图像加密技术在远程医疗诊断系统中的应用研究 毕业论文.doc

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1、 图像加密技术在远程医疗诊断系统中 的应用研究 Research of Image Encryption Technology in Remote Medical Diagnosis System 20112011 届届 电气工程电气工程 系系 专专 业业 电子信息工程电子信息工程 学学 号号 20076130 学生姓名学生姓名 指导教师指导教师 完成日期完成日期 20112011 年年 5 5 月月 2525 日日 毕业论文成绩单毕业论文成绩单 学生姓名 学号 20076130 班级方 0709-2专业电子信息工程 毕业设计题目图像加密技术在远程医疗诊断系统中的应用研究 指导教师姓名 指导教

2、师职称 评 定 成 绩 指导教师 得分 评阅人得分 答辩小 组组长 得分 成绩： 院长(主任) 签字： 年 月 日 毕业设计任务书毕业设计任务书 题 目图像加密技术在远程医疗诊断系统中的应用研究 学生姓名宋晓芳学号 20076130 班级 0709- 2 专业电子信息工程 承担指导任务单位电气工程系 导师 姓名 郑伟 导师 职称 副教授 一、主要内容 了解各种图像加密技术，采用三种方案实现医学图像的加密处理，完成远程医疗诊断系统 二、基本要求 1、掌握对图像加密的基本算法和原理 2、在理论分析和实验验证的基础上，设计和开发适合远程医疗诊断系统的图像加密解密系 统； 3、提出三种方案并编写程序，

3、验证提出的方法的实用性和可行性。 三、主要技术指标（或研究方法） 在分析各种图像加密技术的特点的基础上，掌握对图像进行加密的方法，并提出三种适合远 程医学图像传输的加密方法并编写程序验证提出的方法的实用性和可行性 四、应收集的资料及参考文献 收集有关图像加密的硕士或博士学位论文和参考文献 有关软件开发工具 五、进度计划 第 1 周第 2 周 调研、收集材料，完成开题报告； 第 3 周-第 4 周 分析、确定方案 ； 第 5 周-第 11 周 方案详细设计； 第 12 周-第 15 周 撰写论文； 第 16 周 完善论文，答辩。 教研室主任签字时 间 年 月 日 毕业论文开题报告毕业论文开题报告

4、 题 目图像加密技术在远程医疗诊断系统中的应用研究 学生姓名宋晓芳学号20076130班级方 0709-2专业电子信息工程 一、研究背景 随着 Internet 技术与多媒体技术的飞速发展，多媒体通信逐渐成为人们进行信息交流 的重要手段，人们可以通过网络交流各种信息，进行网上贸易等。图像信息是多媒体信息中 数据量最大，处理最难且研究最新的信息，应用前途十分看好。在远程医疗系统中，需要将 医院中患者的病历(其中包括患者的图像)，通过网络进行传输。由于这些图像信息涉及个人 隐私，或者某些图像数据的特殊性，即发送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， ，而且有的涉及到国家安全，

5、因而图像数据的保护越来越受到社会的普遍 重视。 通过图像加密技术操作后，原来的数字图像变为类似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)，进而可以有效地保护传输 中的图像数据。 二、研究现状 由于图像处理和网络通信的飞速发展，对在因特网和无线网络中实时安全的图像传输提 出了巨大的要求。为了迎接这种挑战，各种各样的加密技术被提出。其中，早期的图像加解 密技术主要是基于像素位置变换的加解密技术和基于秘密分割与秘密共享的图像加解密技术， 但由于人们对安全性、加密速度以及其它各个方面的要求，基于现代密码体制的图像加解密 技术和基于混沌的图像加解密技术被提

