全分层图像加密技术和部分图像加密技术的分析和比较

关键词：图像加密，映射加密，部分图像加密，安全性，SCAN算法

1 导言

如今，随着电信和计算机网络数量的快速增长以及多媒体传输量的不断增加，视频内容保护愈加重要。内容访问控制的传统方法是首先使用标准压缩器对数据进行编码，然后使用标准密码对压缩的比特流执行完全加密。在这种称为全分层的方案中，压缩和加密过程是完全脱节的。全分层方案的另一个局限是会更改原始比特流语法。因此，编码方案的许多功能可能会因此失效（例如其可伸缩性）。最近的一些成果中探索了一些保护视频内容的新方法，例如：部分加密或选择性加密，软加密，感知加密等。这些方法通过加密应用于比特流的子集。部分加密的主要目标是减少要加密的数据量，同时达到所需的安全级别。部分加密的另一个功能是保留原始比特流的某些功能（例如，可伸缩性）。本文的其余部分组织如下：在第2节解释了相关工作；第3节中描述了实验成果；第4节中提供了目前工作的摘要。

2 相关工作

2.1 图像加密技术

基于数字签名的图像加密技术：Aloka等人提出了一种用于安全图像传输的图像加密新技术。原始图像的数字签名添加到原始图像的编码版本中。图像编码是通过使用适当的错误控制代码来完成的，例如Bose-Chudhuri Hochquenghem ( BCH )代码。在接收端，图像解密后，可以通过数字签名来验证图像的真实性。

基于SCAN的无损压缩和加密：Maniccam等人提出了一种对二值和灰度图像进行无损压缩和加密的新方法。压缩和加密方案基于SCAN方法生成的SCAN模式。SCAN是一种基于形式语言的二维空间访问方法，可以有效地指定和生成广泛的扫描路径或空间填充曲线。

一种新的图像加密算法：Chin - Chen等人使用一种流行的图像压缩技术——矢量量化来设计一种高效的图像加密系统。该方案基于矢量量化( VQ )、密码学和其他数字定理。在VQ中，图像首先被分解为向量，然后按向量顺序编码向量。之后就可以使用来自商业应用的传统密码系统完成。

2.2 部分图像加密技术

本小节介绍了一些新提出的用于部分图像加密的技术，这些技术在提高算法复杂度的同时，也使得密钥更强。

部分加密算法：Cheng等人提出了适合用两类特定压缩算法压缩图像的部分加密方法：( a )四叉树压缩算法，( b )基于零树的小波压缩算法。

Raster和JPEG图像的选择性加密方法：Droogenbroeck等人提出了对未压缩(栅格)图像和压缩( JPEG )图像的选择性加密方法。根据Droogenbroeck等人的说法，至少应该加密4 - 5个最不重要的位平面，以实现图像令人满意的视觉退化。

选择性位平面加密算法：Podesser等人针对非压缩(栅格)图像提出了一种选择性加密算法，与Droogenbroeck等人的第一种方法截然相反。在由8个位平面组成的光栅图像中，Schmidt和Uhl的算法只加密最重要的位平面。针对该方法提出的底层密码体制为AES。然而，在不失一般性的情况下，可以选择任何快速的传统密码体制来代替。

关于RDF图的部分加密：2005年，Mark等人提出了一种对RDF图进行部分加密的方法。与其他方法不同的是，该结果是一个包含加密数据和纯文本数据的自描述RDF兼容图。该方法允许对RDF图的主题、对象、谓词和子图进行细粒度加密。

基于JBIG的选择性图像加密：2005年，Roman等人利用JBIG分层递进编码方式中分辨率层之间的相互依赖性，提出了对JBIG编码的视觉数据进行选择性加密。与较早的方法相比，这种方案在选择性加密一个比特平面子集时，即使在仅将加密量限制在数据的1 % ~ 2 %的情况下，也能表现出抗攻击能力。在其技术中需要保护的数据量极低也允许使用公钥密码从而简化密钥管理问题。

一种伪随机序列的部分图像加密方法：2006年，Y. V . Subba Rao等提出了使用硬件简单的伪随机序列对图像进行部分加密。根据文献中提供的部分加密方法，在提高处理速度的同时，达到了同样的安全性。该方法的性能主要取决于图像中相关与非相关信息的区分。这里我们将MSB平面作为相关信息来处理。

