移動(dòng)通信的圖像加密系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).doc

移動(dòng)通信的圖像加密系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 萬(wàn)玉晴 （太極計(jì)算機(jī)股份有限公司北京100083） 摘要針對(duì)智能手機(jī)圖像的加密應(yīng)用需求與目前臺(tái)式加密系統(tǒng)不能很好地適用于移動(dòng)終端平臺(tái)等問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一套適用于智能手機(jī)的圖像加密系統(tǒng)，結(jié)合基于混沌算法的圖像加密技術(shù)，提出了適用于移動(dòng)端應(yīng)用的低配置、快速實(shí)現(xiàn)圖像加密的技術(shù)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)采用的并行多線程技術(shù)路線，可以提高大像素圖像的加解密效率三倍以上，為智能手機(jī)的實(shí)時(shí)圖像加密提供了一種可實(shí)現(xiàn)解決方案。 關(guān)鍵詞移動(dòng)終端，即時(shí)通信，多線程，圖像加密 doi:10.3969/j.issn.1674-7933.xx.04.005 作者簡(jiǎn)介：萬(wàn)玉晴，女，1973年生，碩士，高級(jí)工程師，主要從事及研究領(lǐng)域：計(jì)算機(jī)應(yīng)用、數(shù)據(jù)分析、軟硬件開發(fā)，Email：wyqmail.taiji.。 0引言 近年隨著移動(dòng)終端設(shè)備的普及、硬件及移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的提升，其傳遞消息的及時(shí)性、種類的多樣性一直受到眾多群體的喜愛，圖像作為即時(shí)通信中的重要信息媒介，其具有的直觀性和豐富性已普及流行并有與文字信息并駕齊驅(qū)的趨勢(shì)。 隨著即時(shí)通信理念及移動(dòng)設(shè)備的普及，即時(shí)通信系統(tǒng)終將進(jìn)入到各個(gè)專門的領(lǐng)域，針對(duì)特殊群體設(shè)計(jì)的即時(shí)通信系統(tǒng)將越來(lái)越受到關(guān)注，提供一個(gè)既安全又具有多種實(shí)用性功能的面向?qū)I(yè)人群的即時(shí)通信系統(tǒng)將越來(lái)越受到歡迎。目前主流的即時(shí)通信系統(tǒng)雖然面向?qū)ο筝^廣、功能較全面。但也存在多種因素制約，如安全性不高，未能對(duì)商業(yè)人群、安全部門、政府機(jī)關(guān)等特定群體提供具有專業(yè)特色的功能；再如隱私照片、內(nèi)部資料、以及會(huì)議視頻等圖像文件的加密無(wú)線移動(dòng)推送和保存。 圖像信息作為資訊分享、信息傳遞、文件審閱等方面的重要載體，它的應(yīng)用將更加廣泛。出于安全性考慮，人們迫切希望即時(shí)通信工具在提供圖像分享功能的過(guò)程中應(yīng)保證圖像存儲(chǔ)的安全、圖像信息的安全，保證其不被他人惡意竊取。因此，為即時(shí)通信平臺(tái)提供高效、安全可靠的圖像加密功能具有重要意義。 圖像中往往包含個(gè)人信息、敏感信息、商業(yè)信息等不適合公開的內(nèi)容，由于互聯(lián)網(wǎng)存在的固有安全問(wèn)題，圖像泄露或者被竊取會(huì)給個(gè)人甚至社會(huì)帶來(lái)負(fù)面影響。因此，圖像加密是即時(shí)通信中不可或缺的一環(huán)。由于移動(dòng)終端內(nèi)存、計(jì)算單元的限制，傳統(tǒng)做法是將圖像在服務(wù)器端進(jìn)行加密處理后轉(zhuǎn)儲(chǔ)到移動(dòng)端，該方法需要較多的時(shí)間，消耗更多帶寬，而且受限于網(wǎng)絡(luò)，用戶無(wú)法隨時(shí)隨地為移動(dòng)設(shè)備上的圖像進(jìn)行加密。 