角色，由于網(wǎng)絡具有很強的開放性，會給檔案圖像和信息系統(tǒng)帶來許多不確定的安全隱患，所以研究數(shù)字檔案圖像安全保障體系，對于確保我國數(shù)字檔案信息安全、數(shù)字檔案信息完整存儲和安全利用具有十分重要的作用，對我國數(shù)字檔案事業(yè)的順利進行具有重大的推動作用。

一、數(shù)字檔案圖像安全的研究背景

隨著數(shù)字技術以及計算機網(wǎng)絡的快速發(fā)展，數(shù)字圖像[1]成為信息表達和傳遞的主要方式之一，被越來越多地應用到政治、經(jīng)濟、軍事、教育等各領域，人們可以通過網(wǎng)絡便捷地傳輸各種圖像信息。然而，由于數(shù)字信息極易被復制、篡改、非法傳播和蓄意攻擊[2]，人們在享受信息快捷便利的同時，也對信息傳輸?shù)陌踩院捅Ｃ苄蕴岢隽烁叩囊螅绕湓谡?、?jīng)濟、軍事等敏感場合對保密性和安全性的要求更激勵了人們對圖像信息安全的研究。而檔案圖像是由于其特殊屬性，往往比一般的數(shù)字圖像包含更多信息，其重要性也更加突出。

國外關注此課題研究的時間較早，因此也很早就開始采取相應措施來應對檔案圖像面臨的風險威脅，重視程度也超過我國，比較典型的兩個國家是美國和加拿大。他們在研究應對策略的同時，也制定了詳細的法律法規(guī)作為依據(jù)，并且采取了較全面的安全措施來實施保護，方法值得我國學習。美國最早提出保護數(shù)字檔案信息安全的觀點，他們不僅建立了專門管理機構，還將此觀點加入到美國的數(shù)字檔案信息安全保障體系中，也制定了十分完善的管理機制，檔案信息的數(shù)字化進程已經(jīng)步入一個嶄新階段。

我國對于檔案圖像安全保障相關課題研究比國外晚，開始關注數(shù)字檔案信息安全是在20世紀90年代末，一直到2002年才開始對檔案圖像信息進行更深層次的研究并且逐步完善其具體內(nèi)容。國內(nèi)研究人員提出數(shù)字檔案圖像[3]安全要進行全面、多角度考慮，不僅要考慮到國家安危，也要涉及每一個檔案機構，要從計算機相關技術和信息安全管理兩方面來對未知的安全隱患進行預防，而且要在法律、標準、管理、技術和人才等方面將理論和技術相結合，雙管齊下來應對數(shù)字檔案圖像面臨的各種風險[4]。

二、數(shù)字檔案圖像的加密方法

數(shù)字檔案圖像具有嚴謹性、歷史性和通用性，互聯(lián)網(wǎng)在生活中普及的同時，也便利了犯罪分子利用互聯(lián)網(wǎng)獲取未經(jīng)授權的圖像，因此圖像所有者需要可靠的圖像加密方法來保護他們的利益。圖像加密方法主要包括基于壓縮技術、基于DNA計算技術、基于數(shù)學公式或變換、基于混沌技術等方法。

基于壓縮的遙感圖像加密方法是一種復雜的、多維度、有效的加密方法。Li[5]利用壓縮感知、哈希函數(shù)、Arnold置亂和混沌置亂構造了一個數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用壓縮感知對多個不同維度的信號進行加密，解決了自適應問題。劉艷等[6]提出了一種基于多模光纖散斑的壓縮感知結合雙隨機相位編碼的圖像加密方法。

基于DNA計算的圖像加密方法是近年來隨著DNA計算的發(fā)展而出現(xiàn)的一種新的加密方法。Wu[7]構造了一個基于DNA編碼和兩個低維混沌系統(tǒng)的彩色圖像密碼系統(tǒng)，利用DNA規(guī)則將DNA矩陣轉(zhuǎn)換成加密圖像。郭永寧等[8]提出了一種基于2D-SIMM混沌映射和DNA編碼的圖像加密方法。Liu[9]提出了一種基于動態(tài)DNA和4-D記憶超混沌的彩色圖像加密方法，該方法對三組原圖像進行動態(tài)編碼，得到三組DNA矩陣。Liu[10]設計了一種基于DNA堿基概率的圖像加密算法，用于遙感圖像的數(shù)據(jù)保護。Enayatifar[11]提出了一種基于DNA序列和圖像矩陣索引的多圖像加密方法。王宏達等[12]將DNA技術同元胞自動機理論相結合，提出了一種新型的加密方法。

基于各種數(shù)學公式或變換的圖像加密方法受到了研究者的廣泛關注，利用復雜的數(shù)學公式或變換實現(xiàn)對圖像的安全加密，增強了圖像的安全性。Li[13]提出并實現(xiàn)了一種基于改進隨機數(shù)發(fā)生器的多輪圖像加密算法，該算法利用改進的高斯誤差函數(shù)將混沌序列映射到另一個序列，對數(shù)據(jù)進行截斷和重組。Hosseinzadeh[14]設計了一種基于三維混沌系統(tǒng)和choquet模糊積分的圖像加密算法，引入了一種新型的基于正態(tài)分布的三維混合混沌映射，其choquet模糊積分利用b樣條函數(shù)對像素進行置亂和擴散。李穎瑩等[15]提出了一套新的多密鑰加密圖像檢索系統(tǒng)。在這套系統(tǒng)中，研究者應用了局部敏感哈希、安全近鄰及代理重加密技術，同時結合了邊緣計算技術。

