学 校 编 码 :10384 分 类 号 密 级 学 号 :X2010230271 UDC 硕 士 学 位 论 文 图 像 加 密 与 LSB 水 印 技 术 及 其 在 基 层 电 子 政 务 安 全 中 的 应 用 Methods of Image Encryption and LSB Watermarking and Its Application in the Security of Grass-root E-government 张 方 宁 指 导 教 师 姓 名 : 刘 昆 宏 专 业 名 称 : 软 件 副 教 授 工 程 论 文 提 交 日 期 :2012 年 01 月 论 文 答 辩 时 间 :2012 年 05 月 学 位 授 予 日 期 : 答 辩 委 员 会 主 席 : 评 阅 人 :
2012 年 03 月
厦 门 大 学 学 位 论 文 原 创 性 声 明 本 人 呈 交 的 学 位 论 文 是 本 人 在 导 师 指 导 下, 独 立 完 成 的 研 究 成 果 本 人 在 论 文 写 作 中 参 考 其 他 个 人 或 集 体 已 经 发 表 的 研 究 成 果, 均 在 文 中 以 适 当 方 式 明 确 标 明, 并 符 合 法 律 规 范 和 厦 门 大 学 研 究 生 学 术 活 动 规 范 ( 试 行 ) 另 外, 该 学 位 论 文 为 ( ) 课 题 ( 组 ) 的 研 究 成 果, 获 得 ( ) 课 题 ( 组 ) 经 费 或 实 验 室 的 资 助, 在 ( ) 实 验 室 完 成 ( 请 在 以 上 括 号 内 填 写 课 题 或 课 题 组 负 责 人 或 实 验 室 名 称, 未 有 此 项 声 明 内 容 的, 可 以 不 作 特 别 声 明 ) 声 明 人 ( 签 名 ): 年 月 日
厦 门 大 学 学 位 论 文 著 作 权 使 用 声 明 本 人 同 意 厦 门 大 学 根 据 中 华 人 民 共 和 国 学 位 条 例 暂 行 实 施 办 法 等 规 定 保 留 和 使 用 此 学 位 论 文, 并 向 主 管 部 门 或 其 指 定 机 构 送 交 学 位 论 文 ( 包 括 纸 质 版 和 电 子 版 ), 允 许 学 位 论 文 进 入 厦 门 大 学 图 书 馆 及 其 数 据 库 被 查 阅 借 阅 本 人 同 意 厦 门 大 学 将 学 位 论 文 加 入 全 国 博 士 硕 士 学 位 论 文 共 建 单 位 数 据 库 进 行 检 索, 将 学 位 论 文 的 标 题 和 摘 要 汇 编 出 版, 采 用 影 印 缩 印 或 者 其 它 方 式 合 理 复 制 学 位 论 文 本 学 位 论 文 属 于 : ( )1. 经 厦 门 大 学 保 密 委 员 会 审 查 核 定 的 保 密 学 位 论 文, 于 年 月 日 解 密, 解 密 后 适 用 上 述 授 权 ( )2. 不 保 密, 适 用 上 述 授 权 ( 请 在 以 上 相 应 括 号 内 打 或 填 上 相 应 内 容 保 密 学 位 论 文 应 是 已 经 厦 门 大 学 保 密 委 员 会 审 定 过 的 学 位 论 文, 未 经 厦 门 大 学 保 密 委 员 会 审 定 的 学 位 论 文 均 为 公 开 学 位 论 文 此 声 明 栏 不 填 写 的, 默 认 为 公 开 学 位 论 文, 均 适 用 上 述 授 权 ) 声 明 人 ( 签 名 ): 年 月 日
摘 要 摘 要 随 着 电 子 政 务 应 用 的 不 断 深 入, 使 得 政 府 部 门 的 工 作 方 式 发 生 了 巨 大 的 变 化 电 子 政 务 给 政 府 工 作 带 来 方 便 和 高 效 率 的 同 时, 也 带 来 许 多 安 全 问 题 街 道 社 区 作 为 最 基 层 的 政 府 部 门, 其 电 子 政 务 建 设 同 样 面 临 着 严 峻 的 信 息 安 全 问 题 信 息 被 非 法 篡 改, 个 人 隐 私 被 泄 露 以 及 各 种 数 字 作 品 被 未 授 权 复 制 等 非 法 现 象 时 常 发 生 因 此 如 何 保 证 基 层 电 子 政 务 数 字 信 息 的 安 全 已 成 为 人 们 关 注 的 重 点 本 文 将 分 别 从 数 字 图 像 加 密 和 数 字 水 印 这 两 个 方 面 来 阐 述 保 障 数 字 信 息 安 全 的 方 法 在 数 字 图 像 加 密 方 面, 本 文 从 介 绍 密 码 学 理 论 入 手, 然 后 介 绍 了 数 字 图 像 的 数 学 表 示 形 式 ; 根 据 数 字 图 像 的 特 性 分 析, 明 确 对 图 像 的 加 密 不 仅 可 以 在 空 间 域 上 展 开, 同 时 也 可 以 在 数 字 图 像 的 变 换 域 上 进 行 ; 然 后 分 类 介 绍 了 几 种 图 像 加 密 技 术 ; 对 于 数 字 图 像 加 密 的 具 体 实 现, 本 文 详 细 介 绍 了 三 种 方 法, 包 括 基 于 矩 阵 的 RGB 置 乱 加 密, 基 于 Logistic 混 沌 映 射 的 图 像 加 密 和 基 于 Arnold 置 乱 的 图 像 加 密 在 数 字 水 印 技 术 方 面, 首 先 阐 述 了 数 字 图 像 水 印 技 术 的 基 本 原 理 和 它 的 分 类 ; 然 后 详 细 介 绍 了 经 典 空 间 域 数 字 水 印 算 法 基 于 LSB 的 数 字 水 印 算 法 本 文 实 现 了 以 上 相 关 算 法, 并 展 示 了 一 个 演 示 系 统 在 实 现 系 统 时, 为 了 让 该 算 法 具 有 一 定 的 鲁 棒 性, 在 算 法 实 现 时 让 水 印 信 息 均 匀 的 分 布 在 宿 主 图 像 中, 并 为 了 提 高 水 印 的 安 全 性, 对 水 印 图 像 做 了 加 密 的 预 处 理 关 键 字 : 图 像 加 密 ; 数 字 水 印 ; Arnold 变 换 ; I
