1.2 准备工作

全书仿真使用的计算机配置为Intel Core i7-4720HQ四核处理器（主频为2.60GHz）、32GB DDR3L 1600MHz内存、128GB SSD固态硬盘（＋1TB机械硬盘）、Windows 10（64位）操作系统，使用的软件包括Eclipse C/C++（MinGW编译器）、Visual Studio 2017（社区版）、MATLAB R2016a（版本号：9.0.0.341360，64位）、Mathematica 11、Word 2017、Visio 2017和福昕PDF阅读器等。由于篇幅限制，书中给出的算法程序主要是MATLAB代码和C#代码以及部分C代码。

1.2.1 常用的灰度图像

书中使用的图像来自USC-SIPI图像库（http://sipi.usc.edu/database/）。不失一般性，仿真实验仅使用了USC-SIPI中的4个灰度图像，即Lena、Baboon、Pepper和Plane，以及全黑图像和全白图像，这些图像的大小均为256×256像素，如图1-1所示。

1.2.2 MATLAB R2016a数学软件

仿真使用了MATLAB R2016a数学软件（在实际应用中，发现版本R2016a比R2015a和R2017a的运算速度都快一些），版本号为9.0.0.341360。除了Simulink和GUI工作方式外，MATLAB主要有命令行方式和程序代码方式。本书主要使用程序代码工作方式，即编写．m文件形式的函数和程序代码。

下述程序绘制了图1-1（a）~（d）所示的图像直方图，如图1-2（a）~（d）所示。图1-2（e）、（f）分别为全黑图像直方图和全白图像直方图。

【程序1-1】绘制图像直方图函数myDrawHistogram.m。

【程序1-2】绘制图像直方图程序pc001.m。

程序1-1为自定义的MATLAB函数myDrawHistogram，函数以function关键字开头（第1行），函数名作为文件名，输入和输出参数均为矩阵或向量，以end关键字结尾（第21行）。第2行将输入图像x转化为double类型数据，然后按列排列成一个列向量p；第4行将图像的直方图保存在y中，并绘制直方图；第12~16行设置直方图的坐标和样式；第18~20行为函数myDrawHistogram可调用的内部函数。“%%”表示该行为分隔线，“%”表示该行为注释。

程序1-2中，第2行的clear表示清除工作区的变量，clc表示清除命令窗口显示的命令，close all表示关闭图形输出窗口；第4~7行依次读入Lena、Baboon、Pepper和Plane图像；第9~12行依次调用myDrawHistogram函数绘制Lena、Baboon、Pepper和Plane的直方图，figure（1）表示创建标号为1的图形输出窗口。

由图1-2可知，这些图像的直方图具有明显的波动特征。一般地，由图像的直方图还原出原始图像是非常困难的，而当图像具有平坦的直方图时，还原操作几乎是不可能的。

1.2.3 Eclipse C集成开发环境

Eclipse C/C++集成开发环境是目前C/C++程序设计的最佳开发平台，可以免费从官方网址（https://www.eclipse.org/）上下载安装包，接着，还要从网址（http://www.mingw.org/）上下载MinGW编译连接器安装包。然后，先安装Eclipse C/C++集成开发环境，再安装MinGW编译连接器。下面给出本书使用的C工程框架，后续算法只在该C工程框架基础上修改algr.c、algr.h和main.c文件即可。

启动Eclipse C/C++集成开发环境，选择菜单命令File|New|C Project，在弹出的对话框中输入工程名myCPFrame，选择MinGW GCC作为Toolchains，如图1-3所示。在图1-3中单击Finish按钮进入Eclipse工作窗口。

在Eclipse工作窗口中，通过菜单命令File|New|Source File和菜单命令File|New| Header File可分别创建源代码文件和头文件。myCPFrame工程包含的文件见表1-1。

【程序1-3】 includes.h头文件。

其中，第5~9行包括了需要的系统头文件，第10~12行包括了用户自定义的头文件。

【程序1-4】 zlxdatatype.h头文件。

其中，第5~6行依次宏定义了8位无符号整型Int08U和32位无符号整型Int32U。

【程序1-5】 main.c文件。

其中，第4~5行依次宏定义图像的行数和列数；第8~10行依次定义保存明文图像、密文图像和解密后的图像的二组数组P、C和R。注意，这类变量必须定义为全局变量（作为局部变量时将导致C语言系统堆栈溢出！）；第11行定义密钥K，实际密码算法中，应根据具体的算法要求变更K的定义形式，并初始化K。第13~30行为主函数main，第15行读入Lena图像数据到内存变量P；第18行调用加密函数zyEnc将P加密为C；第17、19行记录第18行的运行时间，第20行显示运行时间，单位为秒；第21行将密文图像C写入硬盘文件MyCipher.txt。第25行调用解密函数zyDec将C还原为R；第28行将解密的图像R写入硬盘文件MyRecover.txt。

