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JPEG图像的透明安全性研究

作　者: 周崇青
导　师: 牛夏牧
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 计算机科学与技术
关键词: 透明 JPEG 加密认证密钥管理
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

随着多媒体技术和网络技术的发展,多媒体信息的机密性和真实性越来越受到人们的重视。但是在对数据进行保护的时候往往却忽略了多媒体数据本身的特点,如文件格式、码流结构、存储限制等,以致对数据的压缩、传输、存储、以及一些码流域信号处理操作等多媒体应用的正常功能产生影响。为此,采用透明加密和认证机制的多媒体数据安全机制越来越引起人们研究的兴趣,以期望在保证多媒体数据安全的同时,尽量避免破坏原始多媒体数据在编解码、存储、传输、文件管理和信号处理过程中的可用性。本文根据现有成熟图像及视频压缩标准大多基于离散余弦变换(Discrete Cosine Transform,DCT)和可变长编码(Variable-length Codes,VLC)的现状,主要针对这一类编解码标准的典型-静态数字图像压缩标准JPEG的透明安全性进行研究。本文的主要工作如下:1)对多媒体数据的透明安全机制进行了定义和应用需求分析。2)对JPEG图像加密、认证算法进行了分类及特点分析。根据JPEG编码的特点提出了简单可行的密钥管理手段。3)对JPEG的固定长度编码(Fixed-Length Codes, FLC)的流加密和索引映射加密进行了深入研究。这类加密算法实现简单并很好的保持了编码格式及存储要求透明的安全特性,但难以抵抗内容泄漏攻击,因此多用在实时性要求高、安全性要求适中的场合。4)提出了两种形式简单、对密钥的敏感和密钥空间大的二维混沌映射图像加密算法。这两个算法可以用在FLC加密之后对DCT块置乱。对DCT块置乱在增强安全性的同时也很好的保持了针对编码格式及存储要求透明的特性。5)提出了基于块置乱的固定置乱算法。该算法解决了VLC码字分布不均匀的问题,改变了块内VLC码字直方图的特性,能够很好的抵抗内容泄漏攻击。6)结合透明加密、密钥管理和现有的无损水印算法提出了一套完整的适合JPEG压缩标准及其它基于块编码和VLC编码的压缩标准的透明安全机制,并对其进行实现及实验分析。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-18
  1.1 多媒体安全的背景及意义  10-11
    1.1.1 多媒体信息面临的威胁  10
    1.1.2 多媒体信息安全的目标  10-11
    1.1.3 多媒体信息安全的应用领域  11
  1.2 多媒体的透明安全性的研究背景  11-12
  1.3 多媒体透明安全性的研究内容  12-15
    1.3.1 透明的多媒体安全系统  12-13
    1.3.2 多媒体透明安全性的性能要求  13-15
  1.4 多媒体透明安全性的国内外研究现状进展  15-17
    1.4.1 透明的加密  15-16
    1.4.2 透明的认证  16
    1.4.3 密钥管理  16-17
  1.5 本文的主要研究内容及章节安排  17-18
第2章 JPEG图像标准及其安全机制  18-31
  2.1 引言  18-19
  2.2 JPEG标准简介  19-23
    2.2.1 正余弦变换和逆余弦变换  20-21
    2.2.2 量化和反量化  21
    2.2.3 量化系数的编码  21-23
  2.3 加密  23-27
    2.3.1 直接加密算法  23-25
    2.3.2 选择性加密算法  25-26
    2.3.3 与编码相结合加密算法  26-27
  2.4 认证  27-29
    2.4.1 基于数字签名的认证  28
    2.4.2 基于数字水印的认证  28-29
  2.5 密钥管理  29-30
  2.6 本章小结  30-31
第3章 JPEG图像FLC加密算法  31-40
  3.1 引言  31
  3.2 JPEG码流中的FLC数据成分  31-32
  3.3 流密码在FLC加密中的应用  32-36
    3.3.1 流密码定义  32-33
    3.3.2 流密码加密DCT系数符号  33-34
    3.3.3 流密码加密DCT系数幅度值  34-35
    3.3.4 流加密优缺点  35-36
  3.4 索引映射加密在JPEG加密中的应用  36-38
    3.4.1 索引映射加密  36-37
    3.4.2 索引映射加密在JPEG中的应用  37
    3.4.3 索引映射加密优缺点  37-38
  3.5 本章小结  38-40
第4章 JPEG图像置乱算法  40-60
  4.1 引言  40
  4.2 基于图像分割的二维混沌映射  40-48
    4.2.1 上下三角分割原理  40-41
    4.2.2 映射计算方法  41-43
    4.2.3 图像加密算法及实验结果  43-44
    4.2.4 安全性分析  44-48
  4.3 单边拉伸二维混沌映射  48-56
    4.3.1 单边拉伸原理  48-49
    4.3.2 加密方图时映射计算方法  49-50
    4.3.3 加密矩形图像时计算方法  50-54
    4.3.4 图像加密算法及实验结果  54
    4.3.5 安全性分析  54-56
  4.4 基于块置乱的固定置乱算法  56-59
    4.4.1 固定置乱算法  56-58
    4.4.2 实验结果  58-59
  4.5 本章小结  59-60
第5章 JPEG图像透明安全机制的实现  60-70
  5.1 引言  60
  5.2 透明安全机制框架  60-62
  5.3 透明安全机制实现  62-66
    5.3.1 FLC加密  62
    5.3.2 VLC和块置乱  62-64
    5.3.3 基于块置乱固定置乱  64-65
    5.3.4 置乱算法  65
    5.3.5 密钥生成  65
    5.3.6 无损水印算法和认证  65-66
  5.4 实验结果  66-69
    5.4.1 无损水印算法和认证  67
    5.4.2 透明性分析  67-69
  5.5 本章小结  69-70
结论  70-71
参考文献  71-77
攻读学位期间发表的学术论文  77-78
致谢  78

JPEG图像的透明安全性研究

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