Abstract Abstract With the deep development of E-government application, the modes of government workings change largely. But E-government brings security problems along with the high efficiency. As an important node, the E-government construction of Street Community also faces the severe security problems. Unauthorized tampered personal information, personal privacy leak and various unauthorized copy of digital works and other illegal phenomena happen often. Therefore, how to guarantee the safety of digital information has been a major concern. The dissertation respectively from the digital image encryption and digital watermark elaborates the information safety protection methods. In the digital image encryption, the dissertation begins at the introduction of its theory, then with the mathematical representation of digital image; According to the characteristics of digital images, it shows that the image encryption can not only spread in spatial domain, also spread in the transform domain of digital image; Then it in classification introduces some image encryption technologies; For concrete implementation of digital image encryption, the dissertation introduces three kinds of methods, including matrix based RGB scrambling encryption, Logistic chaos system based image encryption and Arnold transformation based image encryption. In digital watermarking technology, it first expounds the basic principles of technology and classification of digital image watermarking; then introduces classic space domain digital watermarking algorithm - LSB watermarking algorithm. In order to achieve certain robustness in the algorithm, the dissertation lets watermarking information evenly distributed in host image, and in order to improve the security of watermark, making encryption preprocessing to the watermark image. Keywords: Image Encryption; Digital Watermark; Arnold Transformation; II
