主流的图像置乱方法

Posted 2023-05-04

参考技术A 一.背景/意义

背景：

图像置乱是信息隐藏技术的一种，图像置乱后图像无法辨认，可以达到对图像信息的隐藏和保护作用，图像置乱的主要目的是将给定的图像经过处理后变成杂乱无章的不可见图像，其中按照图像置乱的特点可以将图像置乱划分为空域置乱，频域置乱和空频域混合置乱，由于其数学原理相近，并没有本质区别，因此在对图像置乱进行分析时，可以只考虑空域上的图像置乱

目前基于骑士巡游变换的置乱算法是目前比较流行的研究方向，在安全性上的性能优于其他算法。

意义：

图像置乱对信息起到了隐藏和保护作用，既可以对信息进行加密传送，也可以作为图像处理的预处理。任何的二进制比特，都可以采用相应的矩阵变换来进行处理，除了对信息的不可感知性和抗攻击功能外，图像置乱预处理的

目前图像置乱的主流应用场景是图像的预处理

二.骑士巡游

在所有的置乱算法中，骑士巡游问题要求骑士在棋盘上使用马步遍历棋盘的格子且每个格子只路过一次，在对图像进行骑士巡游置乱时Niklaus Wirth在1976年的著作中使用了“回溯算法”，其时间复杂度是n的四次方，虽然骑士巡游算法复杂度较高，但是其安全性高，可以应用在保密性要求高的图像隐藏和保护算法中，在对水印图像进行预处理的过程中，水印的保密性要求仅仅要求水印处理后的不可见性。

三.对称加密

四.混沌加密

五.Hilbert置乱

Hilbert置乱是在1890年由意大利数学家皮亚诺和赫尔伯特提出的填满正方形单位的FASS曲线，其中一共存在八种置乱路径，当图像水印大小较为大时，例如16*16时，应用Hilbert置乱的置乱周期较大，置乱效果较好。Hilbert置乱具有较大的置乱周期，增强了图像的安全性，但是由于其在某些置乱次数时重合度较高，且Hilbert算法本身实现较为复杂，在本次算法仿真时不予采用。

六.分块分层

七.仿射变换理论（Arnold置换）

几何仿射变换在图像预处理和图像隐藏应用较为广泛，其变换的基本形式为：

几何仿射变换要求变换是离散点域到其自身的单映射，变换是离散点域到其自身的满映射

诸如Arnold变换的几何仿射变换在图像置乱中具有周期性，设最小周期为T，图像经过周期T处理后回到原图

常见的和几何仿射相似的变换还有排列变换和斐波那契变换等变换，其中排列变换依旧具有周期性，其安全性不高

从对水印进行预处理的角度看，对水印的预处理的时间复杂度不应该太高，保密性也不应当太低。Arnold置换是一个周期固定的变换，进行适当的改进依旧可以让传统的Arnold置换具有较高的保密性和安全性，例如生成随机二进制密钥控制Arnold置乱的参数，可以让图像在进行置换时按照行列进行不同的置换

Arnold置换在进行迭代置乱时，具有较强的纹理特征，这也是Arnold置换的缺点，通过明显的纹理特征可以看出Arnold置换的痕迹

Arnold置换的优点：其置换原理简单，时间复杂度较低，根据柏森【基于信息隐藏的隐蔽通信技术研究】中的结论，几何变换的置乱程度优于斐波那契变换的置乱程度。

八.生命游戏

图像加密基于matlab GUI Arnold置乱图像加密解密含Matlab源码 1239期

一、Arnold置乱图像加密解密简介

0 前言
网络已经成为我们传递信息的主要平台, 为我们提供诸多便捷的同时, 也存在一些安全问题, 特别是一些重要信息的传递.如果在信息传递前先对其进行加密, 能够在一定程度上保护所传递的信息.数字图像作为重要的信息资源在人们的生活中发挥着越来越重要的作用[1], 因此, 数字图像的加密是一项值得研究的重要课题.本文介绍的就是一种基于Arnold变换的图像加解密算法。

1 Arnold变换
将N*N图像上的点 (x, y) 通过如下变换转成 (x′, y′) 如式 (1) , 该变换即称为Arnold变换.通过变换公式可发现, 其变换的本质是点的位置的变换, 并且这种变换保证变换前后的点保持一一对应的关系。

如果将一次变换的输出作为下一次变换的输入, 这就是迭代变换如式 (2) .当一次变换置乱效果不佳时, 往往需要迭代变换获得更好的置乱效果。

2 基于Arnold变换的图像加解密
图像加密也称图像置乱, 是对图像的像素进行混乱和扩散, 使加密后的图像在视觉上无法获得有效信息.空域加密是常用的方法, 分为空域置乱和序列加密.空域置乱是对像素坐标进行变换使其混乱, 解密时恢复原像素坐标.图像的加密既可以作为独立的信息隐藏方法, 也可以用来作为数字水印技术中图像水印的预处理。

加密图像可以是灰度图像也可以是彩色图像, 如果是灰度图像则需要将各点的灰度值带到新的坐标点, 如果是彩色图像则需要将各点的RGB值带到新的坐标点.本文所加密的图像为彩色图像, 因此首先保存原图点 (x, y)