基于Zig-Zag的图像置乱技术研究

1、本科学生毕业论文设计题目(中 文):基于Zig-Zag的图像置乱技术研究(英 文):Scrambling Research of Digital Image Based on Zig-Zag姓 名 学 号 院 系电子工程系专业、年级电子信息工程 级指导教师 湖南科技学院本科毕业论文设计诚信声明本人郑重声明：所呈交的本科毕业论文设计，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要奉献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承当

2、。 本科毕业论文设计作者签名：二 一 三 年 月 日 毕业论文设计任务书课题名称：基于Zig-Zag的图像置乱技术研究学生姓名： 系 别：电子工程系专 业：电子信息工程指导教师： 主题词、关键词： 数字图像置乱 ，Arnold变换，面包师变换，zig-zag变换，置乱周期，置乱度2、毕业论文设计内容要求：学习matlab软件相关知识，掌握根本的matlab编程知识；掌握基于Arnold变换、面包师变换、zig-zag变换数字图像置乱的原理；对zig-zag置乱变换进行改良；对几种图像置乱后的效果进行比照并总结。3、文献查阅指引：主要参考资料：1 邵利平，蒙清照，李春枚，王旭.图像置乱方法综述J

3、.西安交通大学电子与信息工程学 院电子商务研究所，2021年4月：22-262 高守平.数字图像的置乱技术J.郴州师范高等专科学校计算机系，湖南郴州，2002年4月：69-733 刘建华，李燕，张昌年.数字图像置乱技术及其Matlab实现J.桂林航天工业高等专科学校学报J，2002年第四期：9-154 朱秀昌，刘峰，胡栋.数字图像处理与图像通信(修订版)M.北京邮电大学出版. 2002年5月：107-1085 徐献灵，崔楠.数字图像置乱加密技术综述J.广东农工商职业技术学院电子与信息工程系，2021年3月：32-396 Qi Dong-Xu , Zou Jiang-Cheng, H an Xi

4、ao-You. A new class of scrambling transformation and its application in the image information covering. Science in China( Series E) , 2000, 43( 3) : 304- 3127 丁玮，闫伟齐，齐东旭.基于Arnold变换的数字图像置乱技术J.中国科学院计算技术研究所CAD开放研究实验室，2001年4月第4期：338-3418 田云凯，贾传荧，王庆武.基于Arnold变换的图像置乱及其恢复J.大连海事大学学报，2006年11月第4期：107-1089 赵学峰

5、.基于面包师变换的数字图像置乱J.西北师范大学学报(自然科学版) 2003年第2期：26-2910邹建成，齐东旭，熊昌镇.基于面包师变换的数字图象加密J.北方工业大学理学院、CAD研究中心，2003年3月第1期：6-1611赵红，温文雅.数字图像置乱技术综述J.漳州师范学院计算机科学与工程系，2007年：10-124、毕业论文设计进度安排：查文献，学习Matlab软件的相关知识，掌握Matlab的根本编程知识； 2 2012年12月 15 日至12月20日 选题 3 2012年12月22日至12月26日 开题 4 2012年12月28日至2012年1月10日 查找资料 5 2013年1月 10

6、 日至2月28日 理论研究 6 2013年3月 1 日至3月20日 系统的实现 7 2013年4月7日至4月13日 中期检查 8 2013年4月 14日至4月25日 成果验收 9 2013年4月26日至5月 4 日 论文初稿 102013年5月5日 至5月8日 论文定稿，准备辩论教研室意见： 负责人签名： 注：本任务书一式三份，由指导教师填写，经教研室审批后一份下达给学生，一份交指导教师，一份留系里存档。湖南科技学院本科毕业论文设计开题报告书论文设计题目基于Zig-Zag的图像置乱技术研究作 者 姓 名符湘萍所属系、专业、年级 电子工程系 电子信息工程 专业 2021 年级指导教师姓名、职称周

7、 玲 讲师预计字数10000开题日期2012-12-24选题的根据：1说明本选题的理论、实际意义2综述国内外有关本选题的研究动态和自己的见解1本选题的理论、实际意义 选择本课题的意义在于基于Zig-Zag扫描的空域图像置乱新算法与传统的图像置乱算法相比,置乱后的图像不仅直方图发生了显著改变,而且置乱图像的统计特征更像白噪声,对图像文件的加密传输和秘密图像信息在数字水印技术中的置乱预处理有重要意义。 2国内外有关本选题的研究动态和自己的见解数字图像置乱技术可分为基于图像位置空间、基于图像色彩空间和基于图像频域空间的置乱。目前已有很多文献提出了数字图像置乱的算法，使用较多的图像置乱方法主要有：Ar

