毕业设计(论文 )基于二维Arnold变换非等长数字图像置乱算法研究.doc
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1、摘 要随着网络技术的发展,越来越多的图像信息在网络中传输,使得图像信息的安全性尤为重要。保障图像信息安全性最常用的方法就是图像置乱,图像置乱有许多置乱算法,Arnold变换因其简单而广为使用。现在对于Arnold变换通常应用于正方形图像置乱的研究。而对于高宽不等的矩形图像,现有的方法是将Arnold变换推广后对高宽满足一定条件的图像进行置乱,但它不适用于所有高宽不等的图像;另一种方法是将矩形图像按长边扩充为正方形图像后用Arnold变换进行置乱,但该算法改变了图像的属性。针对现有算法存在的问题提出了一种新颖的方法,该方法采用划分的方式使得非等长图像可应用Arnold变换进行图像置乱。对非等长图
2、像只需根据高与宽计算出划分时的重合区域,按短边为边长对非等长图像划分为几个正方形图像,然后对每个正方形图像依次运用Arnold变换进行置乱。置乱后的图像从反方向依次对划分的正方形图像运用Arnold反变换将图像恢复。最后,在MATLAB下对算法进行了仿真实验。实验结果表明,该算法具有很好的置乱效果,同时该算法可广泛应用于非等长图像的置乱变换过程。关键词:数字图像;图像置乱;Arnold变换;非等长图像ABSTRACTWith the development of network technology, more and more image information is transmitted
3、 in the Internet, which makes the security of image information particularly important. The most common method to ensure the security of image information is image scrambling. There are many hashing algorithms, of which Arnold transform is widely used for its simplicity. Now Arnold transform is appl
4、ied in the study of image scrambling of square. For the rectangular images with different height and width, the current approach is to scramble images which meet the required height and width. But it does not apply to all images especially with different height and width. Another method is to expand
5、 rectangular images to square by lengthen the edge. Then using Arnold transform to scramble the square image. But this hashing algorithm has changed the attribute of the image. Due to the problems existing in the current algorithm, a novel method has been put forward, which applies a way of dividing
6、 tubes to make images use Arnold transform. For those images with different length, we only need to calculate superposition region, and then use Arnold transform to scramble each square image. The scrambled image should be restored by using reverse Arnold transform from reverse direction. In the end