6、出。 （1）在图像加密中数字图像置乱起着不可忽视的作用，它类似于对数字图像的空间域 进行如经典密码学对一维信号的置换，或者修改数字图像的变换域参数，使得修改后的 图像成为面目全非的杂乱图像，从而保护了数字图像所要表达的真实内容； （2）20 世纪 60 年代，人们发现了一种特殊的自然现象混沌（chaos） 。混沌是一种非线性 动力学规律控制的行为，它对初始条件和系统参数的极端敏感性，白噪声的统计特性和不可 预测性等优良特性，使得混沌具有天生的密码学特性，所以，基于混沌的图像加密技术在近 些年发展很迅速。基于混沌的图像加密技术的基本原理就是把混沌系统的初始值做为密匙， 利用系统产生的混沌序列对待

7、加密的图像信息近行加密。因为混沌系统是一种复杂的非线性 动力学系统，它的伪随机特性和对初始值极其敏感的依赖性使它在图像加密技术中有着广阔 的应用前景。所以，许多基于混沌的图像加密技术还在不断出现，这对图像加密技术的研究 产生深远的影响。 三、论文进行的主要工作 1、研究经典的图像置乱技术 2、基于矩阵变换和像素置换的图像加密算法设计 3、基于混沌的图像加密技术设计 四、采用的方法、手段 本课题共讲述了两种对数字图像加密的技术，分别是改进后的 Arnold 图像加密技术 和基于混沌序列的图像加密技术。第一种技术是在分析了经典 Arnold 技术后提出的一种改 进的图像加密技术。经过仿真，可以看出

8、，这种新方法可以避免原始方法的周期性，抗破译 性更强。第二种技术在近些年发展很迅速，主要特点是混沌系统的初始值和参数有较好的敏 感性。所以混沌系统具有天生的密码学特性。本文给出了这两种加密技术的相关实现程序及 理论分析，仿真证明两种加密技术都可以很好地使用于远程医疗诊断系统。 五、进度计划 第 1 周第 2 周：开题报告撰写和外文科技论文的翻译 第 3 周第 7 周：学习相关基础理论 第 8 周第 12 周：编程工具的学习阶段 第 13 周第 14 周：写论文 第 15 周第 16 周：上交论文，答辩 指导教师签字时 间 2011 年 3 月 10 日 摘 要 随着计算机网络的发展，远程医疗技

9、术进入迅猛发展时期。由于涉及个人隐私 问题，因此在医学图像进行传输之前必须进行加密处理。 本文针对远程医疗诊断系统中图像传输的特点，提出了两种适合在远程医疗诊 断系统中应用的图像加密技术。首先在研究经典的 Arnold 图像加密技术的基础上， 提出了一种改进后的 Arnold 加密算法，通过引入随机序列，增加了密钥对算法的控 制，同时将图像进行整体与分块的加密处理，使得图像的置乱效果大大提高，满足 了安全性的要求。然后提出了一种基于混沌的图像加密技术，应用 Logistic 映射系 统构造了混沌序列，将得到的混沌序列再与图像序列进行异或运算，从而实现了对 图像的加密。结果表明，本文提出的这两种

10、图像加密技术适合在远程医疗诊断系统 中应用，具有安全性高，加密解密速度快，算法容易实现等优点。 关键词：远程医疗 图像加密 Arnold 算法 混沌加密算法 Abstract With the development of computer network, remote medical technology enters into a rapid development period. Due to privacy issues, we need to make medical image encrypted before transmission . Aiming at the chara

11、cteristics of the image transmission in remote medical diagnostic system , this paper puts forward two kinds of image encryption technologies which are fit for the application of remote medical diagnosis system. First, based on the research of classic Arnold image encryption technology, an improved

12、Arnold encryption algorithm was presented. Through introducing the random sequence, we increases the key to control algorithm, and the encryption processing of overall image with blocks makes the image scrambling effect greatly improved. Therefore the algorithm can meet the safety requirements. Then

13、 this paper proposes the other image encryption technology based on chaotic. With the application of Logistic mapping system, we will get a chaotic sequences with exclusive or operation of image sequences and chaotic sequences, the operation can fulfill the image encryption. The results show that th

