一種基于MATLAB的圖片加密技術(shù)驗(yàn)證

張佳永

（蘇州市職業(yè)大學(xué)，江蘇蘇州，215000）

0 引言

隨著工業(yè)4.0技術(shù)的發(fā)展，圖像識(shí)別和圖像加密技術(shù)越來越多的應(yīng)用于現(xiàn)代的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景。

人工智能(AI)、大數(shù)據(jù)、3D成像和機(jī)器人過程自動(dòng)化等領(lǐng)域在過去的幾年內(nèi)取得了空前的發(fā)展。越來越多的工業(yè)、民用設(shè)備與圖像識(shí)別，機(jī)器視覺領(lǐng)域息息相關(guān)。在圖像識(shí)別領(lǐng)域中，圖像加密處理是我們必不可少的重要組成部分?，F(xiàn)有的圖像加密方式有很多種，如AES算法加密本，混沌序列圖像加密技術(shù)等，本文設(shè)計(jì)驗(yàn)證了一種基于MATLAB的維納濾波加密解決方案，具有加密方式簡(jiǎn)單，加密恢復(fù)度高的特點(diǎn)，可以適用于簡(jiǎn)單的圖片加密場(chǎng)景。

1 圖像加密研究的意義

隨著信息時(shí)代的接近，第四次科技革命將人工智能、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)帶入我們的生活，互聯(lián)網(wǎng)滲透到我們生活的方方面面。大到各種國(guó)家政策，小到各種娛樂新聞。作為一個(gè)信息中心，互聯(lián)網(wǎng)給我們的生活帶來了各種便利，但是隨之而來的信息安全問題確往往被人們忽視。當(dāng)今社會(huì)隨著人們生活品質(zhì)的提高，許多人有著自拍的習(xí)慣，喜歡把圖片上傳到網(wǎng)絡(luò)，但是往往安全意識(shí)缺乏，很容易被他人盜用，甚至用作不法用途。

信息社會(huì)的進(jìn)步迫切需要通過技術(shù)手段加強(qiáng)個(gè)人隱私的保護(hù)，圖像加密技術(shù)很好的滿足了人們的需求，在不破壞圖片的前提下，基本保存了圖片的原始信息，以備不時(shí)之需，就算不法分子通過非法手段獲取圖片，也無法還原真實(shí)圖片，最大限度的保護(hù)了我們的個(gè)人隱私。

圖片加密研究可以應(yīng)用于多種情況?？梢杂糜谖覀兿⑾⑾嚓P(guān)的日常生活領(lǐng)域，有時(shí)候需要保存一些資料。也可以與我們工作相關(guān)的領(lǐng)域，比如客戶信息，競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手公司的產(chǎn)品信息，招投標(biāo)文件等公司需要保密的信息。甚至在軍事方面，一些機(jī)密資料的保存，武器信息的保管，都需要用到圖像加密技術(shù)。

這也對(duì)我們的圖像加密工作提出了越來越高的要求，既要保證加密的安全，也會(huì)涉及到加密操作的可行性，解密工作的復(fù)雜性等工作。如何在保證加密質(zhì)量的同時(shí)，又能很好的運(yùn)用于相關(guān)的涉及領(lǐng)域，也是加密研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

2 圖像加密研究的現(xiàn)狀

■2.1 硬件工具加密

硬件加密工具包括加密U盤、加密狗、加密芯片等。許多硬件加密工具內(nèi)部往往事先安裝了加密軟件，比如bitlocker就可以在U盤、移動(dòng)硬盤內(nèi)部提前安裝。這些都是我們生活中可以遇到的加密手段，真正的純硬件加密相對(duì)比較復(fù)雜，往往有著其內(nèi)部復(fù)雜的電子、機(jī)械設(shè)計(jì)，在這里不做詳述。

■2.2 輔助軟件加密

圖片最簡(jiǎn)單的加密方式就是修改圖片的后綴名，比如改成.txt文件，這樣的話打開就會(huì)是亂碼的形式?；蛘咴趙indows系統(tǒng)中設(shè)置隱藏文件夾，這也是一種加密方法。