8、nold变换、幻方变换、Hilbert曲线变换等方法，算法实现较为复杂，置乱效果不是很理想。对于数字图像，有两种有效的保护技术。其一是近年来开展起来的数字水印技术。其二是图像加密技术。图像置乱技术在数字图像加密中有着广泛应用。作为一种图像加密技术它主要通过改变原图像中各像素位置或改变像素灰度值的方式到达对图像信息进行隐藏的目的。原有的置乱技术无法防止灰度直方图猜想破译，本文提出的基于Zig-Zag的图像置乱技术及改良后的Zig-Zag的图像置乱技术能够克服这方面的缺陷。主要内容： 本文主要介绍了基于Arnold变换、面包师变换、zig-zag变换数字图像置乱技术的原理，并对zig-zag置乱变

9、换进行了改良。同时也对其周期性，置乱度做详细研究，提出了两种基于Zig-Zag扫描的空域图像置的算法。论文主要结构如下：1 数字图像概述2 数字图像置乱加密技术3 数字图像置乱方法4 数字图像置乱效果分析5 结论研究方法：掌握数字图像的三种置乱方法Arnold 变换置乱、面包师变换置乱、zig-zag变换置乱。利用三种置乱方法对图片进行置乱。利用改良的zig-zag置乱变换对图片进行置乱，并比拟几种方法进行置乱后的效果，加以分析。查阅国内外最新资料，开拓视野，对已有的成果加以分析利用。虚心向导师和同学学习，不断积累知识，再运用所学知识，完成论文。完成期限和采取的主要措施： 2021年12月，查

10、阅资料并选题及写好开题报告；2021年1月至4月，查阅资料，动手实践，尽量完成论文初稿；2021年5月，毕业论文修改，定稿，准备辩论。 采取的主要措施：严格遵照?湖南科技学院毕业论文 (设计)工作管理方法?的指示精神，结合个人的实际情况，我完成这项设计所采取的主要措施有两条： 一是密切联系：联系本组设计成员及毕业设计指导导师，寻求有关毕业设计信息，确定设计课题方向与设计内容； 二是虚心学习：利用课余时间到图书馆和网络上查阅资料，并虚心向老师请教和同学进行学习交流，保障毕业设计的顺利完成。主要参考资料：1 邵利平，蒙清照，李春枚，王旭.图像置乱方法综述J.西安交通大学电子与信息工程学院电子商务研

11、究所，2021年4月：22-262 高守平.数字图像的置乱技术J.郴州师范高等专科学校计算机系，湖南郴州， 2002年4月：69-733 刘建华，李燕，张昌年.数字图像置乱技术及其Matlab实现J.桂林航天工业高等专科学校学报J，2002年第四期：9-154 朱秀昌，刘峰，胡栋.数字图像处理与图像通信(修订版)M.北京邮电大学出版 2002年5月：107-1085 徐献灵，崔楠.数字图像置乱加密技术综述J.广东农工商职业技术学院电子与信息工程系，2021年3月：32-396 Qi Dong-Xu , Zou Jiang-Cheng, H an Xiao-You. A new class of

12、 scrambling transformation and its application in the image information covering. Science in China( Series E) , 2000, 43( 3) : 304- 3127 丁玮，闫伟齐，齐东旭.基于Arnold变换的数字图像置乱技术J.中国科学院计算技术研究所CAD开放研究实验室，2001年4月第4期：338-3418 田云凯，贾传荧，王庆武.基于Arnold变换的图像置乱及其恢复J.大连海事大学学报，2006年11月第4期：107-1089 赵学峰.基于面包师变换的数字图像置乱J.西北师范大

13、学学报(自然科学版) 2003年第2期：26-29指导教师意见： 指导教师签名： 教研室意见： 签 名： 年 月 日开 题 报 告 会 纪 要时间 2012年12月24日地点三教517与会人员姓 名职务职称姓 名职务职称姓 名职务职称陈泽顺副教授张文昭副教授徐晓副教授刘爱林副教授周玲讲师刘志壮教授会议记录摘要：选择该题的意义？答：对于数字图像，有两种有效的保护技术，其一是近年来开展起来的数字水印技术。但这样的图像并不改变图像的可见性，这对娱乐工业中涉及知识产权的鉴定或许是可行的，但对于某些特殊的通信场合，是不适宜的。其二是图像加密技术。通过图像加密操作后，原来的数字图像变成类似于信道随即噪声的

14、信息，这些信息对不知道密钥的网络窃听者是不可识别的(除非进行了有效破译)，进而可以有效的保护传输中的图像数据。2目前数字图像置乱的方法有哪几种？答：目前数字图像置乱的方法主要有两种，一是像素位置的置乱，二是像素值的改变。3如何实现对数字图像的zig-zag变换置乱？答：要想实现对数字图像的zig-zag变换置乱，首先要解决的问题就是实现zig-zag遍历，由遍历的图示顺序可以把像素点所在位置分为五类，这样就把整个图像的像素点包含了。然后根据不分类进行不同的遍历顺序，最终全部遍历。这样就实现了zig-zag遍历。会议主持人：记 录 人：2013年12 月 24 日指导小组意见负责人签名： 年 月