14、e two kinds of proposed image encryption technology are suitable for the application of long-distance medical diagnosis system, and have advantages of high safety, , fast speed in encrypt and decrypt, easily realizable algorithm. Key words: Remote medical Image encryption Arnold algorithm Chaotic en

15、cryption algorithm I 目 录 第 1 章 绪论1 1.1 研究目的和意义1 1.2 数字图像加密技术发展现状1 1.3 课题的研究内容2 第 2 章 数字图像加密技术简介3 2.1 数字图像概述3 2.1.1 图像的数字化及数学表示3 2.1.2 数字图像的特点3 2.2 数字图像加密技术的基本原理4 2.2.1 加密传输的理论4 2.2.2 图像加密技术特点4 2.2.3 图像加密方法分类5 2.3 MATLAB 工具简介5 第 3 章 基于矩阵变换及像素置换的图像加密技术7 3.1 经典的 ARNOLD 图像置乱技术7 3.1.1 经典 ARNOLD 变换的定义7 3.

16、1.2 经典 ARNOLD 变换的算法实现和结果分析8 3.2 基于矩阵变换和像素置换的图像加密算法设计9 3.2.1 算法设计过程9 3.2.2 算法设计流程9 3.3 算法实现及结果分析10 3.4 小结10 第 4 章 基于混沌的图像加密技术11 4.1 混沌系统的基本理论11 4.1.1 混沌的定义11 4.1.2 混沌的基本性质12 4.1.3 混沌系统与数字图像12 4.2 基于混沌系统的图像加密算法设计13 4.2.1 加密算法设计13 4.2.2 解密算法设计14 4.3 算法实现及结果分析14 第章 总结17 参考文献18 致谢19 II 附录20 附录 A 外文资料20 附

17、录 B 程序清单28 石家庄铁道大学四方学院毕业论文 1 第 1 章 绪 论 1.1 研究目的和意义 随着 Internet 技术与多媒体技术的飞速发展，多媒体通信逐渐成为人们进行信 息交流的重要手段，人们可以通过网络交流各种信息，进行网上贸易等。图像信息 是多媒体信息中数据量最大，处理最难且研究最新的信息，应用前途十分看好。在 远程医疗系统中，需要将医院中患者的病历(其中包括患者的图像)，通过网络进行 传输。由于这些图像信息涉及个人隐私，或者某些图像数据的特殊性，即发送双方 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， ，而且有的涉及到国家 安全，因而图像数据的保护越来越受到社会的

18、普遍重视1。 通过图像加密技术操作后，原来的数字图像变为类似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 以有效地保护传输中的图像数据。 1.2 数字图像加密技术发展现状 由于图像处理和网络通信的飞速发展，对在因特网和无线网络中实时安全的图 像传输提出了巨大的要求。为了迎接这种挑战，各种各样的加密技术被提出。其中， 早期的图像加解密技术主要是基于像素位置变换的加解密技术和基于秘密分割与秘 密共享的图像加解密技术，但由于人们对安全性、加密速度以及其它各个方面的要 求，基于现代密码体制的图像加解密技术和基于混沌的图像加解密技术被提出。 (1)在

19、图像加密中数字图像置乱起着不可忽视的作用，它类似于对数字图像的空 间域进行如经典密码学对一维信号的置换，或者修改数字图像的变换域参数，使得 修改后的图像成为面目全非的杂乱图像，从而保护了数字图像所要表达的真实内容。 针对数字图象数据的加密，Matias 和 Shamir 在 1988 年提出了一种按照随机空间曲 线填充一帧画面的方法置乱图像2，这类方法可以使用的密钥数量很大，导致非法 破译者需要耗费巨大的计算代价来统计分析地穷举各种可能情况。Scharinger 分别提 出采用参数化的二维混沌映射在空间域对图像的各象素进行排列3。排列是迭代进 行的，迭代次数可以作为密钥的一部分，具有较好的加密

