张佳永

（苏州市职业大学，江苏苏州，215000）

0 引言

随着工业4.0技术的发展，图像识别和图像加密技术越来越多的应用于现代的工业应用场景。

人工智能(AI)、大数据、3D成像和机器人过程自动化等领域在过去的几年内取得了空前的发展。越来越多的工业、民用设备与图像识别，机器视觉领域息息相关。在图像识别领域中，图像加密处理是我们必不可少的重要组成部分。现有的图像加密方式有很多种，如AES算法加密本，混沌序列图像加密技术等，本文设计验证了一种基于MATLAB的维纳滤波加密解决方案，具有加密方式简单，加密恢复度高的特点，可以适用于简单的图片加密场景。

1 图像加密研究的意义

随着信息时代的接近，第四次科技革命将人工智能、大数据等新兴技术带入我们的生活，互联网渗透到我们生活的方方面面。大到各种国家政策，小到各种娱乐新闻。作为一个信息中心，互联网给我们的生活带来了各种便利，但是随之而来的信息安全问题确往往被人们忽视。当今社会随着人们生活品质的提高，许多人有着自拍的习惯，喜欢把图片上传到网络，但是往往安全意识缺乏，很容易被他人盗用，甚至用作不法用途。

信息社会的进步迫切需要通过技术手段加强个人隐私的保护，图像加密技术很好的满足了人们的需求，在不破坏图片的前提下，基本保存了图片的原始信息，以备不时之需，就算不法分子通过非法手段获取图片，也无法还原真实图片，最大限度的保护了我们的个人隐私。

图片加密研究可以应用于多种情况。可以用于我们息息相关的日常生活领域，有时候需要保存一些资料。也可以与我们工作相关的领域，比如客户信息，竞争对手公司的产品信息，招投标文件等公司需要保密的信息。甚至在军事方面，一些机密资料的保存，武器信息的保管，都需要用到图像加密技术。

这也对我们的图像加密工作提出了越来越高的要求，既要保证加密的安全，也会涉及到加密操作的可行性，解密工作的复杂性等工作。如何在保证加密质量的同时，又能很好的运用于相关的涉及领域，也是加密研究的重点和难点。

2 图像加密研究的现状

■2.1 硬件工具加密

硬件加密工具包括加密U盘、加密狗、加密芯片等。许多硬件加密工具内部往往事先安装了加密软件，比如bitlocker就可以在U盘、移动硬盘内部提前安装。这些都是我们生活中可以遇到的加密手段，真正的纯硬件加密相对比较复杂，往往有着其内部复杂的电子、机械设计，在这里不做详述。

■2.2 辅助软件加密

图片最简单的加密方式就是修改图片的后缀名，比如改成.txt文件，这样的话打开就会是乱码的形式。或者在windows系统中设置隐藏文件夹，这也是一种加密方法。

辅助软件加密可以通过WinRAR软件，给我们想要加密的图片文档压缩并给予密码，其实也是一种算法加密，但是使用的是winrar的内部算法。此外辅助加密软件还有bitlocker、Veracrypt、360密盘等等，很好的保护了我们的硬盘。

■2.3 加密算法研究现状

软件加密的核心是软件加密算法，主流的加密算法有基于自适应和混沌理论的图像加密方法、基于混合混沌和独立分量的加密方法、采用映射加密、AES算法加密、傅里叶变换加密、ECC算法加密等。每一种加密方法都有着其特点。比如AES算法应用于我们的wifi密码加密。RSA算法则使用公钥和私钥，加大了密码破解的难度，广泛应用于各种电子商务系统。算法加密研究可以说永无止境，就像人们对于知识的探索，是一个百家争鸣，百花齐放的领域。图像加密是软件加密研究中的一个子类，它涉及算法加密，与之相对应的研究领域是算法解密领域，两者相互依存，互相影响。

3 维纳滤波原理简介

维纳滤波由数学家维纳提出，是一种线性滤波理论，维纳滤波发源于二战时期，用来解决对空设计时的炮火的目标瞄准工作。数字信号处理中从被污染的信号中过滤出原始信号被称为滤波，维纳滤波的作用在于过滤掉噪声信号，同时尽可能保证原始信号波形不失真。维纳滤波的前提是假设线性滤波器的输入为有用信号和噪声的加权和且两者都是广义平稳过程。维纳滤波最初的设计作用是在观测到的信号中将原始信号X(t)和噪声信号n(t)分离。用数学公式可以表达为观测信号s(t)=x(t)+n(t)。