15、 日系部 意 见负责人签名：年月日注：此表由学生本人填写，一式三份，一份留系里存档，指导老师和本人各保存一份湖南科技学院毕业论文设计中期检查表毕业论文设计题 目基于Zig-Zag的图像置乱技术研究学生姓名符湘萍学 号202106002335系 别电子工程系专 业电子信息工程指导教师周 玲检查日期2013年4月10日指导教师检查情况记载及修改意见：检查情况记载： 1、已查阅各种相关资料，对相关知识有一定的了解和掌握； 2、论文内容较为合理； 3、参考文献书写不标准； 4、内容过细，重点不突出； 5、关键词书写不标准，局部标点符号没区分半角和全角； 6、文章图片注意标明图标。 修改建议： 1、注意

16、论文格式，请参照湖南科技学院毕业论文设计模板； 2、参考文献按照学校的标准写，在论文中注明所参照的文献； 3、删掉局部次要内容，详细介绍重点内容，并进行分析比照； 4、对论文内容进行总结，使文章更有层次。 签名： 注：此表用于指导教师在学生毕业论文设计初稿完成后对学生执行任务书情况进行中期检查时用，由指导教师填写。湖南科技学院毕业设计论文指导过程记录表毕业论文(设计)题目基于Zig-Zag的图像置乱技术研究学生姓名符湘萍学号202106002335专业班级电信0903指导教师周 玲职称讲师系教研室电子工程系指导过程记录指导内容记录(一) Matlab软件使用。学 生 签 名： 2021 年1月

17、10日 指导教师签名： 2013 年1月10日指导内容记录(二)查阅资料指导： 1、到图书馆查找和借阅与选题有关的文献和资料； 2、从网上检索和下载与选题有关的文献和资料。 学 生 签 名： 2013 年1月24日 指导教师签名： 2013 年1月24日指导内容记录三)1、题目应该简短、明确、有概括性；2、摘要内容应包括研究的目的、方法、结果和结论；3、关键词应采用能覆盖论文主要内容的通用词条；4、正文一般应包括绪论、论文主体及结论等局部；5、结论是毕业论文的总结，要求精炼、准确地概述全文的主要观点。 学 生 签 名： 2013 年2月9日 指导教师签名： 2013 年2月9日指导内容记录(四

18、)论文写作指导：主体的内容应包括以下几个方面：1、毕业论文总体方案设计与选择的论证；2、对本研究内容进行较全面、客观的理论阐述，应着重指出本研究内容中 的创新、改良与实际应用之处；3、论文应推理正确，结论清晰，无科学性错误。 学 生 签 名： 2013 年2月23日 指导教师签名： 2013 年2月23日指导过程记录指导内容记录(五)初步开始论文文字局部原理的写作，参考更多的资料，丰富论文内容。学 生 签 名： 2021 年3月15日 指导教师签名： 2013 年3月15日指导内容记录(六)理清该选题研究内容的实际意义、创新、改良和特色之处，细化设计原理、工作过程等主要内容。学 生 签 名：

19、2021 年4月1日 指导教师签名： 2013 年4月1日指导内容记录(七)按照毕业论文撰写标准排版，参考文献按照学校的毕业论文撰写标准写，同时在正文中出现的位置以上标的形式标出。学 生 签 名： 2021 年4月15日 指导教师签名： 2013 年4月15日指导内容记录(八)论文初步定稿。学 生 签 名： 2021 年5月6日 指导教师签名： 2013 年5月6日辩论小组组长意见(对情况是否属实做出意见) 组长(签名)： 年 月 日注：本表与毕业论文一起装订存档。湖南科技学院本科毕业论文设计评审表论文题目基于Zig-Zag的图像置乱技术研究作者姓名符湘萍所属系、专业、年级电子工程 系 电子信

20、息工程 专业 2021年级指导教师姓名、职称周 玲 讲师字 数10000定稿日期2021.5.8中 文 摘 要随着Internet技术的快速开展，图像数据开始在网上流行，图像已经成为人们表达信息的重要方式之一。网络环境下，如何保障传输过程中图像信息的平安性，是目前信息平安领域的一个重要研究问题。置乱变换既是一种简单而有效的图像加密方法，又是一种常用的图像隐藏预处理方法，该文首先解析了图像置乱变换的定义以及两种根底的种置乱变换：Arnold变换和面包师变换。在此根底上又提出了一种新的基于zig-zag的置乱变换，并且对其进行了改良，这个改良是利用一个密钥和图像每个像素点的灰度值进行异或运算。这样

21、的改良主要是为了克服原有方法置乱后不改变灰度直方图的缺点。以及这几种变换的周期和图像置乱程度的衡量方法，阐述了图像置乱加密技术研究进展情况，指出了置乱技术今后将继续研究的方向。关键词数字图像置乱，Arnold变换，面包师变换，zig-zag变换，置乱周期，置乱度英文摘要 With the rapid development of the Internet technique, image data have became popular, and images have been the important way to express messages. How to ensure the

