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(hào)處理過(guò)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(duì)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(guò)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(chǔ)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(huì)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(lái)也有不同程度的發(fā)展，因?yàn)樗鼈兡軡M(mǎn)足某些情況下信號(hào)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(huì)減弱數(shù)據(jù)間的相關(guān)性，但不會(huì)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(mǎn)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(méi)有人研究過(guò)。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(cè)量矩陣拆分為實(shí)施置亂加密的矩陣和進(jìn)行測(cè)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(chǎng)景：Alice需要半誠(chéng)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(chēng)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(huì)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(guò)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(tái)

5、階，因?yàn)榛煦缦到y(tǒng)本身對(duì)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(lài)于改良的Logistic數(shù)字化映射和線(xiàn)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(dòng)和密鑰流擾動(dòng)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。
　?、谠谒阈g(shù)編碼區(qū)間分割方面，提

6、出了一種擾動(dòng)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(guò)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(dòng)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(niǎo)之功效。
　?、墼谒阈g(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(duì)于一般的和新提出的擾動(dòng)型的區(qū)間分割算術(shù)編碼，分別利用分段線(xiàn)性混沌系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了編碼的過(guò)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(duì)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(guò)比較壓縮感知和對(duì)稱(chēng)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(duì)于加密中嵌入壓縮，目前只發(fā)現(xiàn)了Baptista型這一類(lèi)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(wèn)題，但是經(jīng)過(guò)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