目 录 目 录 第 一 章 绪 论... 1 1.1 课 题 研 究 的 背 景 和 意 义... 错 误! 未 定 义 书 签 1.2 研 究 历 史 与 现 状... 3 1.3 研 究 内 容... 6 1.4 论 文 组 织 结 构... 7 第 二 章 数 字 图 像 加 密 技 术 概 述... 9 2.1 密 码 学 综 述... 9 2.1.1 密 码 学 系 统... 9 2.1.2 密 码 学 分 类... 10 2.2 数 字 图 像 加 密 技 术 简 介... 12 2.3 图 像 加 密 技 术... 13 2.3.1 基 于 矩 阵 变 换 及 像 素 置 换 的 图 像 加 密 技 术... 14 2.3.2 基 于 秘 密 分 割 与 秘 密 共 享 的 图 像 加 密 技 术... 14 2.3.3 基 于 现 代 密 码 体 制 的 图 像 加 密 技 术... 15 2.3.4 基 于 混 沌 的 图 像 加 密 算 法... 15 2.3.5 基 于 变 换 域 的 加 密 方 法... 16 2.4 本 章 小 结... 16 第 三 章 数 字 水 印 技 术 概 述... 17 3.1 信 息 隐 藏 技 术 原 理... 17 3.2 数 字 水 印 技 术 的 基 本 原 理... 18 3.3 数 字 水 印 技 术 的 分 类 及 常 用 的 算 法... 19 3.3.1 空 间 域 数 字 水 印... 19 3.3.2 频 域 数 字 水 印... 20 3.4 本 章 小 结... 20 第 四 章 数 字 图 像 加 密 和 解 密 实 现... 21 4.1 基 于 矩 阵 的 RGB 置 乱 加 密 和 解 密... 21 4.1.1 彩 色 图 像 的 RGB 颜 色 空 间... 21 4.1.2 算 法 描 述... 21 4.1.3 算 法 实 现... 23 4.1.4 实 验 结 果... 25 4.2 基 于 Logistic 混 沌 映 射 的 图 像 加 密 和 解 密... 26 4.2.1 Logistic 映 射 概 述... 26 4.2.2 算 法 描 述 与 实 现... 28 III
数 字 图 像 加 密 与 LSB 水 印 技 术 及 其 在 基 层 电 子 政 务 安 全 中 的 应 用 4.2.3 实 验 结 果... 30 4.3 基 于 Arnold 置 乱 的 图 像 加 密 和 解 密... 31 4.3.1 Arnold 变 换... 31 4.3.2 算 法 描 述 与 实 现... 32 4.3.3 实 验 结 果... 34 4.4 组 合 加 密... 35 4.5 图 像 加 密 效 果 评 价... 36 4.5.1 主 观 评 价... 36 4.5.2 客 观 评 价... 37 4.6 本 章 小 结... 39 第 五 章 基 于 LSB 的 数 字 水 印 实 现... 40 5.1 LSB 数 字 水 印... 40 5.2 算 法 描 述 与 实 现... 40 5.3 实 验 结 果... 42 5.4 本 章 小 结... 46 第 六 章 图 像 加 解 密 与 LSB 水 印 技 术 在 电 子 政 务 安 全 中 的 应 用.. 47 6.1 系 统 应 用 背 景 分 析... 错 误! 未 定 义 书 签 6.2 应 用 业 务 流 程 分 析... 52 6.3 系 统 设 计... 51 6.3.1 系 统 开 发 工 具 的 选 择... 52 6.3.2 原 型 系 统 的 功 能 结 构... 53 6.3.3 系 统 界 面 设 计... 37 6.4 系 统 实 现... 53 6.4.1 辅 助 结 构 及 工 具 函 数... 54 6.4.2 图 像 加 密 和 解 密 功 能 实 现... 55 6.4.3 水 印 嵌 入 和 水 印 提 取 的 功 能 实 现... 56 6.5 系 统 应 用 结 果... 59 6.5.1 图 像 加 解 密 技 术 的 应 用... 56 6.5.2 水 印 嵌 入 和 提 取 技 术 的 应 用... 57 6.5.3 水 印 加 密 嵌 入 和 提 取 技 术 的 应 用... 58 6.6 本 章 小 结... 59 第 七 章 总 结 与 展 望... 60 7.1 总 结... 60 7.2 工 作 展 望... 61 参 考 文 献... 62 致 谢... 63 IV
Contents Contents Chapter 1 Introduction... 1 1.1 Research Backgrounds... 错 误! 未 定 义 书 签 1.2 History and Recent Status... 3 1.3 Main work of this Dissertation... 6 1.4 Organization of this Dissertation... 7 Chapter 2 Overview to Image Encryption... 9 2.1 Introduction to Cryptography... 9 2.1.1 Cryptography System... 9 2.1.2 Cryptography Classification... 10 2.2 Digital Image Encryption Sketch... 12 2.3 Technologies of Image Encryption... 13 2.3.1 Matrix Transform and Pixel Permuting Based Image Encryption... 13 2.3.2 Confidential Division and Sharing Based Image Encryption... 14 2.3.3 Modern Cipher Structure Based Image Encryption... 15 2.3.4 Chaos Based Image Encryption Algorithm... 