在MATLAB中查看MyCipher.txt和MyRecover.txt文件，如程序1-6所示。

【程序1-6】 MATLAB下查看C程序输出的图像数据文件。

其中，第2行从文件MyCipher.txt中读入图像数据；第3行在标号为1的图形输出窗口显示密文图像C。第5~6行的工作原理与第2~3行相似，用于显示解密后的图像。

【程序1-7】 imReadWrite.h头文件。

其中，第6~7行依次声明了读图像函数imReadFile和写图像函数imWriteFile，函数中4个参数的含义依次为图像文件名imFileName、图像数据指针Arr、图像行数M和图像列数N。

【程序1-8】 imReadWrite.c文件。

其中，第4~19行为读图像数据文件函数，从图像文件imFileName中读出M行N列的图像数据，存放在二维数组Arr中。注意：这个函数要求图像数据文件中，元素间用一个空格间隔，行间用一个回车符分隔。第21~38行为写图像数据文件函数，将M行N列的二维数组Arr中的图像数据写入到文件imFileName。注意：第31行中，两个单引号间有一个空格。

【程序1-9】 algr.h头文件。

其中，第6~7行依次声明了加密函数zyEnc和解密函数zyDec，4个形参的含义依次为明文图像P或还原后的图像R、密文图像C、密钥K、图像行数M和图像列数N，这里密钥K的数据类型需根据具体的密码算法要求进行调整。

【程序1-10】 algr.c文件。

其中，zyEnc和zyDec分别为加密函数和解密函数，这里给出了一些测试代码，并没有实现具体的任务，需要结合具体的密码算法修改这两个函数。

在基于zyCPFrame工程框架进行图像加密/解密设计时，结合具体的密码算法修改main.c、algr.h和algr.c文件中相应的代码即可，因此，在后续的C工程密码算法实例中，将只给出main.c、algr.h和algr.c文件的内容。

1.2.4 Visual Studio 2017集成开发环境

Visual Studio 2017社区版是微软公司最新的程序设计平台，注册之后可长期免费使用。打开Visual Studio后，进入菜单“文件|新建|项目”，弹出如图1-4所示的界面。

在图1-4中，输入项目名称MyCSFrame，选择项目类型“Windows窗体应用（.NET Framework）”，单击“确定”按钮进入Visual Studio工作平台。项目MyCSFrame工作界面如图1-5所示。

图1-5中，项目MyCSFrame工作界面包含的控件及其部分属性见表1-2。

按图1-5和表1-2设计项目工作窗体，然后向项目中添加类MyImageData.cs和MyOneTimePad.cs，得到如图1-6所示的项目文件列表（称为解决方案资源管理器）。其中，MainForm.cs是由默认创建的Form1.cs更名得到的。

项目MyCSFrame实现的功能为：在cmbBoxSelectPlain（见表1-2）组合选择框中选择一幅明文图像名，共有6幅图像Lena、Baboon、Pepper、Plane、All-black和All-white可选；然后，单击Show按钮（图1-5）将显示选中的明文图像。在cmbBoxSelectMethod（见表1-2）组合选择框中选择一种图像加密算法，共有3种方法OneTimePad、TDES和AES可选；然后，单击Encrypt按钮（图1-5）将显示加密后的图像，并在txtEncTime（见表1-2）中显示加密所需的时间。接着，单击Decrypt按钮（图1-5）将显示解密后的图像，并在txtDecTime（见表1-2）中显示解密所需的时间。

项目MyCSFrame仅实现了OneTimePad加密算法，这里的OneTimePad加密算法类似于一次一密算法，需要提供两个双精度浮点数作为密钥，这两个双精度浮点数分别用作分段线性映射的初始值和控制参数。将分段线性映射循环迭代得到的状态值序列转化为8比特的伪随机字节数据流，与明文图像直接异或得到密文图像。项目MyCSFrame的运行结果如图1-7所示。在图1-7中，选择了Lena图像，密钥为0.65和0.541。

下面给出项目MyCSFrame的代码。本书后续章节的密码算法只需要在项目MyCSFrame基础上添加新的密码算法类，并将新密码算法名添加到cmbBoxSelectMethod（见表1-2）组合选择框的Items属性中，然后修改文件MainForm.cs中的方法btnEncrypt_ Click和btnDecrypt_Click，添加相应的加密与解密方法的调用代码即可。因此，后续章节中，只需要给出新的密码算法类的代码。