22、security of image information in transmission process in network is an important field of information security research. Scrambling transform is not only a simple and efficient method for image encrypting , but also a common preprocessing means of image hiding. At first,the definition of digital ima

23、ge scrambling transformation is described in two ways in this paper: Arnold transformation and baker transformation.On this basis, I proposed a new zig-zag scrambling transformation and modification was carried out,This modification is the use of a key and the image gray value of each pixel XOR.This

24、 modification is mainly to overcome the weakness that the original method of scrambling transformations did not change the Grayscale histogram after the scrambling.The period and the degree of the scrambling transformations are also discussed, some important algorithms are proposed,and the future di

25、rection in this field is indicated finally.关键词Digital image scrambling,Arnold transformation,baker transformation, zig-zag transformation, scrambling period, scrambling degree.指导教师评定成绩评审基元评审要素评审内涵总分值指导教师实评分选题质量25%目的明确符合要求选题符合专业培养目标，表达学科、专业特点和教学方案的根本要求，到达毕业论文设计综合训练的目的。10理论意义或实际价值符合本学科的理论开展，有一定的学术意义；对

26、经济建设和社会开展的应用性研究中的某个理论或方法问题进行研究，具有一定的实际价值。10选题恰当题目规模适当，难易度适中；有一定的科学性。5能力水平40%查阅文献资料能力能独立查阅相关文献资料，归纳总结本论文所涉及的有关研究状况及成果。10综合运用知识能力能运用所学专业知识阐述问题；能对查阅的资料进行整理和运用；能对其科学论点进行论证。10研究方案的设计能力整体思路清晰；研究方案合理可行。5研究方法和手段的运用能力能运用本学科常规研究方法及相关研究手段如计算机、实验仪器设备等进行实验、实践并加工处理、总结信息。10外文应用能力能阅读、翻译一定量的本专业外文资料、外文摘要和外文参考书目特殊专业除外

27、表达一定的外语水平。5论文质量35%文题相符较好地完成论文选题的目的要求。5写作水平论点鲜明；论据充分；条理清晰；语言流畅。15写作标准符合学术论文的根本要求。用语、格式、图表、数据、量和单位、各种资料引用标准化、符合标准。10论文篇幅10000字左右。5实评总分 成绩等级 指导教师评审意见：指导教师签名： 说明：评定成绩分为优秀、良好、中等、及格、不及格五个等级，实评总分90100分记为优秀，8089分记为良好，7079分记为中等，6069分记为及格，60分以下记为不及格评阅教师评定成绩评审基元评审要素评审内涵总分值评阅教师实评分选题质量25%目的明确符合要求选题符合专业培养目标，表达学科、

28、专业特点和教学方案的根本要求，到达毕业论文设计综合训练的目的。10理论意义或实际价值符合本学科的理论开展，有一定的学术意义；对经济建设和社会开展的应用性研究中的某个理论或方法问题进行研究，具有一定的实际价值。10选题恰当题目规模适当，难易度适中；有一定的科学性。5能力水平40%查阅文献资料能力能独立查阅相关文献资料，归纳总结本论文所涉及的有关研究状况及成果。10综合运用知识能力能运用所学专业知识阐述问题；能对查阅的资料进行整理和运用；能对其科学论点进行论证。10研究方案的设计能力整体思路清晰；研究方案合理可行。5研究方法和手段的运用能力能运用本学科常规研究方法及相关研究手段如计算机、实验仪器设

29、备等进行实验、实践并加工处理、总结信息。10外文应用能力能阅读、翻译一定量的本专业外文资料、外文摘要和外文参考书目特殊专业除外表达一定的外语水平。5论文质量35%文题相符较好地完成论文选题的目的要求。5写作水平论点鲜明；论据充分；条理清晰；语言流畅。15写作标准符合学术论文的根本要求。用语、格式、图表、数据、量和单位、各种资料引用标准化、符合标准。10论文篇幅10000字左右。5实评总分 成绩等级 评阅教师评审意见： 评阅教师签名： 说明：评定成绩分为优秀、良好、中等、及格、不及格五个等级，实评总分90100分记为优秀，8089分记为良好，7079分记为中等，6069分记为及格，60分以下记为

30、不及格。湖南科技学院本科毕业论文设计辩论记录表论文题目基于Zig-Zag的图像置乱技术研究作者姓名符湘萍所属系、专业、年级电子工程系 电子信息工程专业 2021年级指导教师姓名、职称周 玲 讲师答 辩 会 纪 要时间2013年 5 月 18 日地点三教707答辩小组成员姓 名职务职称姓 名职务职称姓 名职务职称周玲讲师刘爱林副教授徐晓副教授陈泽顺副教授 刘志壮教授张文昭副教授辩论中提出的主要问题及答复的简要情况记录：1、什么是Zig-Zag变换置乱？刘志壮老师答：假设数字图像相应于N阶矩阵，将A中的元素1移到元素2的位置，将元素2移到元素3的位置等，依次类推反复进行移动，并把第个元素移到第一个