15 2.3.5 Transforming Domain Based Encryption... 16 2.4 Summary... 16 Chapter 3 Overview to Watermarking Technology... 17 3.1 Information Hiding Principles... 17 3.2 Basic Principles of Watermarking Technology... 18 3.3 Classification and Usual Algorithms of Watermarking Technology... 19 3.3.1 Space Domain Digital Watermarking... 19 3.3.2 Frequency Transforming Domain Watermarking... 20 3.4 Summary... 20 Chapter 4 Digital Image Encryption and Decryption... 21 4.1 Matrix Based RGB Scrambling Encryption and Decryption... 21 4.1.1 RGB Color Model... 21 4.1.2 Algorithm Description... 21 4.1.3 Algorithm Implementation... 23 4.1.4 Experimental Result... 25 4.2 Logistic Chaos System Based Image Encryption and Decryption... 26 4.2.1 Logistic Chaos System Sketch... 26 4.2.2 Algorithm Description and Implementation... 28 V
数 字 图 像 加 密 与 LSB 水 印 技 术 及 其 在 基 层 电 子 政 务 安 全 中 的 应 用 4.2.3 Experimental Result... 30 4.3 Arnold Transformation Based Image Encryption and Decryption... 31 4.3.1 Arnold Transformation... 31 4.3.2 Algorithm Description and Implementation... 32 4.3.3 Experimental Result... 34 4.4 Combination Encryption... 35 4.5 Evaluation of Image Encryption... 36 4.5.1 Subjective Evaluation... 36 4.5.2 Objective Evaluation... 37 4.6 Summary... 39 Chapter 5 Implementation of LSB Based Watermarking... 40 5.1 LSB Based Watermarking Introduction... 40 5.2 Algorithm Description and Implementation... 40 5.3 Experimental Result... 42 5.4 Summary... 46 Chapter 6 Technologies Applications in Security of E-government... 47 6.1 OpenCV Sketch... 错 误! 未 定 义 书 签 6.2 Function Structure of Demonstrating System... 529 6.3 System Design... 51 6.3.1 OpenCV Sketch... 52 6.3.2 Function Structure of Demonstrating System... 53 6.3.3 Interface Design... 53 6.4 System Implementation... 53 6.4.1 Auxiliary Structure and Tool Function... 554 6.4.2 Function Implementation of Image Encryption and Deciphering... 55 6.4.3 Function Implementation of Watermarking Implant and Extract... 56 6.5 Application Results... 59 6.5.1 Applications of Image Encryption and Deciphering... 56 6.5.2 Applications of Watermarking Implant and Extract... 56 6.6 Summary... 59 Chapter 7 Conclusions and Future Work... 60 7.1 Conclusions... 60 7.2 Future Work... 61 References... 62 Acknowledgements... 63 VI