本文采用的移動(dòng)通信終端的圖像加密算法已經(jīng)在一種用于手機(jī)圖像處理的混沌加密改進(jìn)算法一文中做了介紹，故在此不再贅述，有興趣讀者可以見參考文獻(xiàn)1。出于便捷性考慮，移動(dòng)終端往往采用比桌面設(shè)備更小的內(nèi)存和性能更低的中央處理器，但圖像加密往往涉及到較大的內(nèi)存開銷及大量的計(jì)算2。作為系統(tǒng)在保證敏感信息的加密前提下，如何盡量減少系統(tǒng)的運(yùn)算量，提高加密效率，解決移動(dòng)終端進(jìn)行圖像加密遇到的內(nèi)存溢出問(wèn)題。基于上述因素，傳統(tǒng)的圖像處理方案在移動(dòng)終端上并不完全適用，在此主要介紹手機(jī)的圖像加密算法結(jié)合多線程技術(shù)的特點(diǎn)，充分利用移動(dòng)終端的處理器特點(diǎn)，提高加密速度，使移動(dòng)終端的圖像加密具有更高的效率，是一種簡(jiǎn)單、有效的實(shí)現(xiàn)方法。 1系統(tǒng)需求分析 即時(shí)通信平臺(tái)中的移動(dòng)終端圖像加密子系統(tǒng)，在應(yīng)用中主要包括加密圖像、解密圖像、上傳圖像、下載圖像、瀏覽圖像、下載圖像等功能，如圖1所示。 根據(jù)圖像加密系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求，本系統(tǒng)技術(shù)上主要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能：圖像預(yù)覽功能、圖像加密的實(shí)現(xiàn)、圖像解密的實(shí)現(xiàn)、圖像上傳與下載、圖像存儲(chǔ)等功能。 1)圖像預(yù)覽功能 圖像預(yù)覽功能是指用戶可以通過(guò)列表形式查看本地已經(jīng)保存的已加密圖像或者經(jīng)解密的圖像；通過(guò)縮放形式查看完整的本地已經(jīng)保存的已加密圖像或者經(jīng)解密的圖像；查看本地已經(jīng)保存的圖像或者通過(guò)攝像頭捕獲的圖像。 2)圖像加密功能 圖像加密功能是指在用戶從本地存儲(chǔ)選取了照片或者從攝像頭獲取了照片，并在選定的加密區(qū)域上，用戶輸入加密密碼；在得到用戶輸入的加密密鑰后，利用系統(tǒng)加密算法隱藏圖像中的選定信息。 3)圖像解密功能 圖像解密功能是指在用戶獲得了一張待解密圖像并選擇解密操作后，提示用戶輸入解密密碼；在得到用戶輸入的解密密鑰后，利用系統(tǒng)解密算法本功能要求，在用戶已準(zhǔn)確輸入解密密鑰的情況下，為用戶所選取的加密圖像進(jìn)行解密，顯示圖像中的隱藏信息。 4)圖像上傳功能 該功能在用戶完成對(duì)圖像加密操作之后，為用戶提供將本地圖像備份至即時(shí)通平臺(tái)的后臺(tái)服務(wù)器中，該功能只能用來(lái)將已加密的圖像上傳至服務(wù)器中。利用該功能，用戶可以將本地信息存儲(chǔ)至服務(wù)器，降低本地的存儲(chǔ)負(fù)擔(dān)。 5)圖像下載功能 該功能實(shí)現(xiàn)了用戶從遠(yuǎn)端服務(wù)器獲取本用戶的所有已上傳圖像，或者他人提供的具有統(tǒng)一資源定位URL（UniformResourceLocator）信息的圖像信息。利用該功能，用戶可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)存儲(chǔ)在服務(wù)器端的圖像。 6)圖像存儲(chǔ)功能 該功能要求能對(duì)經(jīng)過(guò)加密程序處理的圖像、經(jīng)過(guò)解密程序處理的圖像、已上傳至服務(wù)器的圖像實(shí)現(xiàn)保存至本地的功能。該功能提供了用戶操作過(guò)程中可以將重要信息進(jìn)行本地備份。 除了上述系統(tǒng)應(yīng)用功能外，系統(tǒng)運(yùn)行還涉及到性能方面的需求，如需提供高效的信息加密速度，可靠的信息備份與恢復(fù)等功能。