TW201414258A - 雲端相簿之圖像混沌加密方法 - Google Patents

Abstract

本發明有關於一種雲端相簿之圖像混沌加密方法，主要於使用者登入雲端相簿伺服端，傳送圖像至雲端相簿時，將圖像每一像素點其至少一多原色元素之數值取出；再藉由一非線性微分方程模組產生一對應圖像像素點其多原色元素數值的混沌序列；將圖像之每一像素點以混沌序列進行行列置換；並將完成行列置換之每一像素點與混沌序列進行mod運算，以得到加密之每一像素點，最後將加密之每一像素點轉換成一加密圖像；藉此，可強化雲端相簿的安全性，以確保使用者所上傳圖像之隱私及保密性。

Description

雲端相簿之圖像混沌加密方法

本發明係有關於一種雲端相簿之圖像混沌加密方法，尤其是指一種使用者登入雲端相簿伺服端，欲傳送圖像至雲端相簿時對其所執行之加密方法，藉由混沌序列分別對圖像之多原色元素數值進行行列置換以及mod運算加密，以達到強化雲端相簿的安全性，確保使用者所上傳圖像之隱私及保密性者。

按，現今網路科技蓬勃發展，因此目前在網路上已有專門業者提供諸多空間，以供上網者能將自己本身之資料照片或影片等儲存於網路相簿中；再者，由於網際網路技術不斷進步，雲端運算概念被廣泛應用於商業軟體、智慧型系統、網路服務等方面，但也衍生出一些資訊安全的議題；為了讓使用者在各種雲端服務裡能夠擁有隱私及保密性，且確保多媒體資料傳輸過程的安全性，影像加密技術的發展也越來越重要。

一般而言，雲端運算提供使用者所需要的計算能力、儲存及服務能力，最後的目的是方便使用者並大大降低軟硬體的採購費用；再者，雲端運算著眼於三點需求：一是提供方便、二是提升能力、三是降低開支；上述三點也是使用者使用雲端運算平台的目的，由於雲端運算平台將資源集中於伺服端，減少了客戶端資源的浪費和閒置，從而降低了客戶端在軟硬體上的投資，並且由於資源和軟體的管理和維護集中在伺服端，亦降 低了對使用者系統維護能力的要求，因此普通使用者即能夠享受到高階的計算及資源服務；而雲端服務程式則是定義為在伺服端提供使用者進行雲端運算的程式，它的能力在某種程度上已超越了一般傳統應用程式的限制，除了具備一般應用程式的基本功能之外，也包含了不受地點與平台限制的儲存與運算能力，只要使用者能擁有上網的設備，就可以儲存自己的雲端系統或運算程式，跟網路(Web)應用程式類似，但兩者運算模式不同，網路應用程式的運算是屬於單一台伺服器的運算，而雲端運算是屬於多台伺服器平行處理的運算。

再者，圖像加密係網路或雲端傳輸之一重要態樣，當圖像資料自一位置傳輸至另一位置時，可期望加密該圖像資料以僅使得一已授權之接收者可將其觀視；意即觀視者在未先解密一已加密圖像之情形下，係無法自該圖像辨別出任何有意義之資訊；然，目前之加密方法初期雖擁有較良好的加密效果，但經過多次的迭代之後，原始圖像之特徵漸漸出現而降低保密性；因此，如何在雲端相簿服務中，提高圖像的安全性，實為一個重要的課題。

今，發明人即是鑑於上述現有之雲端相簿加密方法在實際實施上仍具有多處之缺失，於是乃一本孜孜不倦之精神，並藉由其豐富之專業知識及多年之實務經驗所輔佐，而加以改善，並據此研創出本發明。

本發明主要目的為提供一種使用者登入雲端相簿伺服端，欲傳送圖像至雲端相簿時對其所執行之加密方法，藉由混沌序列分別對圖像之多原色元素數值進行行列置換以及mod運算加密，以達到強化雲端相簿的安全性，確保使用者所上傳圖像之隱私及保密性者。

為了達到上述實施目的，本發明人乃研擬如下實施技術，首先於使用者登入雲端相簿伺服端，傳送圖像至雲端相簿時，取出圖像每一像素點其至少一多原色元素之數值；接著，藉由一非線性微分方程模組產生一對應圖像像素點其多原色元素數值的混沌序列；接續，將圖像之每一像素點以混沌序列進行行列置換；最後，將完成行列置換之每一像素點與混沌序列進行mod運算，以得到加密之每一像素點，再將加密之每一像素點轉換成一加密圖像；藉此，產生之混沌序列分別對圖像之多原色元素色階矩陣進行行列置換以及mod運算加密，可強化雲端相簿的安全性，以確保使用者所上傳圖像之隱私及保密性。

