Обзор форматов представления цифровых изображений

Программная реализация метода шифрования

Цифровых изображений

Выпускная квалификационная работа

Самара 2016

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ. 4

1 Обзор форматов представления цифровых изображений. 5

1.1 Растровая графика. 5

1.2 Сжатие изображений. 5

1.3 Структура Bitmap. 6

2 Теоретические сведения. 9

2.1 Декартово произведение множеств, бинарные отношения. 9

2.2 Матрицы.. 9

2.3 Умножение и транспонирование матриц. 10

3 Метод шифрования цифрового изображения. 12

3.1 Прямой матричный метод. 12

3.2 Метод перестановок. 13

4 Алгоритм решения задач шифрования и расшифрования цифрового изображения 14

4.1 Передача ключа шифрования. 15

4.2 Генерация псевдослучайных чисел. 17

5 Программная реализация метода шифрования изображения. 19

5.1 Форма программного приложения. 19

5.2 Программные процедуры.. 20

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 22

СПИСОК СОКРАЩЁННЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.. 23

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ.. 24

ПРИЛОЖЕНИЕ А.. 25

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. 26

ПРИЛОЖЕНИЕ В.. 45

ВВЕДЕНИЕ

Многие отрасли техники, имеющие отношение к обработке, хранению и передаче информации, в настоящее время ориентируются на развитие систем, в которых информация представляется в виде изображений. Изображение, можно рассматривать как двумерный массив данных, который является значительно более емким носителем информации, чем обычный одномерный массив.

В то же время информацию, представленную при помощи промышленных графических форматов, можно легко считать общедоступными программными приложениями. Это может привести к нежелательным последствиям при несанкционированном доступе к информации. Для того чтобы этого избежать необходимо либо ограничить доступ третьих лиц к рабочим местам и каналам связи, что не всегда представляется возможным, либо придать информации нечитаемый вид.

Целью данной работы является создание программного приложения для искажения графической информации в цифровом изображении и последующего ее восстановления.

В настоящее время существует множество алгоритмов преобразования графических данных с целью сокрытия кодируемых ими изображений. Большинство из них опирается на шифрование и зашумление цифровых потоков независимо от форматов хранения изображений в файловой системе.

Предлагаемый в работе алгоритм шифрования растрового изображения существенно использует формат файла его хранения и реализует преобразование исходных данных путем применения матричных операций к двумерным массивам графической информации, которое приводит к «перемешиванию» пикселов исходного изображения и, как следствие, потере его информативности.

Обзор форматов представления цифровых изображений

Растровая графика

Растровая графика — это изображения, составленные из пикселов (самая маленькая единица цифрового изображения), размещенных в прямоугольной сетке. Качество растрового изображения напрямую зависит от количества пикселов, из которых оно состоит — чем больше пикселов тем больше деталей можно отобразить. Увеличить растровое изображение путем увеличения масштаба не получится — число пикселов увеличить невозможно, в этом можно убедиться, если попытаться разглядеть мелкие детали на маленькой цифровой фотографии, приближая ее на экране; в результате этого действия разглядеть что‑то кроме увеличивающихся пикселов не удастся.

Кроме того, особенностью некоторых растровых изображений может считаться наличие сжатия. Достоинством таких изображений, в первую очередь, является уменьшенный объём занимаемой памяти. Сжатие, в зависимости от выбранного алгоритма, может производиться либо с потерями либо без них.

Сжатие изображений

Сжатие с потерями — метод сжатия данных, при использовании которого распакованные данные отличаются от исходных, но степень отличия не является существенной с точки зрения их дальнейшего использования. Этот тип компрессии применяется для сжатия аудио- и видеоданных, статических изображений, в Интернете, особенно в потоковой передаче данных, и цифровой телефонии.

Одним из форматов таких изображений является JPEG. Используемый данным JPEG алгоритм сжатия с потерями в наибольшей степени пригоден для фотографий и картин, содержащих реалистичные сцены с плавными переходами яркости и цвета. Следует отметить, что этот формат не подходит для хранения изображений с высокой контрастностью (чертежи, планы), поскольку потери при сжатии приводят к искажению информации, что недопустимо.

Наибольшее распространение JPEG получил в цифровой фотографии и для хранения и передачи изображений с использованием сети Интернет.

Сжатие без потерь – метод сжатия данных, при использовании которого закодированные данные однозначно могут быть восстановлены с точностью до бита. При этом оригинальные данные полностью восстанавливаются из сжатого состояния. Этот тип сжатия принципиально отличается от сжатия данных с потерями.

Формат PNG хранит графическую информацию в сжатом виде. Причём это сжатие производится без потерь, в отличие, например, от JPEG с потерями.

PNG позиционируется прежде всего для использования в Интернете, а так же является хорошим форматом для редактирования изображений, даже для хранения промежуточных стадий редактирования, так как восстановление и пересохранение изображения проходят без потерь в качестве.

Универсальным же растровым графическим форматом является формат BMP. Представляет из себя, в основном, несжатое изображение, которое довольно легко читается и выводится в ОС Windows, в которой есть специальные функции API, которые в этом помогают.

1.3 Структура Bitmap