31、元素的位置上。经过这样的移动置乱，矩阵A变换成了矩阵，即完成了一次置乱。再对重复同样的变换过程可得，.，这便是这一系列的置乱过程。经过这种对图像像素的位置的移动，搅乱了像素在图像中的排列位置，使图像变的杂乱无章，从而到达对图像加密的目的。2、zig-zag变换置乱有什么特点？刘志壮老师答：基于zig-zag数字图像置乱具有周期性，它的周期等于，当图像空间大小变大的时候置乱周期将显著增大，大的周期就为加密提供了一个更大的密钥空间，从这点看加密的平安性高；这种方法也可以和其他方法结合起来从而提高平安性；与传统的图像置乱算法相比，置乱后的图像直方图发生了显著改变。3、除了zig-zag变换还有哪些方

32、法可以实现数字图像的置乱？刘志壮老师答：本文首先介绍了两种比拟有代表意义的置乱方法，即Arnold变换置乱和面包师面包师置乱，在此根底上又提出了基于zig-zag变换置乱的方法，并提出了一些改良。会议主持人：记 录 人：年 月 日答辩小组意见评语：评定等级： 负责人签名： 年 月 日系学位委员会意见评语：论文设计最终评定等级：负责人签名： 系部公章 年月 日校学位委员会意见评语：评定等级： 负责人签名： 年月 日目 录TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc13303 绪论 PAGEREF _Toc13303 1 HYPERLINK l _Toc25807 1数字图像概述

33、PAGEREF _Toc25807 3 HYPERLINK l _Toc18587 1.1图像信息的特点 PAGEREF _Toc18587 3 HYPERLINK l _Toc15338 1.2数字图像的分类和表示 PAGEREF _Toc15338 3 HYPERLINK l _Toc16599 2 数字图像置乱加密技术 PAGEREF _Toc16599 5 HYPERLINK l _Toc9394 2.1 图像置乱变换的定义 PAGEREF _Toc9394 5 HYPERLINK l _Toc13229 2.2 图像置乱变换的周期 PAGEREF _Toc13229 6 HYPERL

34、INK l _Toc24524 2.3 图像置乱变换的置乱程度 PAGEREF _Toc24524 6 HYPERLINK l _Toc30252 3 数字图像置乱方法 PAGEREF _Toc30252 9 HYPERLINK l _Toc12546 3.1 Arnold 变换置乱 PAGEREF _Toc12546 9 HYPERLINK l _Toc23566 3.1.1 Arnold 变换定义 PAGEREF _Toc23566 9 HYPERLINK l _Toc2036 3.1.2 Arnold变换的原理 PAGEREF _Toc2036 9 HYPERLINK l _Toc322

35、71 3.1.3 Arnold变换的周期 PAGEREF _Toc32271 10 HYPERLINK l _Toc27525 3.2 面包师变换置乱 PAGEREF _Toc27525 11 HYPERLINK l _Toc15422 3.2.1面包师变换定义及其置乱原理 PAGEREF _Toc15422 11 HYPERLINK l _Toc9590 3.2.2图像加密算法描述 PAGEREF _Toc9590 12 HYPERLINK l _Toc9110 3.3 zig-zag变换置乱 PAGEREF _Toc9110 13 HYPERLINK l _Toc22538 3.3.1 z

36、ig-zag变换定义及原理 PAGEREF _Toc22538 13 HYPERLINK l _Toc22946 3.3.2 zig-zag变换周期 PAGEREF _Toc22946 13 HYPERLINK l _Toc13743 3.3.3 zig-zag变换的改良 PAGEREF _Toc13743 14 HYPERLINK l _Toc1528 4 数字图像置乱效果分析 PAGEREF _Toc1528 15 HYPERLINK l _Toc4859 4.1 zig-zag置乱变换 PAGEREF _Toc4859 15 HYPERLINK l _Toc12492 4.1.1对于像素

37、大小为6464的图片进行置乱 PAGEREF _Toc12492 15 HYPERLINK l _Toc3452 4.1.2对于像素大小为128128的图片进行置乱 PAGEREF _Toc3452 16 HYPERLINK l _Toc1778 4.1.3对于像素大小为256256的图片进行置乱 PAGEREF _Toc1778 17 HYPERLINK l _Toc5682 4.2 改良的zig-zag置乱变换 PAGEREF _Toc5682 19 HYPERLINK l _Toc14077 4.3 zig-zag置乱变换相关数据 PAGEREF _Toc14077 21 HYPERLI