基于混沌技術的圖像加密技術，是由于混沌具有非周期性、連續(xù)性、類噪性和對初值敏感依賴性的特性。Diab[16]提出了一種基于動態(tài)順序的算法，該算法在對圖像進行置換時，利用chebyshevo-chebyshev混沌映射對平面圖像信息進行水平和垂直置亂;然后利用修改后的邏輯映射對像素進行擴散。屈雙惠等[17]通過引入離子遷移憶阻器對原Chen系統(tǒng)的狀態(tài)方程進行了變換，提出了一個基于憶阻混沌系統(tǒng)的圖像加密技術。李國東等[18]提出了一種基于改進Logistic混沌映射的圖像加密方法，在這種方法中研究人員將置亂方法與多方向異擴散相結合。莊志本等[19]提出了一種基于五維多環(huán)多翼超混沌系統(tǒng)的數(shù)字圖像加密方法。

三、運用混沌原理應用于數(shù)字檔案圖像安全

研究基于混沌理論的數(shù)字檔案圖像加密方法，首選需要通過大量的對比實驗，確定最優(yōu)的加密結構，根據(jù)加密結構的特點以及檔案圖像的特殊性，建立基于混沌理論的檔案圖像加密模型，最后分析圖像傳遞中誤差可能出現(xiàn)的情況，完善糾錯機制。

1.研究基于混沌理論的檔案圖像最優(yōu)加密結構。首先分析圖像加密算法[20]的關鍵結構，從密鑰的生成、混沌順序及序列的產(chǎn)生、圖像加密過程和圖像解密過程這四個方面進行詳細的解析，并確定密鑰空間大小、混沌順序等一系列加密關鍵結構;接著，研究混沌圖像加密算法[21]中常用的評價指標，例如，衡量密鑰雪崩效應的密鑰敏感性指標、用于測試統(tǒng)計信息的直方圖和相鄰像素相關系數(shù)以及用于衡量算法抗差分攻擊或明文雪崩效應的平均像素變化率和歸一化平均變化強度，并結合實際的例子，對每個指標進行分析;最后，對現(xiàn)有混沌圖像加密的結構進行詳細的比較和分析。對常用的四種操作進行比對實驗，并通過評價指標對各類結構的加密效果進行評價，找出各種操作的利弊。同時，還分析不同輪數(shù)對加密效果的影響，根據(jù)檔案圖像的特點，確定最優(yōu)加密結構。

2.建立基于混沌理論的檔案圖像加密方法：首先，根據(jù)已確定的檔案圖像最優(yōu)加密結構，確定采用的混沌映射。迭代混沌映射產(chǎn)生混沌序列，去除暫態(tài)效應，并將檔案圖像與混沌序列進行編碼。然后，擬將初始密鑰設為16個0—255之間的數(shù)字，并將初始密鑰等分為前后兩個部分，也就是每一部分都是8個0—255之間的數(shù)字。將前半部分的初始密鑰作為一個混沌映射的參數(shù)和初始值。其次，香農(nóng)在其經(jīng)典論文中提出設計密碼系統(tǒng)的兩個基本的原則：置亂和擴散。置亂的目的是使明文和密文的關系盡可能的復雜[22];擴散的目的是使明文統(tǒng)計的冗余度被消耗在密文的統(tǒng)計中，它意味著密文信息應該以一種復雜的形式依賴于明文信息。采用置亂——擴散加密方法，對編碼后的檔案圖像進行加密。最后，將加密后檔案圖像信息進行反編碼，生成加密后的檔案圖像。再對該混沌檔案圖像加密方法的抗干擾能力進行分析，擬分別引入高斯噪聲、泊松噪聲以及椒鹽噪聲干擾加密后的圖像。通過實驗檢驗基于混沌理論的檔案圖像加密方法的抗干擾能力。

3.研究檔案圖像加密方法的糾錯技術：首先，在基于混沌理論的檔案圖像加密方法中，需要用到混沌映射參數(shù)設置、密鑰生成與分配、置亂與擴散[23]等一系列操作，詳細研究每一步操作，并分析誤差產(chǎn)生的機理。其次，總結上述各類誤差產(chǎn)生的機理，并依據(jù)誤差對實驗結果的影響大小，選出影響較大的幾類誤差。根據(jù)誤差的性質(zhì)，結合糾錯碼理論的研究成果，選擇合適的糾錯碼用于混沌檔案圖像加密方法的糾錯，建立基于混沌理論的檔案圖像的糾錯技術。最后，依據(jù)上述的檔案圖像糾錯技術，調(diào)整并改進檔基于混沌理論的檔案圖像加密方法，使得該型具有部分糾錯能力，并及時調(diào)整方法的參數(shù)以及加密結構及過程，確保結果的準確性。

四、數(shù)字檔案圖像信息的安全技術展望

圖像加密作為信息防護的主要手段，在檔案圖像信息[24]的信息保護與完整性認證方面得到了迅猛的發(fā)展。由于數(shù)字檔案圖像信息的數(shù)據(jù)量巨大[25]，且相鄰像素間具有很強的相關性，因此需要更加安全、可靠和實用的檔案圖像加密方法及實現(xiàn)技術，以應對新的挑戰(zhàn)。隨著電子信息安全防護研究的不斷深入，混沌理論以及未來出現(xiàn)的加密方法應用于數(shù)字檔案圖像[26]的加密技術將會得到更加長遠的發(fā)展。

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