7、, the author carried out simulation experiment under MATLAB. The results show that this algorithm has very good effect on scrambling. At the same time, it can be widely used in the process of scrambling transformation of images with different lengths.Key words: Digital Image; Image Scrambling; Arnol
8、d Transformation; The Tubes image目 录第0章 引 言10.1 图像置乱技术概述10.1.1 图像置乱以及图像置乱技术10.1.2 图像置乱技术的应用10.1.3 图像置乱的意义20.2 本文的研究意义及结构30.2.1 本文的研究意义30.2.2 本论文的结构安排3第1章 基于二维ARNOLD变换的非等长数字图像置乱算法41.1 二维Arnold变换41.2 现有算法41.2.1 算法一:基于扩充图像的方法41.2.2 算法二:基于二维Arnold变换推广式的方法51.2.2.1 二维Arnold变换的推广51.2.2.2 推广式的周期存在性问题51.3 现有
9、算法中的不足61.4 基于区域划分方法的非等长数字图像置乱61.4.1 划分算法61.4.2 置乱恢复8第2章 仿真实验112.1 算法的有效性实验112.2 置乱恢复实验112.3 算法安全性实验122.4 与现有算法一比较实验12第3章 结束语14参考文献15谢 辞16附 录17第0章 引 言0.1 图像置乱技术概述0.1.1 图像置乱以及图像置乱技术 图像是人类描述客观世界的最有效的手段之一,凡是记录在纸上的,拍摄在照片上的,显示在屏幕上的所有具有视觉效果的画面都可以称之为图像。数字图像可以用一个矩阵来表示,矩阵的元素所在的行和列,就是图像显示在计算机屏幕上各像素点的坐标,元素的数值就是
10、该像素的灰度值。图像置乱,顾名思义,就是把图像打乱,从而隐藏原始图像的真实内容。对于数字化的图像,置乱过程不仅可以在数字图像的空间域(色彩空间、位置空间)上进行,而且可以在数字图像的频域上进行。数字图像位置空间上的置乱就是几何变换,即只改变像素的几何位置,而不改变像素的灰度值,因此图像置乱一次的效果取决于几何变换作用的范围大小。对于数字化的图像置乱过程不仅可以在数字图像的空间域(色彩空间、位置空间)上进行,还可以在数字图像的频域上进行。数字图像置乱即是对数字图像的一种加密方法,它使得合法使用者可以自由控制算法的选择、参数的选择以及使用随机数技术,这就加大了攻击者非法破译的难度。空间域的图像置乱
11、是利用某种算法将一幅图像各像素的次序打乱,但像素的总个数不变,直方图不变,使一幅图像变得“面目全非”。数字图像置乱技术,可以看作数字图像加密的一种途径,也就是改变图像中像素的位置或者像素的颜色,将原始图像变换成一个无内容、无纹理、无形状的杂乱无章的新图像的过程。0.1.2 图像置乱技术的应用随着网络技术和多媒体的飞速发展,数字图像信息作为一种重要的资料,被广泛地在网络上传播。人们通过这种新的媒体互相传递信息,简单快捷,但随之而来的是这些信息的安全隐患,越来越多的图像信息被泄露、纂改和假冒,给个人隐私、公司利益,甚至国家安全都带来了重大的威胁。对数字图像的安全性这个领域的主要研究方向有数字图像置
12、乱技术、数字图像分存技术、数字图像隐藏技术和数字水印技术。因此,网络信息加密成为首要研究的问题,而保障图像信息安全最常用、最直接的方法就是加密当前对图形的加密所采用的方法主要是对图像像素点位置进行置乱,或对图像像数值进行置混,或将置乱和置混结合起来。0.1.3 图像置乱的意义数字图像信息安全是数学、密码学、信息论、计算机视觉以及其它计算机应用技术的多学科交叉的研究课题。数字图像置乱作为图像信息加密的一种方法或图像信息隐藏的预处理手段,越来越受到关注,它起源于早期的经典加密学理论和电视图像应用技术。经典密码学对一维数据流提了较好的加密算法,但对数字图像的处理却不能忽视其固有的一些特殊性质,如二维
13、的自相似性、相关性等。图像是含有大量信息的信息载体,且包含大量的冗余信息,作为直观的信息表达方式,具有很大的迷惑性。如果我们对数字化图像做一些“扰乱”,得到一幅完全杂乱无章、面目全非的图像,那么即使非法截获者注意到它,如果不知道如何恢复,对它也无能为力,这在一定程度上增强了图像的安全性。置乱技术就是这样一项研究课题,它从一维的单表密码扩展而来,应用到二维图像平面、甚至三维图像色彩空间中,扰乱图像的组成部分,破坏图像的自相关性,使其所要表达的真实信息无法直观地得到,即使计算机用“穷举法”计算各种组合,也要耗费大量的时间,在一定程度上保护了图像信息。通过置乱数字图像可以达到两个目的:第一是加密处理