在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，應(yīng)盡量提高系統(tǒng)整體的安全：從源頭獲取圖像、中途網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程以及在移動(dòng)終端存儲(chǔ)的安全性。 因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，還需要考慮系統(tǒng)的性能指標(biāo)，如系統(tǒng)后臺(tái)處理系統(tǒng)的并發(fā)用戶數(shù)及響應(yīng)時(shí)間的需求。各種手機(jī)的圖像顯示屏規(guī)格需求；移動(dòng)端加解密響應(yīng)時(shí)間等。 作為面向?qū)嶋H應(yīng)用的系統(tǒng)，可靠性和安全性是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的必要保障，系統(tǒng)不僅需要保證傳統(tǒng)即時(shí)通信所應(yīng)有的及時(shí)性，還應(yīng)保證加密系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如使用過(guò)程中不會(huì)因內(nèi)存溢出、系統(tǒng)無(wú)響應(yīng)等問(wèn)題導(dǎo)致程序崩潰。此外還應(yīng)具有系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性和多重備份，為數(shù)據(jù)的恢復(fù)提供支持。 2系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 2.1系統(tǒng)架構(gòu)與功能設(shè)計(jì) 移動(dòng)通信加密子系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為前臺(tái)用戶界面和后臺(tái)服務(wù)器兩部分，前臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)移動(dòng)端的圖像加密處理。本文采用AndroidStudio編寫用戶UI，用Java編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)加解密功能、圖像上傳與下載等功能。后臺(tái)選用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)保存用戶信息及圖像資料等數(shù)據(jù)。用戶上傳或下載圖像通信使用Openfire服務(wù)，fastFDS文件服務(wù)器系統(tǒng)用于存放用戶上傳的圖像文件，Nginx作為和反向代理服務(wù)器，系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。 圖像加密系統(tǒng)包含六個(gè)功能模塊，包括圖像加密、圖像解密、圖像上傳、圖像下載、圖像預(yù)覽和圖像保存模塊。圖像加密、解密模塊作為本系統(tǒng)研究的主要功能，為圖像加密和解密提供支持；圖像上傳、下載模塊保障了圖像的備份與恢復(fù)；圖像預(yù)覽模塊是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)模塊，為其他各個(gè)模塊提供支持；圖像保存模塊用于將加密圖像或已解密圖像存儲(chǔ)在本地系統(tǒng)中，此外還提供刪除操作。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)示意系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。 2.2系統(tǒng)加解密流程設(shè)計(jì) 圖像加密模塊的主要功能是為用戶的圖像進(jìn)行加密，用戶可以從本地存儲(chǔ)卡或者相機(jī)選擇待加密的圖像，系統(tǒng)會(huì)直接顯示該圖像，用戶通過(guò)滑動(dòng)手指選擇需加密區(qū)域，此后選擇加密操作，在輸入密碼之后，點(diǎn)擊確認(rèn)按鈕，以此啟動(dòng)整個(gè)加密過(guò)程。