维纳滤波使用的前提是噪声为加性，噪声和信号相互独立。这种使用前提决定了维纳滤波适用场景，并不适用于乘性噪声。假设s(t)经过维纳滤波后输出信号为s～(t)。维纳滤波的作用就是使得输出信号s～(t)尽可能接近原始信号x(t)。数学表达式为两者的均方差E{[s～(t)-x(t)]²}最小化。

维纳滤波从过去的观测数据、当前的观测数据推断出信号当前值，由此可见维纳滤波器是一种估计滤波器、线性滤波器。在下面的实验中，维纳滤波的线性滤波特点正好可以用来解决我们的运动模糊线性失真问题。维纳滤波器估计滤波器的特点也使得解密图像只能基本接近于原始图像，但是不能完全还原真实图像。

4 MATLAB加密解密实现

■4.1 软件优势

MATLAB在图像处理领域广泛运用，具有一席之地。系统整体严谨、功能强大、内部算法函数丰富、丰富等优势，自带工具箱内集成工具丰富。包括众多经典图像处理方法。编程语言简洁明了优势明显，自带的仿真功能更是其一大亮点，让我们在实验室中只需要一台电脑就可以轻松处理工程任务，广泛应用于数据统计、航天工业、汽车仪表、金融分析等领域。

本文使用MATLAB作为加密、解密软件工具。

■4.2 运动模糊加密

首先我们要对原始图片进行运动模糊处理，在MATLAB中图片运动模糊通过fspecial和imfilter函数完成。Fspecial获得运动模糊参数，这里使用两个加密变量LEN和THETA，在函数处理时分别表示偏移位置、逆时针偏移角度，最后得出PSF作为中间密匙。这里的motion既代表运动模糊处理。代码如下：

最后通过imfilter函数完成对图像的运动模糊处理。具体代码如下。

原始图片如图（1）所示。

图1

运动模糊加密后如图2所示,可以看到文字信息都已经无法显示，这样就隐藏了我们的真实想要保存的图片内容。

图2

■4.3 维纳滤波解密

MATLAB中的维纳滤波可以通过deconvwnr函数完成，输入密匙和原始图片，就可以得到解密后的函数，具体代码如下。先用iread函数读取目标解密图片，然后输入密匙LEN、THETA得到中间密匙PSF，最后带入维纳滤波函数deconvwnr得到最终解密图片并显示，代码如下。

将解密后的图片用picture显示后如图3所示。

图3

5 实验结果

采用MATLAB中的画图函数对相关图片进行了显示，其中原始图像为左1，加密后图像为左2，解密图像为右1。实验结果如图4所示，经过实验结果观测，原始图像为3264×2448像素点，解密图像素数量保持不变。该方法较好的对原有图像的关键信息进行了模糊处理，可以起到隐藏加密信息的作用。适合保存银行卡密码、客户信息、秘密地图、等使用者希望保存但又不想被他人窃取的重要信息。使得我们的信息安全更加富有保障。

图4

6 二次加密和密码破解

加密系统采用二维密匙，分别为LEN长度密匙，Thera角度密匙，这两个密匙组合在一起构成我们的密匙，只有当维纳滤波的参数为相应的LEN或者Thera时，才能够正确的解密我们的原始图像。二维密匙可以有很多种组合，这在需要加密物品不是很多的情况下，我们可以保证一物一密，使得安全系数更高。我们也可以将密匙变换成其他数字和角度。这样即使信息被不法分子窃取，在不知道我们密匙和加密方法的情况下，不发分子很难通过其他方式破解我们的真实信息。我们也可以通过二次加密，让我们的密码更难被破解。

假设1当其他人窃取了我们的二维密匙，为了使得我们的加密更加安全，我们可以采用二次加密的方法。比如原始密匙为（x，y）,其中x=20，Y =15。二次加密后的密匙为（0.5*X，3*Y），即二次加密后密匙为（10，45），这样单纯使用二次加密的结果将无法还原我们的真实数据，只有用户知道我们二次加密的方法，才能还原出我们的原始密码，可以针对不同用户，设置不同的二次加密方法，这大大增强了我们密匙的安全性，做到一密一户。

假设2当他人知道我们的加密方式的情况下。这种情况十分危险，他人可以采用穷举法，借助计算机将我们的二维密匙暴力破解。所以此种加密方法对于加密方式的保密也十分重要，也存在改进和提高的空间。

实验结果证明这种采用MATLAB的加密方式可以达到我们的预期效果，也存在优化和二次加密的空间，是一种较为便捷的加密方式，适用民用生活和普通级别工业领域，具有一定的实用意义。