20、效果。置乱变换是数字图 像加密中研究的比较广泛的一种方法。 (2)Shamir 在 1979 年提出的密钥分存的概念4，即把密钥 K 分解为 n 个子密钥 石家庄铁道大学四方学院毕业论文 2 ，并且满足任意 k（1 k n）个子密钥的结合才能恢复密钥 K，而若少于 k 个子密 钥则不能获得密钥 K 的任何信息，也就是密码学上称之为门陷的技术。之后，在 1994 年欧密会上，Naor 和 Shamir 共同提出了二值图像信息的共享方案5。在这种 二值图像信息共享方案中，原始图像的每个黑白像素被 2 个子块所代替，其中每个 子块由 22 个黑白像素构成，生成了两幅数据膨胀了的图像，这两幅图像的叠加

21、得 到放大 4 倍且对比度有所降低的原始图像。Naor 和 Shamir 进一步提出了图像秘密 的任意分存方案，其含义是将密图上一个像素（黑或白）按任意指定的若干图像的 相应像素的黑白进行分存，所指定的图像称为参考图像。 (3)Claude Shannon 于 1949 年发表了一篇题为“保密系统的信息理论”的文章， 用信息论的观点对信息保密问题做了全面的阐述，建立了现代密码学理论6。对于 图像数据来说，这种加密技术就是把待传输的图像看做明文，通过各种加密算法， 如 DES（Data Encryption Standard，数据加密标准） ，RSA （Rivest Shamir Adlemen

22、，一种因特网加密和认证体系）等，在密钥的控制下，达到图像数据的保 密通信。这种加密机制的设计思想是加密算法可以公开，通信的保密性完全依赖于 密钥的保密性。 (4)20 世纪 60 年代，人们发现了一种特殊的自然现象混沌（chaos） 。混沌是一种 非线性动力学规律控制的行为，它对初始条件和系统参数的极端敏感性，白噪声的 统计特性和不可预测性等优良特性，使得混沌具有天生的密码学特性，所以，基于 混沌的图像加密技术在近些年发展很迅速。基于混沌的图像加密技术的基本原理就 是把混沌系统的初始值做为密匙，利用系统产生的混沌序列对待加密的图像信息近 行加密。因为混沌系统是一种复杂的非线性动力学系统，它的伪

23、随机特性和对初始 值极其敏感的依赖性使它在图像加密技术中有着广阔的应用前景。所以，许多基于 混沌的图像加密技术还在不断出现，这对图像加密技术的研究产生深远的影响。 1.3 课题的研究内容 本文在研究图像加密原理的基础上重点研究了两种数字图像加密技术，分别是 改进后的 Arnold 图像加密技术和基于混沌序列的图像加密技术。第一种技术是在分 析了经典 Arnold 技术后提出的一种改进的图像加密技术。从仿真结果可以看出，这 种方法可以避免原方法的周期性，抗破译性更强。第二种技术是基于混沌序列的图 像加密技术，它的主要特点是对混沌系统的初始值和参数有较好的敏感性。本文给 出了这两种加密技术的原理及

24、理论分析，仿真结果表明这两种加密技术都可以很好 地使用于远程医疗诊断系统。 石家庄铁道大学四方学院毕业论文 3 第 2 章 数字图像加密技术简介 2.1 数字图像概述 2.1.1 图像的数字化及数学表示 从视觉角度上讲，图像是用各种观测系统以不同形式和手段观测客观世界而获 得的，可以直接或间接作用于人眼而产生视知觉的实体，是自然界景物或事物的客 观反映。就图像本质来说，可以将图像分为两大类：模拟图像和数字图像。一幅二 维平面图像可用一个二元函数来表示。表示二维空间坐标系中一个,If x y, x y 坐标点的位置，则表示相应实际图像在该点的某个性质的度量值，所有点的度量值 的有序集合构成图像