基于区域的医学图像选择性加密：2007年，Yang等人提出了两种新的基于区域的医学图像选择性加密方案。第一种方案是在小波变换域中随机反演ROI系数的前两个MSB。它可以高效地实现并且只产生很小的压缩效率开销，也可以扩展到其他运动格式。第二个方案，压缩的ROI数据的选择性加密，提供了高水平的安全性，没有文件大小的变化。

多媒体图像的选择性加密：2008年，Nidhi等人提出了一种用于条件访问的小波域选择性加密技术系统。加密只应用于多媒体数据流的一个子集，而不是整个多媒体数据，用以节省计算时间和计算资源。根据加密技术控制通过基于预定义的准则选择加密系数，可以以有效的方式实现透明性和安全性。

表1 全分层加密和不同图像大小的部分图像加密的处理时间

图像大小

完全分层加密使用

SCAN方法(秒)

部分图像加密扫描

映射方法(秒)

457X700

500X446

400x568

434x823

1.230

0.847

0.706

1.333

1.065

0.652

0.521

1.101

表2 用于全层加密的内存使用和用于不同图像的部分图像加密

图像

完全分层加密使用

SCAN方法(字节)

部分图像加密扫描

映射方法(字节)

放射学图像(灰度)

放射学图像(彩色)

咖啡机(灰度)

咖啡机(彩色)

Lena(灰度)

Lena(彩色)

1112004

1224125

4709605

5206807

2406239

2709752

0900112

1004105

4201517

4711302

2009106

2709752

表3 用SCAN方法和部分图像加密SCAN映射方法对灰度图像进行全层加密的结果

图像

百分比

图像相关性

重建图像相关性

放射学图像

Lena

咖啡机

Full

25%

8.5%

2.5%

Full

25%

8.5%

2.5%

Full

25%

8.5%

2.5%

0.0067

0.0575

0.2367

0.1978

0.0023

0.0304

0.0745

0.1987

0.0085

0.0786

0.3456

0.5483

0.999918

0.999952

0.999976

0.999987

0.999998

0.999926

0.999915

0.999968

0.999971

0.999941

0.999986

0.999974

3 结果和讨论

本文以图像处理软件包MATLAB 7.0为引擎，对全分层图像加密和部分图像加密技术进行了图像处理实验。RGB图像被存储在MATLAB中作为一个M-by-N-by-3数据阵列，该阵列定义了每个像素的红、绿和蓝颜色分量。每个像素的颜色由存储在像素位置的每个颜色平面中的红色、绿色和蓝色强度的组合来确定。在全分层加密过程中使用的图像以及在部分图像加密过程中使用的图像和这些实验表明，部分图像加密方法比全分层图像加密给出了更好的结果。使用全分层加密和不同图像大小的部分图像加密的处理时间、用于全层加密的内存使用和用于不同图像的部分图像加密以及用SCAN方法和部分图像加密SCAN映射方法对灰度图像进行全层加密的结果均已在上文给出。

4 结论

本文提出了采用SCAN方法进行全分层图像加密和采用SCAN映射方法进行部分图像加密的组合有效方法。在传统方法中，许多拟议的方案只实现了中等到低级别的安全性，这可能会使应用程序安全性下降，而采用SCAN映射方法的部分图像加密比完全分层图像加密提供了更高的安全性、灵活性、多重性、空间选择性和格式符合性。

外文原文资料信息

[1] 外文原文作者：B.D. P., Soyjaudah K.M.S.

[2] 外文原文所在书名或论文题目：(2012) Analysis and Comparison of Fully Layered Image Encryption Techniques and Partial Image Encryption Techniques.

[3] 外文原文来源：Venugopal K.R., Patnaik L.M. (eds) Wireless Networks and Computational Intelligence. ICIP 2012.

出版社或刊物名称、出版时间或刊号、译文部分所在页码： Communications in Computer and Information Science, vol 292. Springer, Berlin, Heidelberg.

网页地址：https://doi.org/10.1007/978-3-642-31686

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