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基于DCT系数置乱和分解的JPEG加密图像安全性能分析

张红丽  
【摘要】:科技进步推动了信息技术的快速发展,图像因为易于获取、内容直观、传递的信息量大等优点,成为了信息存储和传递最常用的方式。图像在公开网络传输过程中,有可能会被第三方获取,造成信息泄露。图像加密可以有效地保护图像内容,防止隐私信息被无授权用户窃取。在实际应用中,为了节省空间、提高传输效率,一般对图像进行压缩处理后再存储和传输。JPEG图像编码因其良好的压缩性能和视觉效果,被广泛应用于图像压缩。在此基础上,学者们提出了大量JPEG图像加密算法。为了最大程度保留JPEG图像编码优良的压缩性能,合理的JPEG图像加密算法不仅要保证加密算法的安全性,同时还要保证压缩率。为了提高加密算法安全性,需要对已存在的加密算法进行各种性能评估,特别是进行安全性能分析,找出缺陷,以便改进。本文首先介绍了多种传统的JPEG图像加密算法,并分析出传统的块内加密存在不改变块中非零系数数量的缺陷。然后对一种新型JPEG图像加密算法进行安全性分析,发现其存在的安全问题。通过理论分析和实验模拟,在不需要密钥的情况下恢复出原始明文图像的马赛克图像。最后在非零量化DCT系数数量细微改变不影响图像的基本视觉信息的前提下,深入探究能掩饰图像基本信息的非零系数数量变动量。并在此基础上,设计出一种JPEG图像加密方案的评估标准,该标准利用明文与密文图像在DCT域对应位置区块内非零系数数量差值来构造二维差值矩阵,并计算差值矩阵中元素与原始明文图像所有量化DCT矩阵中非零系数数量的最大值的比值,通过比值之和除以图像的大小得到的归一化结果来描述明文与密文图像的偏差,判断加密方法的性能好坏。该方法的评估值有效的反映出非零系数数量改变量与加密效果之间的关系。


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