25、I。一般认为，表示的图像是连续的，如一幅照片、,If x y 一幅图画等。为了能用计算机对图像 I 进行处理，则将连续图像的的值域从,f x y 实数域映射到整数域，即得到数字图像。换言之，数字图像就是图像经过采样、量 化后的二维空间中离散点的有序集合。这些离散点称为像素（pixel） 。 首先，最直观的，以用一个二维矩阵来表示一幅数字图像，矩阵中元素所在的 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，矩阵中各个元素的值 就是数字图像对应位置像素的灰度值（通常有 256 个）或色彩值。例如， 一幅个像素的数字图像，其像素灰度值或色彩值用行列的矩阵 F 来表示，因 x N y N 此可

26、以借助于矩阵的性质和变换来研究数字图像。 2.1.2 数字图像的特点 一般地，模拟图像经采样离散后得到的数字图像具有以下的特点： (1)图像数据信息量很大。例如取 512 512 个像素组成一幅数字图像，如其灰 度级用 8 比特的二进制来表示，则有 28=256 个灰度级，那么这幅图像的数据信息量 即为 512 512 8=2097152 比特。若是彩色图像，数据量更大。对这样大数据量的图 像进行处理，必须要有计算机才能胜任。 (2)数字图像占用的频带较宽。与语言信息相比，占用的频带要大几个数量级。 如电视图像的带宽为 5-6而语言带宽仅为 4左右。频带愈宽，技术实现愈MHZkHz 难，为此对

27、频带压缩技术提出了较高要求。 (3)数字图像中各个图像不是独立的，其相关性很大。就是说，有大块区域的灰 度值是相差不大的。例如在一幅数字电视图像中，同一行中相邻两个像素或相邻两 xy NN 石家庄铁道大学四方学院毕业论文 4 行的像素，其相关系数可达 0.9，而相邻两帧电视图像之间的相关性比帧内相关性还 有大一些，因此图像信息的冗余度很大。 2.2 数字图像加密技术的基本原理 2.2.1 加密传输的理论 一个密码系统包含明文空间、密文空间、密钥空间和算法。其中，算法和密钥 是密码系统的基本单元，算法相对稳定，视为常量，密钥不固定，视为变量。密钥 安全性是系统安全的关键。发送方用加密密钥，通过加

28、密设备或算法，将信息加密 后发送出去。接收方在收到密文后，用解密密钥将密文解密，恢复为明文。具体实 现流程图如下图 2-1 所示： 图 2-1 一个加密、解密过程 2.2.2 图像加密技术特点 与文本信息不同,图像数据有着自己独特的性质:如数据量大、冗余度高、像素间 相关性强等,这使得在处理图像数据时传统的加密方法显得效率不高、效果不理想。 图像加密的特殊性在于7： (1)数据量大、冗余度高的特征通常使加密后的图像数据容易受到来自各种密码 分析方法的攻击。数据量大,攻击者可以获得足够多的密文样本进行统计分析；冗余 度高，邻近的像素很可能具有近似的灰度值。传统的加密算法未能很好解决这一棘 手问题

29、。 (2)与文本相比,图像的数据量大得多，这使得图像的实时加密变得非常困难。 数据量大使传统的加密算法加密一幅图像需花费较长的时间，而且数字图像一般以 二维数组形式进行存储，传统加密算法在加密前得先将图像数据转换成二进制的数 据流，这些都降低了加密的效率。对于实时图像处理，若加密算法运行速度很慢， 即使保密性能非常好，它也没有任何实际价值。 (3)图像中相邻像素之间有很强的相关性，这使快速置乱数据变得非常困难。香 农在信息论中提到，一个足够安全的加密算法应该满足 E ( P / c) = E( P)，其中 P 表 加密解密发送方接收方 加密密钥加密密钥 石家庄铁道大学四方学院毕业论文 5 示明

30、文消息，c 表示密文消息。也就是说加密后的信息要有足够的随机性，不应反 映任何明文信息。一个均匀分布的信息源具有极大的不确定性，因此理想的密文应 该拥有一幅均衡的直方图，它的任何两个相邻像素应该是统计上互不相关的。 (4)数字图像信息并不像文本信息那么敏感，它允许一定的失真度，只要将图像 失真控制在人的视觉不能觉察的范围内是完全可以接受的，许多情况下，甚至视觉 上觉察到一定的失真也是可以的。 2.2.3 图像加密方法分类 目前图像加密技术主要有:图像像素空间位置置乱,图像灰度值变换,对空间位置 与灰度值均进行加密操作。所谓空间位置置乱,就是通过某种方式打乱图像像素的排 列,使得原始图像的内容变

