专题报告：像素扩展之黑白视觉密码技术 - 台北大学资工系.DOCVIP

國立台北大學資訊工程學系專題報告 偽裝影像之視覺密碼技術 The Technology of Visual Cryptography 專題組員:官咨含 指導老師:張仁俊老師 專題編號:PRJ-xxxx-xx-xxx 執行期間: 96年3月 至97年1月 摘要 視覺密碼不同於傳統密碼學，視覺密碼是透過人眼來解密的一種特殊加密法。這裡，我們透過像素擴展的技術來實現視覺密碼的理論。雖然像素擴展會讓影像大小增加，但對於合併後的解密效果是目前最清晰的。另外，我們將基礎理論：將一張黑白影像透過運算分解成兩張無意義的密件，透過疊合的方式合併即可透過人眼解密。擴展至將一張隱藏資訊的影像（Secret）與一張偽裝的影像（MASK），加密成為兩張密件，但與基礎理論不同的地方在於，其中一張密件是可辨別的，而其內容為偽裝的影像。 關鍵詞：視覺密碼、像素擴展、偽裝 簡介 在這個專題中，我們嘗試了不同於傳統密碼學的一種新型態加密法：視覺密碼。傳統密碼學主要是透過複雜的數學運算將機密訊息的內容，轉換成無意義的訊息。要還原原來的機密訊息，除非有解密的金鑰，否則在有限的時間和資源下，加密過的訊息無法被破解，因此達到資訊安全的目的。但傳統密碼學需要透過大量且複雜的數學運算，因此再沒有電腦的情況下根本無法進行加密或解密。 1994年Naor與Shamir兩位學者提出一個應用在影像資料上的新式加密法，稱為視覺密碼（Visual Cryptography）。它是一種依靠人眼解密的加密法，在無法使用電腦的情況下，是一種很好的解決方案。而視覺密碼的加密方式，是透過像素擴展的技巧，也就是說原影像的每個像素，在加密影像中會被擴展成m個像素。而合併的原理為利用密件疊合的結果來展現濃度的差別，讓人眼判斷出顏色深淺進而分辨出原影像，因此在沒有電腦的情況下也可以輕易的透過人眼來解密。 而我們的專題就是將其論文的理論透過Borland C++ Builder來實作，成功將黑白影像加密成兩張密件，而解密以基礎理論需要透過印在透明投影片上並加以疊合來合併，這裡我們則使用電腦來模擬疊合的效果。由於原始理論生成的密件皆為無意義的影像，因此我們將原始理論加入偽裝影像。我們加入偽裝影像後，可將其中一張密件偽裝成為偽裝影像的內容，不再是無意義的影像。加密後除了保留對於原影像的良好保護效果，也因為偽裝影像可以誤導他人得到錯誤的資訊而增加了整體的安全度。 專題進行方式 實作平台 我們以windows xp為實作平台，實作使用了Microsoft Visual C++ 2005、Borland c++ builder 6.0。以前者來進行核心技術的實作與除錯，並將完成的核心搭配後者製作出使用者介面。 技術介紹 表2：傳統的(2,2)-threshold visual secret sharing scheme 原影像的像素 出現機率 加密規則 疊合結果 密件1 密件2 0.5 0.5 0.5 0.5 以下會先介紹我們這次視覺密碼採用的核心技術，像素擴展，其原理與效果。之後說明類型一的傳統視覺密碼技術，與類型二的加入偽裝影像改良之視覺密碼技術。 像素擴展 像素擴展是目前廣泛應用在視覺密碼的技術，其主要原理與半色調技術類似是透過像素分佈的疏密來表現色階的程度。人類視覺系統對高頻的變化具有不敏銳性。因此，一塊均勻分佈的像素會被眼睛解釋為一塊單一灰階值的區域，而忽略其間網點的變化。如果像素分佈越密，則該區塊會顯得越黑；反之，像素分佈越疏，則該區塊會顯得越白。 我們處理的影像類型限定在純黑白影像，因此只需要兩種色階。將影像的每個像素配合我們的需求做擴展，以最簡單的方式橫向擴展成兩像素。這裡我們先定義一個名詞，濃度：表示擴展後的像素內黑色所佔的比例，可以參照表1。 理想情況下，當然是白點擴展成濃度0%的矩陣；黑點擴展成濃度100%之矩陣。不過，為了實踐視覺密碼的效果，我們在之後會以像素擴展為基礎並加上些許變化來保護影像，這在以下會說明。 表1：濃度對照表 0% 50% 100% 類型一：Naor與Shamir的視覺密碼理論 視覺密碼最初被提出時，是應用在黑白機密影像的分享上，稱為(k,n)-threshold visual secret sharing scheme (VSS)，意指n張密件中至少取k張加以疊合，便可得出原來的機密影像。 表2為(2,2)-threshold VSS，機密影像上得白點和黑點都有兩種加密規則，而每條加密規則選用的機率是一樣的。假設要加密的機密影像像素為白點，並且隨機選取了白點加密規則的第一列，則在密件1上依序填上一黑點一白點，在密件2上一黑點一白點，當兩張密件疊合後便會呈現一黑點一白點；假設要加密的機密影像