輔助軟件加密可以通過WinRAR軟件，給我們想要加密的圖片文檔壓縮并給予密碼，其實(shí)也是一種算法加密，但是使用的是winrar的內(nèi)部算法。此外輔助加密軟件還有bitlocker、Veracrypt、360密盤等等，很好的保護(hù)了我們的硬盤。

■2.3 加密算法研究現(xiàn)狀

軟件加密的核心是軟件加密算法，主流的加密算法有基于自適應(yīng)和混沌理論的圖像加密方法、基于混合混沌和獨(dú)立分量的加密方法、采用映射加密、AES算法加密、傅里葉變換加密、ECC算法加密等。每一種加密方法都有著其特點(diǎn)。比如AES算法應(yīng)用于我們的wifi密碼加密。RSA算法則使用公鑰和私鑰，加大了密碼破解的難度，廣泛應(yīng)用于各種電子商務(wù)系統(tǒng)。算法加密研究可以說永無止境，就像人們對(duì)于知識(shí)的探索，是一個(gè)百家爭(zhēng)鳴，百花齊放的領(lǐng)域。圖像加密是軟件加密研究中的一個(gè)子類，它涉及算法加密，與之相對(duì)應(yīng)的研究領(lǐng)域是算法解密領(lǐng)域，兩者相互依存，互相影響。

3 維納濾波原理簡(jiǎn)介

維納濾波由數(shù)學(xué)家維納提出，是一種線性濾波理論，維納濾波發(fā)源于二戰(zhàn)時(shí)期，用來解決對(duì)空設(shè)計(jì)時(shí)的炮火的目標(biāo)瞄準(zhǔn)工作。數(shù)字信號(hào)處理中從被污染的信號(hào)中過濾出原始信號(hào)被稱為濾波，維納濾波的作用在于過濾掉噪聲信號(hào)，同時(shí)盡可能保證原始信號(hào)波形不失真。維納濾波的前提是假設(shè)線性濾波器的輸入為有用信號(hào)和噪聲的加權(quán)和且兩者都是廣義平穩(wěn)過程。維納濾波最初的設(shè)計(jì)作用是在觀測(cè)到的信號(hào)中將原始信號(hào)X(t)和噪聲信號(hào)n(t)分離。用數(shù)學(xué)公式可以表達(dá)為觀測(cè)信號(hào)s(t)=x(t)+n(t)。

維納濾波使用的前提是噪聲為加性，噪聲和信號(hào)相互獨(dú)立。這種使用前提決定了維納濾波適用場(chǎng)景，并不適用于乘性噪聲。假設(shè)s(t)經(jīng)過維納濾波后輸出信號(hào)為s～(t)。維納濾波的作用就是使得輸出信號(hào)s～(t)盡可能接近原始信號(hào)x(t)。數(shù)學(xué)表達(dá)式為兩者的均方差E{[s～(t)-x(t)]2}最小化。

維納濾波從過去的觀測(cè)數(shù)據(jù)、當(dāng)前的觀測(cè)數(shù)據(jù)推斷出信號(hào)當(dāng)前值，由此可見維納濾波器是一種估計(jì)濾波器、線性濾波器。在下面的實(shí)驗(yàn)中，維納濾波的線性濾波特點(diǎn)正好可以用來解決我們的運(yùn)動(dòng)模糊線性失真問題。維納濾波器估計(jì)濾波器的特點(diǎn)也使得解密圖像只能基本接近于原始圖像，但是不能完全還原真實(shí)圖像。

4 MATLAB加密解密實(shí)現(xiàn)

■4.1 軟件優(yōu)勢(shì)

MATLAB在圖像處理領(lǐng)域廣泛運(yùn)用，具有一席之地。系統(tǒng)整體嚴(yán)謹(jǐn)、功能強(qiáng)大、內(nèi)部算法函數(shù)豐富、豐富等優(yōu)勢(shì)，自帶工具箱內(nèi)集成工具豐富。包括眾多經(jīng)典圖像處理方法。編程語言簡(jiǎn)潔明了優(yōu)勢(shì)明顯，自帶的仿真功能更是其一大亮點(diǎn)，讓我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中只需要一臺(tái)電腦就可以輕松處理工程任務(wù)，廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、航天工業(yè)、汽車儀表、金融分析等領(lǐng)域。