第 一 章 绪 论 第 一 章 绪 论 1.1 课 题 研 究 的 背 景 和 意 义 电 子 政 务 (E-government) 是 指 政 府 机 构 应 用 现 代 信 息 和 通 信 技 术, 将 管 理 和 服 务 通 过 网 络 技 术 进 行 集 成, 在 互 联 网 上 实 现 政 府 组 织 结 构 和 工 作 流 程 的 优 化 重 组, 超 越 时 间 空 间 与 部 门 分 隔 的 限 制, 全 方 位 地 向 社 会 提 供 优 质 规 范 透 明 符 合 国 际 水 准 的 管 理 和 服 务 从 结 构 上 看, 电 子 政 务 是 一 个 由 内 网 ( 包 括 核 心 数 据 层 和 办 公 业 务 层 ) 外 网 ( 公 众 服 务 ) 和 互 联 网 ( 数 据 交 换 层 ) 三 级 网 络 构 成 的 庞 大 的 信 息 系 统 随 着 全 球 政 治 经 济 一 体 化 步 伐 的 加 快, 以 电 子 政 务 为 代 表 的 政 府 管 理 服 务 职 能 的 电 子 化 自 动 化 无 纸 化 正 在 一 些 国 家, 尤 其 是 发 达 国 家 中 兴 起 我 国 自 实 施 政 府 上 网 计 划 以 来, 各 级 政 府 的 电 子 政 务 建 设 发 展 很 快 由 于 电 子 政 务 依 赖 于 计 算 机 和 网 络 技 术 这 一 平 台 而 存 在, 就 意 味 着 其 应 用 不 可 避 免 地 存 在 着 由 于 Internet 的 自 由 开 放 所 带 来 的 信 息 安 全 隐 患 [1] 网 络 构 成 的 虚 拟 社 会 一 直 都 不 安 宁, 网 上 个 人 信 息 的 被 泄 露 篡 改 和 假 冒, 黑 客 入 侵, 计 算 机 犯 罪, 计 算 机 病 毒 传 播 等 不 良 行 为 时 常 发 生, 对 网 络 信 息 形 成 了 重 大 威 胁 因 此 信 息 的 安 全 问 题 显 得 越 来 越 突 出, 信 息 安 全 技 术 也 正 越 来 越 受 到 全 社 会 的 普 遍 关 注 信 息 安 全 技 术 不 但 关 系 到 个 人 通 信 的 隐 私 问 题, 还 关 系 到 一 个 企 业 的 商 业 机 密 和 企 业 的 生 存 问 题, 甚 至 关 系 到 一 个 国 家 的 安 全 问 题 [2] 信 息 安 全 主 要 体 现 在 信 息 的 保 密 性 完 整 性 可 用 性 这 三 个 方 面 [3] 其 中, 保 密 性 是 指 对 信 息 的 存 储 传 输 进 行 保 护, 确 保 信 息 不 泄 露 给 未 经 授 权 的 个 人 实 体 和 进 程, 或 供 其 使 用 的 特 性 ; 完 整 性 是 指 保 护 信 息 不 遭 到 非 授 权 的 修 改 破 坏 ; 可 用 性 是 指 合 法 用 户 访 问 并 能 按 要 求 顺 序 使 用 信 息 的 特 性, 即 保 证 合 法 用 户 在 需 要 时 可 以 访 问 到 信 息 及 相 关 资 产 另 外 信 息 安 全 还 包 括 可 控 制 性 和 抗 审 查 性 信 息 安 全 的 核 心 技 术 是 信 息 加 密 技 术 本 文 从 数 字 图 像 加 密 和 数 字 水 印 这 两 1
数 字 图 像 加 密 与 LSB 水 印 技 术 及 其 在 基 层 电 子 政 务 安 全 中 的 应 用 个 方 面 来 阐 述 保 障 数 字 信 息 安 全 的 方 法 : (1) 信 息 可 以 通 过 符 号 文 本, 数 据, 语 音, 图 像, 视 频 等 多 种 形 式 来 表 达 在 不 同 的 情 况 下, 人 们 总 是 会 根 据 当 时 的 条 件 合 理 运 用 这 些 表 达 形 式 来 进 行 交 流 其 中, 图 像 是 具 有 直 观 形 象 和 生 动 优 点 的 信 息 表 达 形 式 同 时, 随 着 计 算 机 网 络 和 多 媒 体 等 技 术 的 迅 猛 发 展, 数 字 图 像 克 服 了 以 往 因 图 像 数 据 量 大 而 带 来 的 存 储 和 传 输 问 题, 它 正 在 或 者 已 经 成 为 一 种 主 流 的 信 息 表 达 方 式 [4] 在 人 们 的 日 常 生 活 中, 图 像 的 使 用 也 伴 随 着 人 们, 如 数 码 摄 像, 手 机 拍 照,QQ 视 频 和 在 网 络 中 分 享 的 各 种 照 片 等 都 与 图 像 息 息 相 关 由 于 数 字 图 像 使 用 的 方 便 性 和 广 泛 性, 图 像 信 息 的 安 全 也 受 到 了 强 大 的 威 胁 信 息 一 旦 出 现 在 网 络 上, 它 将 可 能 被 轻 易 地 获 取, 对 原 始 信 息 的 非 法 复 制 和 未 经 授 权 的 传 播, 导 致 个 人 隐 私 的 泄 露, 以 及 蓄 意 修 改 个 人 信 息 都 会 带 来 严 重 的 后 果 这 样 在 人 们 享 受 图 像 给 生 活 带 来 诸 多 便 利 的 同 时, 也 越 来 越 关 注 保 障 数 字 图 像 安 全 的 方 法 如 何 保 障 数 字 图 像 信 息 的 安 全 是 国 际 上 热 门 的 研 究 课 题 之 一 图 像 加 密 技 术 是 保 障 数 字 图 像 信 息 安 全 措 施 的 一 个 重 要 分 支, 它 是 一 个 结 合 了 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 (2) 信 息 安 全 技 术 经 过 多 年 的 发 展, 已 经 从 密 码 技 术 发 展 