在本發明的一實施例中，其中多原色元素可選自RGB、CMYK、YUV、HSV、LAB、XYZ、HSI以及YIQ等色彩空間所構成之群組。

在本發明的一實施例中，其中非線性微分方程模組係為一聯合混沌系統，且非線性微分方程可利用數值分析方法中的四階阮奇庫塔法來求解；其中，聯合混沌系統可由下述之方程式 所構成： ；其中，α [0,1]為系統參數，且x、y、z係為該混沌序列的三個狀態變數；藉此，由於聯合混沌系統的狀態變數和系統參數對於時間的變動非常靈敏，且其軌跡具有不可預測的特性，具有較優良的加密效果，可防止有心人士輕易的破解。

此外，如前所述，本發明雲端相簿之圖像混沌加密方法可結合應用於硬體或軟體、適當處或其組合，因此本發明之方法，某些觀點或是其部分可能為嵌入實際媒體中之程式碼(亦即指令)，例如軟式磁碟、光碟機、硬碟機或是任何其他機器可讀儲存媒體，其中當程式碼被機器(例如一電腦)載入並執行時，此機器會變成一用以執行本發明之裝置，而在程式碼執行於可程式化電腦之情況中，此電腦裝置通常包含一處理器、一處理器可讀之儲存媒體(包含揮發性或非揮發性記憶體及/或儲存元件)、至少一輸入裝置以及至少一輸出裝置。

本發明之目的及其結構設計功能上的優點，將依據以下圖面所示之較佳實施例予以說明，俾使審查委員能對本發明有更深入且具體之瞭解。

首先，請參閱第一圖所示，為本發明雲端相簿之圖像混沌 加密方法其較佳實施例之步驟流程圖，本發明雲端相簿之圖像混沌加密方法係於使用者登入雲端相簿伺服端，傳送圖像至雲端相簿時執行，包括有下述步驟：步驟一(S1)：取出圖像每一像素點其至少一多原色元素之數值；其中，多原色元素可選自RGB、CMYK、YUV、HSV、LAB、XYZ、HSI以及YIQ等色彩空間所構成之群組；而為了說明方便起見，於本實施例中，多原色元素係以紅色(Red，R)、綠色(Green，G)以及藍色(Blue，B)色彩元素為例，在閱讀及了解本發明的教導後，熟此技藝者當知道本發明之多原色元素亦可為CMYK、YUV、HSV、LAB、XYZ、HSI以及YIQ等色彩空間其中之一，而並不會影響本發明的實施；步驟二(S2)：藉由一非線性微分方程模組產生一對應圖像像素點其多原色元素數值的混沌序列；於本實施例中，非線性微分方程模組係為一聯合混沌系統(Unified Chaotic System)，且聯合混沌系統由以下之方程式所構成： ；其中，α [0,1]為系統參數，且x、y、z係為混沌序列的三個狀態變數；且上述之非線性微分方程可利用數值分析方法中的 四階阮奇庫塔法(Runge-Kutta 4th Order Method)來求解；步驟三(S3)：將圖像之每一像素點以混沌序列進行行列置換；步驟四(S4)：將完成行列置換之每一像素點與混沌序列進行mod運算，以得到加密之每一像素點；以及步驟五(S5)：將加密之每一像素點轉換成一加密圖像。

根據上述之雲端相簿之圖像混沌加密方法於實施使用時，係實作在Google App Engine(GAE)雲端運算環境下，並使用Java實作聯合混沌系統為基礎的圖像加密技術；其中，GAE是Google在2008年釋出的一項新服務，它是以雲端運算的概念來輔助開發者建置可靠的網路應用程式，這項服務提供了完整的軟體開發套件、網路和伺服器等設備，所以開發者不需要考慮到諸如網路、伺服器管理與維護，以及硬體擴充等問題，只要把想要處理的任務都交給雲端處理，最後的結果會從雲端產生出來；因此，當使用者登入GAE雲端相簿伺服端，將圖像傳送至雲端相簿時，在此假設圖像之長、寬分別為M及N，意即圖像是由橫向N個格點、縱向M個格點所組成，包含了M×N個像素點，而經由大量的影像統計分析證實，影像中鄰近像素之間有很密切的關係，平均鄰近8到16個水平、垂直以及對角方向的像素之間都有著極高的關聯性；為了混亂此關聯性，以防止竊密者破 解，藉由聯合混沌系統所產生之混沌序列x、y、z，個別對圖像之R、G、B色階數值進行行列位置混沌置亂，以提升加密影像之安全；其中，系統參數α=0，且x、y、z分別為1、2、1以作為初始值的設定，當圖像進行步驟三(S3)之行列置換時，係透過下述雙迴圈進行：for i=1 to M for j=1 to N…行列置換Next j Next i；而將完成行列置換之每一像素點再與混沌序列進行步驟四(S4)之mod運算，如下：for i=1 to M for j=1 to N…mod運算Next j Next i；最後，將完成加密之每一像素點轉換成為一加密圖像；藉此，由於聯合混沌系統對於時間的高靈敏性及混沌軌跡不可預測之特性，利用所產生之混沌序列分別對圖像之R、G、B色階矩陣進行行列置換以及mod運算加密，具有優良的加密效果，並可防止竊密者破解，以強化雲端相簿的隱私性；值得注 意的，當雲端相簿之圖像完成加密後，持有正確解密金鑰的用戶端可瀏覽到雲端相簿伺服端的加密圖像，而未持有正確解密金鑰的用戶則無法瀏覽到伺服器的圖像。