14、,图像置乱变换是一种基于内容的图像加密方法,就像不知道加密密钥对加密过的信息进行解密一样,如果不知道置乱所采用的算法,同样难以恢复原始图像;第二是作为信息隐藏的预处理手段可以增强图像伪装的鲁棒性,首先,将图像置乱后,将得到一幅杂乱无章的图像,这样的图像无内容、无纹理、无形状,从中无法读取有意义的信息,那么,将这样一幅图像嵌入到另一幅普通图像时就不容易引起那幅图像在内容、纹理、形状上的太大改变,甚至不会发生改变,这样人眼就不易识别,从而逃出了第三方的视线;其次,由于秘密图像是置乱后的图像,根据上述图像的“三无”特征,第三方难以对其进行内容、纹理、形状等的统计分析,即便他们截取到了秘密图像,也是无
15、能为力的。如果第三者企图对秘密图像进行反置乱,这也是非常困难的,由于图像置乱有很多种方法,每种方法又可以使用不同置乱模板算法,设置不同的参数,使用者有很大的自由度,他可以根据自己的想法得到不同的结果。相反,这给企图截获秘密信息的第三方带来了很大的困难,使他们需要耗费巨大的计算量来穷举测试各种可能性;最后,如果第三方反置乱不成,在隐蔽载体上作了恶意修改,合法接收者在对接受到的秘密图像进行反置乱的过程中,就使得第三方在图像上所涂、画的信息被分散到画面的各个地方,从而形成了点状的随机噪声,不会对视觉效果造成较大的影响。0.2 本文的研究意义及结构0.2.1 本文的研究意义其中Arnold变换算法简单
16、且置乱效果好而在图像中应用最广泛。目前Arnold 变换的研究主要集中在正方形图像置乱的方面,针对非正方形的置乱尚很少。目前已有的方法要么将非正方形图像扩展为正方形图像后应用Arnold 变换,要么将Arnold 变换推广针对非高宽比例满足一定条件的图像进行置乱。本文提出了一种Arnold 变换应用于非等长图像置乱的方法,该方法在不改变图像形状的条件下对任意高宽比例的长方形图像应用Arnold 变换进行置乱过程,扩展了2维图像置乱变换在非等长图像上的应用。0.2.2 本论文的结构安排本文的主要结构包括三个方面,第一部分:介绍了Arnold变换公式,及其置乱过程。其次,阐述了Arnold变换公式
17、不能直接用于非等长图像的原因。第二部分,介绍了现有算法并分析了现有算法存在的问题。第三部分,提出了给予划分思想的非等长图像的Arnold 变换置乱方法,并对其置乱恢复所需的反变换算法进行了阐述。第四部分:给出了实验仿真结果。对本文所提出的划分思想及划分公式进行了验证。第1章 基于二维Arnold变换的非等长数字图像置乱算法1.1 二维Arnold变换二维Arnold变换也就是通常所说的Arnold变换,俗称“猫脸变换”,它是V.I Arnold提出的。定义1 设图像矩阵大小为,像素坐标为且.若映射为满足式(1),则成为二维等长Arnold变换,简称Arnold变换。 (1)称为Arnold变换
18、矩阵,为数字图像矩阵的阶。将Arnold变换应用在数字图像上,可以通过像素坐标的改变而改变图像灰度值的布局,把数字图像看作一个矩阵,则经Arnold变换变换后的图像会变得“混乱不堪”,这就是图像置乱的概念。1.2 现有算法对于二维Arnold变换非正方形图像现在只有两种算法。算法一将非等长图像扩展为正方形图像,算法二是将Arnold变换推广后,找到一种高宽满足一定条件的非等长图像可运用Arnold变换进行图像置乱处理。1.2.1 算法一:基于扩充图像的方法一般地,Arnold变换都是对正方形图像进行处理。对于非等长图像,由于长度和宽度不相等,分别对长度和宽度的模运算就不一样了,所以在此处Arn
19、old变换就不再是一一映射。因此,孔涛在文献8中提出把矩形图像转化为正方形图像,其基本思想是:把原来的矩形图像扩充成正方形图像,然后再用Arnold变换进行图像置乱。如果长度大于宽度,则按长度的大小扩充成正方形图像;如果宽度大于长度,则按宽度大小扩充成正方形图像,见图1.1。 图1.11.2.2 算法二:基于二维Arnold变换推广式的方法1.2.2.1 二维Arnold变换的推广李永逵,冯乔生等人在文献10中将二维等长Arnold变换推广以适用非等长图像。定义2 设图像矩阵大小为,像素坐标为,且,。若映射为满足式(2),则称为二维非等长图像置乱变换。 (2)1.2.2.2 推广式的周期存在性
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