本文使用MATLAB作為加密、解密軟件工具。

■4.2 運(yùn)動(dòng)模糊加密

首先我們要對(duì)原始圖片進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模糊處理，在MATLAB中圖片運(yùn)動(dòng)模糊通過fspecial和imfilter函數(shù)完成。Fspecial獲得運(yùn)動(dòng)模糊參數(shù)，這里使用兩個(gè)加密變量LEN和THETA，在函數(shù)處理時(shí)分別表示偏移位置、逆時(shí)針偏移角度，最后得出PSF作為中間密匙。這里的motion既代表運(yùn)動(dòng)模糊處理。代碼如下：

最后通過imfilter函數(shù)完成對(duì)圖像的運(yùn)動(dòng)模糊處理。具體代碼如下。

原始圖片如圖（1）所示。

圖1

運(yùn)動(dòng)模糊加密后如圖2所示,可以看到文字信息都已經(jīng)無法顯示，這樣就隱藏了我們的真實(shí)想要保存的圖片內(nèi)容。

圖2

■4.3 維納濾波解密

MATLAB中的維納濾波可以通過deconvwnr函數(shù)完成，輸入密匙和原始圖片，就可以得到解密后的函數(shù)，具體代碼如下。先用iread函數(shù)讀取目標(biāo)解密圖片，然后輸入密匙LEN、THETA得到中間密匙PSF，最后帶入維納濾波函數(shù)deconvwnr得到最終解密圖片并顯示，代碼如下。

將解密后的圖片用picture顯示后如圖3所示。

圖3

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用MATLAB中的畫圖函數(shù)對(duì)相關(guān)圖片進(jìn)行了顯示，其中原始圖像為左1，加密后圖像為左2，解密圖像為右1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)結(jié)果觀測(cè)，原始圖像為3264×2448像素點(diǎn)，解密圖像素?cái)?shù)量保持不變。該方法較好的對(duì)原有圖像的關(guān)鍵信息進(jìn)行了模糊處理，可以起到隱藏加密信息的作用。適合保存銀行卡密碼、客戶信息、秘密地圖、等使用者希望保存但又不想被他人竊取的重要信息。使得我們的信息安全更加富有保障。

圖4

6 二次加密和密碼破解

加密系統(tǒng)采用二維密匙，分別為L(zhǎng)EN長(zhǎng)度密匙，Thera角度密匙，這兩個(gè)密匙組合在一起構(gòu)成我們的密匙，只有當(dāng)維納濾波的參數(shù)為相應(yīng)的LEN或者Thera時(shí)，才能夠正確的解密我們的原始圖像。二維密匙可以有很多種組合，這在需要加密物品不是很多的情況下，我們可以保證一物一密，使得安全系數(shù)更高。我們也可以將密匙變換成其他數(shù)字和角度。這樣即使信息被不法分子竊取，在不知道我們密匙和加密方法的情況下，不發(fā)分子很難通過其他方式破解我們的真實(shí)信息。我們也可以通過二次加密，讓我們的密碼更難被破解。

假設(shè)1當(dāng)其他人竊取了我們的二維密匙，為了使得我們的加密更加安全，我們可以采用二次加密的方法。比如原始密匙為（x，y）,其中x=20，Y =15。二次加密后的密匙為（0.5*X，3*Y），即二次加密后密匙為（10，45），這樣單純使用二次加密的結(jié)果將無法還原我們的真實(shí)數(shù)據(jù)，只有用戶知道我們二次加密的方法，才能還原出我們的原始密碼，可以針對(duì)不同用戶，設(shè)置不同的二次加密方法，這大大增強(qiáng)了我們密匙的安全性，做到一密一戶。

假設(shè)2當(dāng)他人知道我們的加密方式的情況下。這種情況十分危險(xiǎn)，他人可以采用窮舉法，借助計(jì)算機(jī)將我們的二維密匙暴力破解。所以此種加密方法對(duì)于加密方式的保密也十分重要，也存在改進(jìn)和提高的空間。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明這種采用MATLAB的加密方式可以達(dá)到我們的預(yù)期效果，也存在優(yōu)化和二次加密的空間，是一種較為便捷的加密方式，適用民用生活和普通級(jí)別工業(yè)領(lǐng)域，具有一定的實(shí)用意義。