38、NK l _Toc25769 结论 PAGEREF _Toc25769 23 HYPERLINK l _Toc30825 参考文献 PAGEREF _Toc30825 24 HYPERLINK l _Toc16397 附录 PAGEREF _Toc16397 25 HYPERLINK l _Toc5352 致谢 PAGEREF _Toc5352 30基于ZigZag的图像置乱技术研究摘 要随着Internet技术的快速开展，图像数据开始在网上流行，图像已经成为人们表达信息的重要方式之一。网络环境下，如何保障传输过程中图像信息的平安性，是目前信息平安领域的一个重要研究问题。置乱变换既是一种简单而

39、有效的图像加密方法，又是一种常用的图像隐藏预处理方法，该文首先解析了图像置乱变换的定义以及两种根底的置乱变换：Arnold变换和面包师变换。在此根底上又提出了一种新的基于zig-zag的置乱变换，并且对其进行了改良，这个改良是利用一个密钥和图像每个像素点的灰度值进行异或运算。这样的改良主要是为了克服原有方法置乱后不改变灰度直方图的缺点。以及这几种变换的周期和图像置乱程度的衡量方法，阐述了图像置乱加密技术研究进展情况，指出了置乱技术今后将继续研究的方向。【关键词】：数字图像置乱Arnold变换面包师变换zig-zag变换置乱周期置乱度 Scrambling Research of Digital

40、 Image Based on Zig-ZagAbstractWith the rapid development of the Internet technique, image data have became popular, and images have been the important way to express messages. How to ensure the security of image information in transmission process in network is an important field of information sec

41、urity research.Scrambling transform is not only a simple and efficient method for image encrypting , but also a common preprocessing means of image hiding. At first,the definition of digital image scrambling transformation is described in two ways in this paper: Arnold transformation and baker trans

42、formation.On this basis, I proposed a new zig-zag scrambling transformation and modification was carried out,This modification is the use of a key and the image gray value of each pixel XOR.This modification is mainly to overcome the weakness that the original method of scrambling transformations di

43、d not change the Grayscale histogram after the scrambling.The period and the degree of the scrambling transformations are also discussed, some important algorithms are proposed,and the future direction in this field is indicated finally.【Key words】Digital image scrambling Arnold transformation baker

44、 transformation zig-zag transformation scrambling period scrambling degree绪论 近年来，随着宽带网的开展，图像数据开始在网上流行。图像信息形象生动,它已经成为人们表达信息的重要表达方式之一。可是，网络上的图像数据有很多是要求发送方和接收方要进行保密通信的，如军用卫星所拍摄的图片、军用设施图纸、新型武器图、金融机构的建筑图纸等。还有些图像信息，如在远程医疗系统中，医院中患者的病历(其中包括患者的图片)，根据法律必须要在网络上加密前方可传输。不言而喻，由因特网传输图像数据不但方便快捷，不受地域限制，而且省时省力，节约开支，提

45、高效率。但由于某些图像数据的特殊性，即发送和接收双方都不希望网络上所传输的图像数据被未授权者所浏览或处理，这些图像信息不但涉及个人隐私，而且有的涉及到国家平安，因而图像数据的保护越来越受到社会的普遍重视1。 对于数字图像，有两种有效的保护技术。其一是近年来开展起来的数字水印技术。通过在数字图像中嵌入数字水印信息可以较为有效的实现数字图像版权保护，但这样的图像并不改变图像的可见性，这对娱乐工业中涉及知识产权的鉴定或许是可行的，但对于某些特殊的通信场合，例如军用卫星摄取的图片，患者的病历等的传输以及娱乐工业中产品的网络发送等是不适宜的。其二是图像加密技术。通过图像加密操作后，原来的数字图像变成类似

46、于信道随机噪声的信息，这些信息对不知道密钥的网络窃听者是不可识别的(除非进行了有效破译)，进而可以有效的保护传输中的图像数据。随着人们对知识产权的重视及娱乐工业的开展，可以预见，图像加密技术会有广阔的应用前景。然而数字图像置乱技术是加密的重要方法2。 随着多媒体技术、信息存储技术和网络的开展，数字图像已成为人们获取信息的主要手段。网络上传输的数字图像是纷繁芜杂的，它们有可能涉及军事机密、商业秘密或者个人隐私，如何保护这些图像的平安已经成为各界广为关注的问题。经典密码学对于一维数据流提供了很好的加密算法，DES 、RSA等著名密码系统得到了广泛的应用。但这些系统往往无视了数字图像的一些特殊性质如

47、二维的自相似性、大数据量等。图像置乱技术早期是对模拟图像的位置空间做置换，可以看作从经典密码学中的单表系统扩展而来。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3。目前，数字图像置乱的方法主要有：像素位置的置乱：利用相应算法在保证像素总个数不变的根底上将一幅图像各像素的次序