到 了 隐 藏 技 术 [2] 信 息 隐 藏 技 术 就 是 把 机 密 信 息 隐 藏 在 含 有 大 量 信 息 的 其 他 媒 体 ( 如 音 频, 视 频, 图 像 ) 中, 通 过 载 体 的 传 输, 实 现 机 密 信 息 的 传 递 信 息 隐 藏 技 术 通 常 以 会 以 某 种 媒 体 作 为 载 体, 将 机 密 信 息 嵌 入 到 其 中, 以 一 种 只 有 授 权 者 才 知 道 信 息 存 在 的 秘 密 途 径 传 送 信 息 虽 然 信 息 隐 藏 与 信 息 加 密 都 是 致 力 于 信 息 的 保 密 技 术, 但 是, 两 者 的 设 计 思 想 完 全 不 同 信 息 加 密 主 要 通 过 设 计 加 密 技 术, 使 保 密 信 息 不 可 读, 但 是 对 于 非 授 权 者 来 说, 虽 然 他 无 法 获 知 保 密 信 息 的 具 体 内 容, 但 却 能 意 识 到 保 密 信 息 的 存 在 ; 而 信 息 隐 藏 则 致 力 于 通 过 审 计 精 妙 的 方 法, 使 得 非 授 权 者 根 本 无 从 得 知 保 密 信 息 的 存 在 与 否 相 对 于 现 代 密 码 学 来 讲, 信 息 隐 藏 的 最 大 优 势 在 于 它 并 不 限 制 对 主 信 号 ( 载 体 ) 的 储 存 和 访 问, 而 是 致 力 于 签 名 信 号 的 安 全 保 密 性 [6] 作 为 信 息 隐 藏 技 术 的 一 个 重 要 分 支, 数 字 水 印 技 术 就 是 近 年 来 比 较 热 门 的 数 字 产 品 版 权 保 护 技 术 2
第 一 章 绪 论 1.2 研 究 历 史 与 现 状 1.2.1 电 子 政 务 安 全 现 状 电 子 政 务 的 网 络 应 用 系 统 必 然 涉 及 到 国 家 和 本 单 位 的 秘 密, 涉 及 到 多 种 敏 感 数 据 和 各 类 重 要 文 件, 因 此 对 安 全 保 障 系 统 有 非 常 高 的 要 求 进 而 言 之, 电 子 政 务 系 统 信 息 安 全 的 宗 旨 就 是 通 过 在 实 现 信 息 系 统 时 充 分 考 虑 信 息 风 险, 从 而 确 保 一 个 政 府 部 门 能 够 有 效 地 完 成 法 律 所 赋 予 的 政 府 职 能 电 子 政 务 面 临 的 威 胁 导 致 了 对 电 子 政 务 安 全 的 需 求, 也 是 真 正 实 现 一 个 安 全 电 子 政 务 系 统 所 要 求 做 到 的 各 个 方 面, 主 要 包 括 机 密 性 完 整 性 认 证 性 不 可 抵 赖 性 和 有 效 性 : (1) 机 密 性 电 子 政 务 作 为 政 府 服 务 的 一 种 手 段, 直 接 代 表 着 个 人 机 构 或 国 家 的 机 密 电 子 政 务 是 建 立 在 一 个 较 为 开 放 的 网 络 环 境, 维 护 政 府 机 密 是 电 子 政 务 全 面 推 广 应 用 的 重 要 保 障 因 此, 要 预 防 非 法 的 信 息 存 取 和 信 息 在 传 输 过 程 中 被 非 法 窃 取 机 密 性 一 般 通 过 密 码 技 术 来 对 传 输 的 信 息 进 行 加 密 处 理 来 实 现 (2) 完 整 性 电 子 政 务 简 化 了 服 务 过 程, 减 少 了 人 为 的 干 预, 同 时 也 带 来 维 护 各 方 信 息 的 完 整 统 一 的 问 题 由 于 数 据 输 入 时 的 意 外 差 错 或 欺 诈 行 为, 可 能 导 致 各 方 信 息 的 差 异 此 外, 数 据 传 输 过 程 中 信 息 的 丢 失 信 息 重 复 或 信 息 传 送 的 次 序 差 异 也 会 导 致 各 方 信 息 的 不 同 各 方 信 息 的 完 整 性 将 影 响 到 各 方 对 电 子 政 务 的 满 意 度, 各 方 信 息 的 完 整 性 是 电 子 政 务 应 用 的 基 础 因 此, 要 预 防 对 信 息 的 随 意 生 成 修 改 和 删 除, 同 时 要 防 止 数 据 传 送 过 程 中 信 息 的 丢 失 和 重 复 并 保 证 信 息 传 送 次 序 的 统 一 完 整 性 一 般 可 通 过 提 取 信 息 消 息 摘 要 的 方 式 来 获 得 (3) 认 证 性 由 于 电 子 政 务 系 统 的 特 殊 性, 政 务 活 动 通 常 都 是 在 虚 拟 的 网 络 环 境 中 进 行, 所 以 对 个 人 或 机 构 实 体 进 行 身 份 性 确 认 成 了 电 子 政 务 中 很 重 要 的 一 环 对 人 或 实 体 的 身 份 进 行 鉴 别, 为 身 份 的 真 实 性 提 供 保 证, 即 双 方 能 够 在 相 互 不 见 面 的 情 况 下 确 认 对 方 的 身 份 这 意 味 着 当 某 人 或 实 体 声 称 具 有 某 个 特 定 的 身 份 时, 鉴 别 服 务 将 提 供 一 种 方 法 来 验 证 其 声 明 的 正 确 性, 一 般 都 通 过 认 证 机 构 CA 和 证 书 来 实 现 (4) 有 效 性 电 子 政 务 以 电 子 形 式 取 代 了 纸 张, 那 么 如 何 保 证 这 种 电 子 形 3