此外，如前所述，本發明之雲端相簿之圖像混沌加密方法可結合應用於硬體或軟體、適當處或其組合，因此本發明之方法，某些觀點或是其部分可能為嵌入實際媒體中之程式碼(亦即指令)，例如軟式磁碟、光碟機、硬碟機或是任何其他機器可讀儲存媒體，其中當程式碼被機器(例如一電腦)載入並執行時，此機器會變成一用以執行本發明之裝置，而在程式碼執行於可程式化電腦之情況中，此電腦裝置通常包含一處理器、一處理器可讀之儲存媒體(包含揮發性或非揮發性記憶體及/或儲存元件)、至少一輸入裝置以及至少一輸出裝置。

由上述之雲端相簿之圖像混沌加密方法與實施說明可知，本發明具有以下優點：

1.本發明在Google App Engine雲端運算環境下，使用Java實作聯合混沌系統為基礎的影像加密技術，以其所產生之混沌序列分別對圖像之R、G、B色階矩陣進行行列置換以及mod運算加密，強化雲端相簿的安全性，確保使用者所上傳圖像之隱私及保密性。

2.本發明雲端相簿之圖像混沌加密方法藉由聯合混沌系統的狀態變數和系統參數對於時間的變動非常靈敏，且其軌跡具有不可預測的特性，具有較優良的加密效果，可防止有 心人士輕易的破解。

綜上所述，本發明之雲端相簿之圖像混沌加密方法，的確能藉由上述所揭露之實施例，達到所預期之使用功效，且本發明亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求。爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。

惟，上述所揭之圖示及說明，僅為本發明之較佳實施例，非為限定本發明之保護範圍；大凡熟悉該項技藝之人士，其所依本發明之特徵範疇，所作之其它等效變化或修飾，皆應視為不脫離本發明之設計範疇。

(S1)‧‧‧步驟一

(S2)‧‧‧步驟二

(S3)‧‧‧步驟三

(S4)‧‧‧步驟四

(S5)‧‧‧步驟五

第一圖：本發明較佳實施例之步驟流程圖

(S1)‧‧‧步驟一

(S2)‧‧‧步驟二

(S3)‧‧‧步驟三

(S4)‧‧‧步驟四

(S5)‧‧‧步驟五

Claims (7)

1. 一種雲端相簿之圖像混沌加密方法，於使用者登入雲端相簿伺服端，傳送圖像至雲端相簿時包括有下述步驟：步驟一：取出該圖像每一像素點其至少一多原色元素之數值；步驟二：藉由一非線性微分方程模組產生一對應該圖像像素點其多原色元素數值的混沌序列；步驟三：將該圖像之每一像素點以該混沌序列進行行列置換；步驟四：將完成行列置換之每一像素點與該混沌序列進行mod運算，以得到加密之每一像素點；以及步驟五：將加密之每一像素點轉換成一加密圖像。
2. 如申請專利範圍第1項所述之雲端相簿之圖像混沌加密方法，其中該非線性微分方程模組係利用數值分析方法求解。
3. 如申請專利範圍第2項所述之雲端相簿之圖像混沌加密方法，其中該數值分析方法係為四階阮奇庫塔法(Runge-Kutta 4th Order Method)。
4. 如申請專利範圍第1至3項中任意一項所述之雲端相簿之圖像混沌加密方法，其中該非線性微分方程模組係為一聯合混沌系統(Unified Chaotic System)。
5. 如申請專利範圍第4項所述之雲端相簿之圖像混沌加密方 法，其中該聯合混沌系統由以下之方程式所構成： ；其中，α [0,1]為系統參數，且x、y、z係為該混沌序列的三個狀態變數。
6. 如申請專利範圍第1項所述之雲端相簿之圖像混沌加密方法，其中該多原色元素係選自RGB、CMYK、YUV、HSV、LAB、XYZ、HSI以及YIQ色彩空間所構成之群組。
7. 一種至少包含電腦可執行模組之電腦可讀媒體，該等電腦可執行模組具有電腦可執行指令，當一電腦執行該等電腦可執行指令時，可執行如申請專利範圍第1至6項中任意一項所述之方法。