31、得杂乱无章。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(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副图像各像素的次序打乱， 但像素的总个数不变，直方图不变 ，使一副图像各像素的次序打乱，但像素的总个 数不变，直方图不变，使一副图像变得“面目全非” 。但是,单纯地用置乱方法对图 像进行加密有可能会被统

32、计分析方法所破解。图像灰度值变换主要是利用密钥产生 的伪随机序列改变原始图像的灰度值。对空间位置与灰度值均进行加密操作就是把 前两者结合起来的一种思想。 而按加密的对象来分，也可分为两类：一类是直接对图像数据进行加密；另一 类则是对图像数据编码的辅助信息进行加密。而按加密的手段来讲也可以分为两大 类：一类是应用图像数据的特点，再加上现代密码技术来达到加密的目的，如先对 图像数据进行编码，再对编码信息进行加密；另一类是建立一种完全新式的密码体 制来达到对图像数据加密的目的，如应用混沌动力系统加密图像数据。具体来讲主 要有以下几种技术：一、基于置乱的图像加密技术；二、基于伪随机序列的加密技 术；三

33、、基于 SCAN 语言的加密技术；四、基于“密钥图像”的加密技术等等。 2.3 MATLAB 工具简介 Matlab 是近几年来国内外使用最为广泛的优秀科技软件之一，其语法结构简单， 具有极强的数值计算、数据分析、图形绘制及图像处理等功能，具有高质量的图形 石家庄铁道大学四方学院毕业论文 6 可视化效果和强大的界面设计能力，因而在数字图像处理中有着其他语言无法比拟 的优势。Matlab 图像处理工具箱提供了丰富的图像处理函数，几乎涵盖了图像处理 的各个内容。这里采用 Matlab 作为编程工具，有两方面原因：一是对图像的操作算 法主要涉及了矩阵的数学处理变换，而 Matlab 是一种专门为处理

34、矩阵的数学工具， 所以用 Matlab 处理会很简便；另一点是文中的算法是关于图像空间变换，灰度变换 以及块操作的处理，例如，彩色图像与灰度图像转换函数 rgb2gray（） 。所以用 Matlab 进行图像的仿真及变换运算，会得到较好的效果，同时操作很方便。 石家庄铁道大学四方学院毕业论文 7 11 mod 12 xx N y y 第 3 章 基于矩阵变换及像素置换的图像加密技术 3.1 经典的 Arnold 图像置乱技术 随着计算机技术的飞速发展，图像置乱技术已成为数字图像安全传输和保密存 储的主要手段之一。其基本方法是把一幅图像经过变换或数学上的知识，搅乱像素 位置或颜色，将原来有意义的

35、图像信息变换成一幅“杂乱无章”的图像，无法辨认 出原始图像信息。为了确保其机密性，算法中一般引入密钥。图像合法接受方借助 密钥，通过相应算法的逆变换可解密出原始图像。这一过程又称去乱8。此外，目 前给出的置乱加密算法大多是基于数学变换的，去乱过程有时也可通过置乱加密的 周期性获得。 目前，数字图像置乱加密的方法有许多种，如 Arnold 变换，幻方变换，抽样技 术等等，本文中主要应用了在经典 Arnold 变换基础上提出了一种改进的 Arnold 变 换。 3.1.1 经典 Arnold 变换的定义 Arnold Cat 变换是在遍历理论研究中提出的一种变换，俗称猫脸变换。本意为 cat mapping。设想正方形图像大小为, 其内有一点，将点变换到NN, x y, x y 另一点的变换用公式(3-1)表示为： , ,x y (