数 字 图 像 加 密 与 LSB 水 印 技 术 及 其 在 基 层 电 子 政 务 安 全 中 的 应 用 式 的 信 息 的 有 效 性 则 是 开 展 电 子 政 务 的 前 提 电 子 政 务 作 为 政 务 的 一 种 形 式, 其 信 息 的 有 效 性 将 直 接 关 系 到 个 人 机 构 或 国 家 的 利 益 和 声 誉 因 此, 要 对 网 络 故 障 操 作 错 误 应 用 程 序 错 误 硬 件 故 障 系 统 软 件 错 误 及 计 算 机 病 毒 所 产 生 的 潜 在 威 胁 加 以 控 制 和 预 防, 以 保 证 数 据 在 确 定 的 时 刻 确 定 的 地 点 是 有 效 的 (5) 不 可 抵 赖 性 如 何 确 定 要 进 行 服 务 的 服 务 对 象 是 进 行 服 务 所 期 望 的 服 务 对 象 这 一 问 题 则 是 保 证 电 子 政 务 顺 利 进 行 的 关 键 要 在 政 务 信 息 的 传 输 过 程 中 为 参 与 政 务 活 动 的 个 人 机 构 或 国 家 提 供 可 靠 的 标 识 不 可 抵 赖 性 可 通 过 对 发 送 的 消 息 进 行 数 字 签 名 来 获 取 然 而, 我 国 电 子 政 务 面 临 的 安 全 现 状 不 容 乐 观, 特 别 是 在 基 层 政 府 机 关, 其 电 子 政 务 的 安 全 堪 忧, 如 : 电 子 政 务 信 息 系 统 存 在 网 络 缺 陷 及 软 件 漏 洞 问 题, 因 黑 客 恶 意 攻 击 或 病 毒 传 播 导 致 的 安 全 问 题, 数 据 泄 漏 或 用 户 验 证 导 致 的 安 全 问 题, 管 理 欠 缺 等 除 了 这 些 一 般 性 安 全 问 题 之 外, 我 国 的 电 子 政 务 系 统 还 存 在 众 多 额 外 的 安 全 隐 患, 那 就 是 我 国 的 各 级 政 府 部 门 目 前 所 选 用 的 高 端 软 硬 件 平 台, 基 本 上 都 是 国 外 公 司 的 产 品 近 些 年 来, 国 外 公 司 技 术 垄 断 所 造 成 的 危 害, 己 经 逐 步 显 现 如 何 建 设 和 完 善 电 子 政 务 安 全, 以 满 足 政 府 服 务 大 众, 提 高 行 政 效 率, 推 进 电 子 政 务 的 发 展, 是 我 们 面 临 的 紧 迫 的 课 题 从 长 远 来 看 为 保 证 我 国 电 子 政 务 的 正 常 发 展, 对 电 子 政 务 安 全 进 行 研 究, 发 展 自 主 的 电 子 政 务 安 全 技 术 是 十 分 必 要 的 总 之, 安 全 是 电 子 政 务 的 核 心, 其 重 要 性 毋 庸 置 疑 电 子 政 务 安 全 首 先 是 国 家 安 全 问 题, 安 全 是 国 家 的 根 本 利 益 所 在 电 子 政 务 安 全 是 国 家 各 种 利 益 得 以 保 证 的 基 础, 发 展 电 子 政 务 是 政 府 转 变 职 能 转 换 运 行 机 制 提 高 行 政 效 率 增 加 行 政 管 理 透 明 度 促 进 政 府 信 息 资 源 共 享 方 面 的 共 同 需 求, 所 代 表 的 不 仅 是 政 府 部 门 的 利 益, 更 代 表 企 业 和 公 众 的 利 益 电 子 政 务 安 全 是 社 会 稳 定 的 基 本 保 障, 电 子 政 务 大 大 增 强 了 政 务 的 社 会 服 务 职 能, 使 企 业 的 经 营 和 公 众 的 生 活 越 来 越 依 赖 电 子 政 务 系 统 的 安 全 运 行, 一 旦 某 环 节 出 问 题, 势 必 造 成 社 会 秩 序 的 混 乱 我 们 要 坚 持 引 进 吸 收 的 前 提 下, 组 织 各 方 面 力 量, 自 主 研 制 和 开 发 具 有 独 立 知 识 产 权 信 自 安 全 产 品, 制 定 符 合 我 国 国 情 的 电 子 政 务 安 全 的 行 政 法 规, 逐 步 掌 握 信 息 安 全 核 心 技 术, 并 从 宏 观 上 加 以 调 控, 为 我 国 电 子 政 务 发 展 构 筑 安 全 的 屏 障 4
第 一 章 绪 论 1.2.2 图 像 加 密 和 数 字 水 印 发 展 现 状 数 字 图 像 加 密 技 术 源 于 早 期 的 经 典 密 码 学 理 论 [2] 密 码 学 的 发 展 由 来 已 久, 其 历 史 可 以 追 溯 到 几 千 年 以 前 加 密 最 终 目 的 就 是 将 信 息 隐 藏 起 来, 对 未 授 权 的 人 保 留 信 息 的 真 实 含 义 早 在 四 千 多 年 以 前, 古 埃 及 人 就 开 始 使 用 密 码 技 术 来 保 密 要 传 递 的 消 息 一 直 到 第 一 次 世 界 大 战 前, 密 码 技 术 的 进 展 很 少 公 布, 直 到 1918 年,William F.Friedman 的 论 文 The Index of Coincidence and Its applications in Cryptography 发 表 时, 情 况 才 有 所 好 转 在 这 段 漫 长 的 时 期 内, 信 息 的 保 密 基 本 上 靠 人 工 对 消 息 加 密 传 输 和 防 破 译 ; 其 应 用 也 主 要 限 制 于 军 事 目 的, 只 为 少 数 人 掌 握 和 控 制 所 以, 它 的 发 展 受 到 了 限 制 1949 年, 保 密 系 统 的 通 信 理 论 的 发 表 为 密 码 技 术 奠 定 了 坚 实 的 理 论 基 础, 使 密 码 学 真 正 成 为 了 一 门 学 科 1976 年,W.E. Diffie 