數(shù)據(jù)壓縮與加密的協(xié)調(diào)性研究.pdf

1、數(shù)據(jù)壓縮與加密的關(guān)系包含四種情形：先壓縮后加密、先加密后壓縮、加密中嵌入壓縮和壓縮中嵌入加密。在傳統(tǒng)的信號處理過程中，一般是按照第一種情形處理數(shù)據(jù)的，即發(fā)送端先對數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼操作，然后再進(jìn)行加密處理，而接收端的處理過程則是先解密后解壓。壓縮的目的是盡可能的減少數(shù)據(jù)傳輸量和存儲空間，而加密的目的則是為了保證數(shù)據(jù)的機(jī)密性，故兩者各盡其能，互不影響。然而涉及到另外三種情形時(shí)，兩者則會相互制約，相互影響，甚至存在一些不可調(diào)和的矛盾。即使如此

2、，另外三種情形的研究在近些年來也有不同程度的發(fā)展，因?yàn)樗鼈兡軡M足某些情況下信號處理的特殊需求。
　　先加密后壓縮，一種可行的辦法就是加密時(shí)可采用輕度加密，例如只有置亂操作或者單個(gè)值的異或擴(kuò)散。只有置亂操作的加密重排了數(shù)據(jù)，雖然會減弱數(shù)據(jù)間的相關(guān)性，但不會改變直方圖，數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特性保持不變，故有進(jìn)一步的壓縮空間。雖然輕度的加密不是足夠安全，但是在某些情況下恰好能滿足特定應(yīng)用的需求。自然圖像的魯棒編碼和密文圖像的有效壓縮均已被研究了許

3、多年，但是密文圖像的魯棒編碼仍然沒有人研究過。本文首次設(shè)計(jì)了這樣一種方案，利用結(jié)構(gòu)化隨機(jī)矩陣的壓縮傳感，將其測量矩陣拆分為實(shí)施置亂加密的矩陣和進(jìn)行測量的矩陣，實(shí)現(xiàn)了密文圖像的魯棒編碼。這個(gè)方案應(yīng)用于場景：Alice需要半誠信的信道提供者Charlie把圖像傳輸給Bob，而且傳輸信道的丟包率較高。仿真結(jié)果證實(shí)了提出的編碼方案包含許多抵抗丟包的描述子，是一種有效的多描述編碼方案。
　　壓縮與加密相互嵌入的關(guān)系，也可被稱為聯(lián)合型的壓縮與

4、加密。比起單獨(dú)進(jìn)行的壓縮或加密，同時(shí)進(jìn)行壓縮與加密將會節(jié)省計(jì)算資源。因?yàn)閴嚎s與加密兩者間存在矛盾，故相互嵌入的難度很大，必須尋找到其中一種的載體，才能使另一種能夠合理地融入進(jìn)去。在現(xiàn)有的聯(lián)合型的壓縮與加密方案中，壓縮中嵌入加密方面已有不少的研究工作。研究最多的是基于算術(shù)編碼的安全性同時(shí)實(shí)現(xiàn)加密和壓縮，主要借助于算術(shù)編碼與密碼算法的相似性以及編碼的過程中存在區(qū)間交換隨機(jī)化的思想。算術(shù)編碼的混沌化實(shí)現(xiàn)更將壓縮中嵌入加密的研究推向了一個(gè)新的臺

5、階，因?yàn)榛煦缦到y(tǒng)本身對初值敏感和偽隨機(jī)等與密碼學(xué)密切相關(guān)的特性存在，在混沌系統(tǒng)用于壓縮編碼的基礎(chǔ)上再嵌入加密自然就容易得多了。本文關(guān)于壓縮中嵌入加密的工作主要有以下幾個(gè)方面：
　　1在算術(shù)編碼區(qū)間交換方面，設(shè)計(jì)了一種依賴于改良的Logistic數(shù)字化映射和線性反饋移位寄存器的安全算術(shù)編碼方案。該方案基于表移動和密鑰流擾動的操作，蘊(yùn)含了置亂和擴(kuò)散相結(jié)合的加密思想，從而能夠達(dá)到很高的安全性要求。
　　②在算術(shù)編碼區(qū)間分割方面，提

6、出了一種擾動的方式。區(qū)間分割的算術(shù)編碼容易受到選擇明文攻擊的原因在于攻擊者可通過探索密鑰和碼字間的關(guān)系推斷并縮小密鑰的取值范圍。擾動的方式打破了這個(gè)關(guān)系，而且也去除了密鑰只能作用確定子區(qū)間的限制。故有一石二鳥之功效。
　　③在算術(shù)編碼混沌化方面，完善了一些變種算術(shù)編碼的混沌化。對于一般的和新提出的擾動型的區(qū)間分割算術(shù)編碼，分別利用分段線性混沌系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了編碼的過程。這些混沌化的算術(shù)編碼同時(shí)具有混沌的密碼學(xué)特性和算術(shù)編碼的壓縮性，可嵌

7、入到一些多媒體編碼標(biāo)準(zhǔn)中，代替算術(shù)編碼對數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)更加安全的保護(hù)。
　?、茉诨煦缁阈g(shù)編碼的應(yīng)用層面，設(shè)計(jì)了一種基于GLS編碼的具有安全性保護(hù)機(jī)制的JPEG。GLS編碼代替JPEG中的算術(shù)編碼，行使其壓縮功效，同時(shí)融入了混沌系統(tǒng)的密碼學(xué)特性。實(shí)驗(yàn)表明此方案具有很好的壓縮性能，且能有效地抵抗明文攻擊。
　?、菰诎踩膲嚎s感知方面，提出了一些可嵌入壓縮感知的密碼學(xué)特征。通過比較壓縮感知和對稱加密，提出了一些可能的加密模型。證明了隨

8、機(jī)置亂以很高地概率能夠成為一種可接受的置亂。結(jié)合隨機(jī)置亂與密碼學(xué)的密不可分的關(guān)系，設(shè)計(jì)了一種安全的并行壓縮感知方案。結(jié)果證實(shí)了基于隨機(jī)置亂的加密能夠提升壓縮性能，同時(shí)表明該方案具有很強(qiáng)的抗噪魯棒性。
　　對于加密中嵌入壓縮，目前只發(fā)現(xiàn)了Baptista型這一類特殊的混沌密碼系統(tǒng)，在其中可嵌入壓縮操作。雖然仍有密文擴(kuò)展問題，但是經(jīng)過一些改進(jìn)后，能夠出現(xiàn)密文數(shù)據(jù)量少于明文數(shù)據(jù)量的情況。即使如此，壓縮性能依然很差，與經(jīng)典的信源編碼例如算