其中，采用Activity類作為操作界面，用來(lái)顯示待加密的圖像區(qū)域選擇框、操作選擇、密碼輸入；Bitmap類實(shí)現(xiàn)對(duì)本地圖像或者照相機(jī)獲取的圖片的調(diào)用及保存；ImageManage類實(shí)現(xiàn)對(duì)Image類的管理；Image類主要用來(lái)顯示原始圖像及已加密的圖像；Encrypt作為實(shí)現(xiàn)對(duì)原始圖像進(jìn)行加密操作的類。圖像加密模塊的流程見圖4。 實(shí)現(xiàn)圖像加密的具體處理流程如下： 第一步：從本地圖庫(kù)或者照相機(jī)獲取到待加密的圖像，將其在activity上進(jìn)行顯示； 第二步：通過(guò)拖拽矩形框選擇需要加密的區(qū)域； 第三步：點(diǎn)選加密按鈕，并在密碼輸入框中鍵入密碼； 第四步：后臺(tái)程序?qū)@取的密碼串通過(guò)轉(zhuǎn)化得到混沌序列的初始值； 第五步：利用圖5中所示原理，對(duì)像素點(diǎn)值進(jìn)行異或處理，完成對(duì)所選擇區(qū)域的像素操作，并將加密區(qū)域的矩陣信息寫入到圖像中； 第六步：將經(jīng)過(guò)加密后的圖像顯示在activity中，并提示用戶加密已完成，請(qǐng)選擇保存、上傳、取消等操作。 同理，圖像解密模塊設(shè)計(jì)思路基本類同加密模塊，僅是逆向操作而已，現(xiàn)做一簡(jiǎn)單的介紹。作為圖像加密的逆操作，圖像解密操作包括自獲取用戶輸入的解密密碼到為用戶呈現(xiàn)原始圖像信息的過(guò)程。 2.3圖像加密操作設(shè)計(jì) 手機(jī)圖像加密子系統(tǒng)的操作主要由七個(gè)界面構(gòu)成，包括主界面、原始圖像展示界面、加密圖庫(kù)界面、解密圖庫(kù)界面、已加密圖像展示界面、已解密圖像展示界面和臨時(shí)圖像展示界面。 系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)默認(rèn)進(jìn)入到主界面，主界面是系統(tǒng)的程序入口，有3個(gè)按鈕，對(duì)應(yīng)功能為圖像選擇、加密圖庫(kù)和解密圖庫(kù)的三個(gè)入口。選擇“選取照片”將會(huì)彈出對(duì)話框讓用戶選擇是從本地相冊(cè)獲取圖像或者從照相機(jī)獲??；選擇“解密圖庫(kù)”將跳轉(zhuǎn)到已經(jīng)過(guò)解密的圖像列表；選擇“加密圖庫(kù)”將跳轉(zhuǎn)到已經(jīng)過(guò)加密的圖像列表，具體示意見圖6。 臨時(shí)圖像展示界面展示經(jīng)過(guò)加密或者解密但還未保存至本地的圖像，在本界面用戶可以選擇保存圖片、上傳圖片、放棄圖片操作。 3并行多線程技術(shù)與實(shí)驗(yàn) 在手機(jī)圖像加密過(guò)程中，需對(duì)圖像中的像素點(diǎn)進(jìn)行像素值運(yùn)算，而圖像的像素點(diǎn)一般都達(dá)到百萬(wàn)級(jí)別，由于加密算法對(duì)單個(gè)圖像的處理不影響其他像素點(diǎn)的處理，因此可以通過(guò)多線程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)圖像加密的并行多線程計(jì)算3。 設(shè)定Pix數(shù)組為該圖像的點(diǎn)陣序列；其中iw為圖像的寬度；ih為圖像的高度；key為圖像加密密鑰，利用該密鑰進(jìn)行多次迭代得到系統(tǒng)混沌序列的初始值；offset為所需處理的圖像點(diǎn)陣相對(duì)于起點(diǎn)的高度偏移量。然后利用混沌序列對(duì)圖像中像素點(diǎn)的像素值進(jìn)行異或操作，分別獲得當(dāng)前像素點(diǎn)的RGB值與三個(gè)不同的混沌值進(jìn)行異或操作，將達(dá)到的新RGB值進(jìn)行位移操作，得到像素點(diǎn)的新像素值，并返回處理后的圖像點(diǎn)陣。 