48、打乱。典型的像素位置置乱算法有：幻方变换、Hilbert曲线、仿射变换、Arnold变换、面包师变换、zig-zag变换等。像素值的改变：利用置乱算法改变像素值。如基于Gray变换、广义gray变换等图像置乱方法均是改变图像像素值的置乱方法。传统的图像置乱算法如基于Arnold变换的数字图像置乱、面包师变换数字图像置乱等都是将图像中像素的位置重新排列，从而使原始图像变换成一个杂乱无章的新图像。但是，其本身的像素值并未发生改变，所以置乱后图像的灰度直方图都不发生改变，这点是这些方法的共同缺点，而灰度直方图又是衡量一幅图像的重要特征，灰度直方图不变就为直接从灰度直方图猜想原图提供了可能性，对于那些

49、对平安性要求比拟高的领域，如军事或牵涉到国家平安的机构。这类置乱方法的平安性可能达不到人们期望的要求。 本文提出了两种基于Zig-Zag扫描的空域图像置的算法：算法一：该算法首先对原始图像进行Zig-Zag扫描，然后按照遍历的顺序将图像中第一个遍历的元素移到第二个遍历元素的位置，将第二个遍历的元素移到低第三个遍历的元素的位置等等，依次类推反复进行移动，并把第最后一个元素移到第一个元素的位置上。经过这样的移动置乱，即完成了一次置乱。可以选择把置乱的次数key1作为加密的密钥。算法二：该算法主要是在算法一的根底上针对置乱前后图像的灰度直方图不改变这个缺点而提出来的，实为算法一的改良。该算法是在完成

50、了算法一以后再把经过key1置乱后的图形的每个像素的灰度值与key2进行异或。这样以后就改变了像素点的灰度值，从而提高图像置乱效果。实验结果说明，该算法与传统的图像置乱算法相比，置乱后的图像直方图发生了显著改变，更加适用于图像文件的加密传输。不仅这样还因为这种方法有两个独立的密钥使破译的难度比只有一个密钥大大增加。1数字图像概述1.1图像信息的特点 人们经常接触到的信息主要有三类：语言、文本和图像信息。其中，语音和简单的图像(图形)是人类最早应用于信息交流的种方式。然后随着社会的开展，出现了表达某种特定信息的符号，即文字，文本。这里所说的图像信息的特点，是与语音、文本信息相比拟而言的，并且仅从

51、人们对这些信息的发出、接受、理解和表达等方式方面的不同考虑的。和语音、文本信息相比拟，图像信息(这里主要指自然场景图像，不包括某些特殊的图形、标记或图标)主要有以下三方面的特点：一、图像的直观性强。在一般的情况下列图像是外界场景的直接反映，它的内容和眼睛直接观察到的、呈现在人们脑海中的印象非常接近。因而图像信息使人们一看就懂，直观性很强，几乎于“所见即所得，不需要经过思维的特别“转换，几乎可以直接被人理解。二、图像信息的信息量特别大。例如一幅512*512个像素组成的一幅灰度图像，其灰度级用8位二进制来表示，那么有=256个灰度级，那么每个像素都需要8位来表征其灰度值，这幅图的信息量即为512

52、*512*82097152位。如果是彩色图像，其量化级更高，数据量会更大。三、图像信息(尤其是自然场景图像)确实切性不十分好，存在一定的模糊性，这是相对于语音和文本信息而言的。例如，面对同一副图像，不同的观察者会有不同的理解和感受，甚至有可能给出不同的解释，如让他们写下各自观察的内容，那么几乎是各不相同4。1.2数字图像的分类和表示 图像的存在方式是多种多样的，就其本质来说可将图像分为两大类：一是模拟图像：包括光学图像、电视图像等，对模拟图像的处理速度块，但精度和灵活性差，不易查找和判断。二是数字图像：数字图像是将连续的模拟图像经过离散化处理后得到的计算机能够辩识的点阵图像。严格的说，数字图像

53、是经过等距离矩形网格采样，对幅度进行等间隔量化的二维函数，因此，数字图像实际上就是被量化的二维采样数组。数字化图像按照记录方式又可分为矢量图像和位图图像。前者用数学的矢量方式来记录图像内容，以线条和色块为主，其优点是缩放不会失真，精度较高，易于制作3D图像；缺点是不易制成色调丰富或色彩变化太多的图像，且绘出来的图形不是很逼真，不易在不同的软件间交换文件。后者是将图像的每一个像素点转换为一个数据，易于制成色调丰富的图像，可很逼真的表示自然景象，易于在不同软件间交换文件；但缺点是在缩放和旋转时易失真。还可以根据采样数目及特性的不同数字图像可以划分为： 二值图像(Binary Image)：图像中每

54、个像素的亮度值(Intensity)仅可以取自0到1的图像。灰度图像(Gray Scale Image)，也称为灰阶图像：图像中每个像素可以由0(黑)到255(白)的亮度值表示。0-255之间表示不同的灰度级。 彩色图像(Color Image)：每幅彩色图像是由三幅不同颜色的灰度图像组合而成，一个为红色，一个为绿色，另一个为蓝色。立体图像(Stereo Image)：立体图像是一物体由不同角度拍摄的一对图像，通常情况下我们可以用立体像计算出图像的深度信息。三维图像(3D Image)：三维图像是由一组堆栈的二位图像组成。每一幅图像表示该物体的一个横截面。数字图像也用于表示在一个 HYPERL