和 M.E. Hellman 发 表 了 New Direction in Cryptography 一 文, 提 出 了 一 种 全 新 的 密 码 设 计 思 想, 并 首 次 证 明 了 在 发 送 端 和 接 受 端 不 需 要 传 送 密 钥 的 保 密 通 信 是 可 能 的, 从 而 开 创 了 公 钥 密 码 技 术 的 新 纪 元, 成 为 现 代 密 码 技 术 的 一 个 里 程 碑 1977 年 美 国 国 家 标 准 局 NBS 正 式 公 布 了 数 据 加 密 标 准 DES, 将 DES 算 法 公 开, 从 而 促 进 了 DES 的 推 广 1978 年 第 一 个 最 成 熟 的, 也 是 迄 今 为 止 理 论 上 最 成 功 的 公 钥 密 码 体 制 RSA 公 钥 密 码 技 术 实 现 1984 年 一 种 基 于 量 子 定 律 的 密 码 技 术 BB84 协 议 被 提 出, 它 是 一 种 具 有 发 现 窃 听 等 攻 击 行 为 和 抗 击 具 有 无 限 计 算 能 力 攻 击 功 能 的 密 码 学 技 术 1985 年 公 钥 密 码 技 术 中 成 功 运 用 那 个 了 椭 圆 曲 线 卢 纶, 成 为 了 公 钥 密 码 技 术 研 究 的 新 亮 点 与 此 同 时, 密 码 技 术 的 另 一 个 重 要 方 向 序 列 密 码 理 论 也 取 得 了 重 大 的 进 展 1989 年, 序 列 米 娜 及 保 密 通 信 理 论 使 用 了 混 沌 理 论, 为 序 列 密 码 的 研 究 开 辟 了 一 条 新 的 途 径 80 年 代 以 来, 密 码 学 的 研 究 如 雨 后 春 笋 般 进 入 了 全 面 发 展 阶 段, 一 系 列 的 密 码 协 议 与 密 码 算 法 相 继 产 生 2000 年, 新 的 加 密 技 术 标 准 AES 颁 布, 取 代 了 DES 算 法 在 网 络 技 术 与 多 媒 体 技 术 飞 速 发 展 的 影 响 下, 信 息 的 安 全 和 保 密 变 得 尤 为 重 要, 而 数 字 图 像 作 为 信 息 表 达 较 为 形 象 生 动 和 直 接 的 一 种 形 式, 如 何 保 障 其 安 全 性 也 是 当 前 的 热 门 研 究 课 题 之 一 传 统 的 密 码 学 着 眼 于 文 本 资 料 的 加 密 处 理, 为 数 字 图 像 的 加 密 提 供 了 最 直 接 的 理 论 依 据, 但 是 它 常 常 考 虑 的 是 二 进 制 流, 忽 略 5
数 字 图 像 加 密 与 LSB 水 印 技 术 及 其 在 基 层 电 子 政 务 安 全 中 的 应 用 了 图 像 的 视 觉 效 果 数 字 图 像 数 据 量 大, 要 求 加 密 具 有 实 时 性, 传 统 的 加 密 方 法 并 不 适 合 ; 传 统 的 计 算 机 图 形 学 着 眼 于 图 形 图 像 的 数 字 生 成, 又 忽 略 了 对 图 像 的 安 全 性 研 究 [1] 对 于 数 字 图 像, 有 两 种 有 效 的 保 护 技 术 [7] 其 一 是 近 年 来 发 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 合 适 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 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 随 着 人 们 对 知 识 产 权 的 重 视 及 娱 乐 工 业 的 发 展, 可 以 预 见, 图 像 加 密 技 术 会 有 广 阔 的 应 用 前 景 近 年 来, 针 对 数 字 图 像 数 据 量 大 这 一 特 点, 许 多 关 于 的 图 像 加 密 算 法 出 现 [2] 按 加 密 时 有 无 数 据 压 缩 可 分 为 两 大 类, 即 加 密 的 同 时 有 数 据 压 缩 及 只 有 加 密 而 无 数 据 压 缩 两 类 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 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 这 些 分 类 方 法 实 际 体 现 在 某 一 具 体 的 算 法 上 时 是 相 互 交 叉 的, 只 是 看 问 题 的 角 度 不 同 而 己 具 体 来 讲 主 要 有 以 下 几 种 技 术 : 基 于 置 乱 的 图 像 加 密 技 术 ; 基 于 伪 随 机 序 列 的 加 密 技 术 ; 基 于 SCAN 语 言 的 加 密 技 术 ; 基 于 密 钥 图 像 的 加 密 技 术 ; 基 于 四 叉 树 编 码 及 SCAN 语 言 的 加 密 技 术 ; 基 于 图 像 的 矢 量 量 化 压 缩 编 码 技 术 及 商 业 密 码 加 密 技 术 等 等 1.3 研 究 内 容 我 国 地 方 政 府 机 构 中, 基 层 电 子 政 务 的 建 设 是 至 关 重 要 的, 处 在 整 个 国 家 电 子 政 务 体 系 的 核 心 位 置 因 此, 本 文 将 以 基 层 电 子 政 务 安 全 建 设 为 研 究 背 景, 分 6
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