本文實(shí)驗(yàn)采用操作系統(tǒng)為Android4.1.2，4核CPU，主頻1.6GHz的手機(jī)，進(jìn)行了并行多線程圖像加解密性能測(cè)試。為直觀比較性能測(cè)試數(shù)據(jù)，選擇圖7（左）作為本次測(cè)試的原始圖像，圖像分辨率為19202560，通過(guò)對(duì)該圖像等比例縮放，得到不同規(guī)格的原始圖像。為測(cè)試圖像加密過(guò)程中系統(tǒng)避免內(nèi)存溢出問(wèn)題，本實(shí)驗(yàn)選擇對(duì)整張圖像進(jìn)行加密，加密結(jié)果如圖7（右）所示。 圖8中的數(shù)據(jù)是多線程技術(shù)與單線程加密算法在處理不同尺度規(guī)格的圖像所耗費(fèi)的時(shí)間對(duì)比圖。系統(tǒng)加密響應(yīng)時(shí)間從系統(tǒng)調(diào)用加密算法開始，到加密算法完成返回完整的圖像為止。 通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)： 1)圖像規(guī)格較小情況下，多線程加密技術(shù)與單線程加密方法效率幾乎相當(dāng)； 2)單線程技術(shù)的加密響應(yīng)時(shí)間隨圖像規(guī)格的增長(zhǎng)呈線性增長(zhǎng)； 3)多線程加密技術(shù)的加密響應(yīng)時(shí)間隨著圖像規(guī)格的增長(zhǎng)基本穩(wěn)定不變； 4)單線程技術(shù)在處理規(guī)格為19202560圖像時(shí)，響應(yīng)時(shí)間超過(guò)2000ms，用戶體驗(yàn)極差，不能滿足實(shí)際應(yīng)用需求； 5)當(dāng)圖像規(guī)格超過(guò)480640后，多線程加密技術(shù)的加密效率是普通加密方法的3倍以上，且系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)內(nèi)存溢出問(wèn)題。 同時(shí)還進(jìn)行了解密運(yùn)算，解密作為加密操作的逆過(guò)程，在原理上與加密操作類似。本測(cè)試?yán)眉用苓^(guò)程中產(chǎn)生的不同規(guī)格文件作為操作對(duì)象，利用解密算法對(duì)圖像進(jìn)行解密。待解密圖像如圖7（右）所示，還原后的圖像如圖7（左）所示。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)加密與解密時(shí)間基本相當(dāng)，且呈現(xiàn)與加密類同的時(shí)間響應(yīng)特征。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析還表明，采用多線程技術(shù)的圖像加密系統(tǒng)，在加密性能上得到顯著提高，運(yùn)行于當(dāng)前主流的移動(dòng)設(shè)備上，能充分發(fā)揮移動(dòng)設(shè)備的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)安全、穩(wěn)定、高效的圖像加密功能。 4結(jié)論 本文的移動(dòng)終端圖像加解密子系統(tǒng)目前已在全國(guó)多個(gè)公安部門試點(diǎn)應(yīng)用，為公安干警的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供了圖像信息的安全加密采集和傳送技術(shù)實(shí)現(xiàn)。本子系統(tǒng)采用的基于混沌序列的圖像加密算法保證了信息采集和傳送的安全性，避免被輕易破解；在實(shí)際應(yīng)用中采用的多線程技術(shù)提高系統(tǒng)的加密效率，降低了設(shè)備內(nèi)存配置要求，提高了用戶體驗(yàn)深度，保障了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，避免出現(xiàn)內(nèi)存溢出現(xiàn)象。 本文作為參考文獻(xiàn)1的補(bǔ)充，描述了移動(dòng)終端圖像加密子系統(tǒng)的研究與應(yīng)用工作。雖然