55、INK :/baike.baidu /view/530652.htm t _blank 三维空间分布点的数据，例如计算机断层扫描(CT)设备生成的图像，在这种情况下，每个数据都称作一个 HYPERLINK :/baike.baidu /view/1237346.htm t _blank 体素。一幅数字图像是由假设干个数据点组成，这些数据点称为像素(pixel)，像素是构成数字图像的最小单位。一幅二维平面上的图像可以用一个二元函数：I=f(x，y)来表示，(x，y)表示二维空间坐标系中的位置。f(x，y)那么表示图像在该位置上的点的属性的度量值，所有点的度量值的有序集合构成图像I。最直观的是用二

56、维的矩阵来表示数字图像，矩阵中各元素所在的行和列就是数字图像显示在计算机屏幕上的像素点的坐标，矩阵中各元素的值就是数字图像对应位置像素的度量值灰度值或色彩值。如一幅大小为256*256的图像，就是由在水平方向上256列像素和垂直方向上256行像素组成的矩形图。每一个像素具有自己的属性，如颜色(color)、灰度(gray scale)等。颜色和灰度是决定了一幅图像的表现力的关键因素。灰度通常分为256级，是单色图像中像素亮度的表征。颜色量化等级分为单色、四色、16色、256色、24位真彩色等，量化等级越高，那么量化误差越小，图像的表现力越强。但是量化等级的增加，势必会使的数据量大大增加。一幅x

57、*y个像素点的数字图像，其像素灰度值或色彩值用x行y列的矩阵A来表示，即一副数字图像对应一个矩阵。如图1-1所示。将图像用矩阵来表示，可以借助矩阵的性质和变换来研究数字图像。 图1-1 图像的矩阵表示2 数字图像置乱加密技术2.1 图像置乱变换的定义 数字图像置乱加密技术是指发送方借助数学或其他领域的技术，对一幅有意义的数字图像作变换使之变成一幅杂乱无章的图像，使其变得难以识别，再用于传输；在图像传输过程中，非法截获者无法从杂乱无章的图像中获得原图像信息，从而到达图像加密的目的；接收方经去乱解密，可恢复原图像。为了确保图像的机密性，置乱过程中一般引入密钥。图2-1为置乱加密的框图5。 图2-1

58、数字图像置乱加密技术框图定义1 给定图像A=a(i,j)nm，变换矩阵是T=t(i,j)nm是1，2，.，nm的一种排列，用T作置乱变换，得到图像B。其变换方法如下：将A与T按行列作一一对应，将A中对应位置1的像素灰度值或RGB分量值移到对应位置2，对应位置2的像素灰度值移到对应位置3，以此类推，最后将对应nm位置的像素灰度值移到对应位置1，就得到了按T置乱后的图像B。图像A经置乱变换T变换到了图像B，记为B=TA。定义2 给定图像A=a(i，j)nm，设变换T是(x,y)：1 x n，1 y m, 且x，y均为整数到自身的一一映射，即：将图像A中位置(x,y) 处的元素变换到位置(x,y)处

59、，得到图像B，那么称变换T 是图像A的置乱变换，仍记为B=TA。如式2-1所示： (2-1)从数学本质上看，定义1和2没有实质的区别，只是使用场合不同。从定义1可以看出，构造置乱变换等价于构造矩阵T。不同的T 那么形成了不同的置乱变换。从定义2可以看出，构造置乱变换就是构造(x,y)：1 x n，1 y m，且x,y 均为整数到自身的一一映射。假设C=TB=T(TA)=(A)，那么称C为A迭代置乱两次的图像。以此类推，可以进行屡次迭代置乱。一般认为，置乱变换应该满足以下两个条件：(1)变换是离散点域(x,y)1 x,y N 到其自身的一一映射；(2)变换是离散点域(x,y)1 x,y N 到其

60、自身的满映射，即变换可逆的。上边这两个条件是置乱变换可完成有效置乱的必要条件，即是说只有一一对应的，变换结果可遍历图像所有像素点，而且反变换存在的置乱变换才是实际中有效可用的5。2.2 图像置乱变换的周期 图像置乱变换的目的在于把图像变为一幅“混乱不堪的图像，但置乱后如何对图像进行恢复也是一个需要考虑的问题。置乱的恢复一般有两种方法，一种是利用置乱变换的逆变换，另一种是利用置乱变换的周期。如果用逆变换来进行恢复，置乱的图像经过一步逆变换就可恢复为原图像，恢复过程较为简捷，但对逆变换的计算一般都比拟困难，同时还要考虑置乱的迭代次数，计算过于复杂，因此一般不考虑用逆变换来恢复。而用变换的周期进行恢