【程序1-11】 MainForm.cs文件。

在程序1-11中，第14~19行的方法MainForm_Load在窗体MainForm装入时（程序主界面显示前）被调用，第16~17行设置Encrypt和Decrypt命令按钮不可用，第18行调用方法KeyReadOnly将Secret Keys区域中的16个文本框设为只读属性。

第39行创建MyImageData类的实例myImageData；第40行创建MyOneTimePad类的实例myOneTimePad。

第41~52行为Show命令按钮的单击事件，当组合框cmbBoxSelectPlain为非空时，即选择了某个明文（第43行为真），第45~46行从硬盘中读入该图像，该图像存放在工程编译链接得到的可执行程序文件所在目录下的myImages子目录下，共有6幅明文图像，即Lena.tif、Baboon.tif、Pepper.tif、Plane.tif、All-black.tif和All-white.tif。第47行在picBoxPlain图像框中显示选中的图像。第50行使得Encrypt命令按钮可用。

第53~62行为组合框cmbBoxSelectMethod选择不同加密算法时触发的方法。如果选取了OneTimePad（第57行为真），则Secret Keys区域中的前2个文本框可以输入文本，如图1-7所示，依次输入了0.65和0.541，分别用作分段线性映射的初始值和控制参数。

第63~93行为Encrypt命令按钮的单击事件。如果当前选中的加密算法为OneTimePad（第65行为真），则第70~71行从文本框txtKey01和txtKey02中读取分段线性映射的初始值x0和参数p，当x0和p合法（第72行为真）时，第74行从对象myImageData中读取明文数据（myImageData对象中保存了明文、密文和解密后的图像），第75~76、79~80行统计第77~78行语句的运行时间，第77行调用动态方法MyRandomGen产生密码流，第78行调用方法MyEncrypt实现加密处理，第81行在文本框txtEncTime中显示加密耗费的时间，如图1-7所示，第82行将密文图像保存到对象myImageData中，第83~84行在picBoxCipher图像框中显示密文图像，第85行使Decrypt命令按钮可用。

第94~122行为Decrypt命令按钮的单击事件。其中，第107行生成解密用的密码流，第108行调用方法MyDecrypt进行解密处理，第111行在文本框txtDecTime中显示解密耗费的时间，第112行将解密后的图像保存到myImageData对象中，第113~114行在picBoxRecovered图像框中显示还原后的图像。

【程序1-12】 MyImageData.cs文件。

程序1-12所示的MyImageData.cs文件中定义了类MyImageData，该类中定义了2个私有数据成员行数height和列数width（第8~9行），分别用于保存图像的行数和列数；第13~26的属性Height用于存取height，第27~40行的属性Width用于存取width。第10~12行依次定义了3个二维数组PlainImage、CipherImage和RecoveredImage，分别用于保存明文图像、密文图像和解密后的图像。

第41~54行的方法MyGetPlainImage用于将图像bmp中的数据读到二维数组PlainImage中。需要注意的是，在第50行的GetPixel方法参数中，两个形参依次为列数和行数（即列在前，行在后），返回值为当前位置像素点的颜色。第51行将读出的像素点的颜色的R分量（即红色分量）赋给PlainImage[i，j]。这是因为明文图像为灰度图像，读出的像素点的颜色的三个分量（R、G和B分量）均相等，可任取一个分量，或者取三者的平均值。

第55~70行为由密文矩阵生成密文图像的方法MyShowCipherImage。第57行创建Bitmap实例bitMap，第60~68行为二重循环体，将二维数组CipherImage的元素填充到bitMap对象中。

第71~86行为由解密后的矩阵数据生成解密后的图像的方法MyShowRecoveredImage，工作原理与方法MyShowCipherImage相似。第73行创建Bitmap实例bitMap，第76~84行为二重循环体，将二维数组RecoveredImage的元素填充到bitMap对象中。

【程序1-13】 MyOneTimePad.cs文件。

在C#工程中，每种密码算法都对应一个类，保存在一个单独的.cs文件中。一般地，类名和文件名相同。在文件MyOneTimePad.cs中定义的类MyOneTimePad实现了类似一次一密的密码算法。第11~14行依次定义了私有成员plainImage、cipherImage、recoveredImage和randomDat，分别用于临时保存明文图像、密文图像、解密后的图像和密码矩阵。

第15~20行的方法setPlainImage用于从对象myImDat中获取明文图像。第21~26行的方法getCipherImage将加密得到的密文图像cipherImage赋给对象myImDat中的成员CipherImage。第27~32行的方法getRecoveredImage将解密后的图像recoveredImage赋给对象myImDat的成员RecoveredImage。

第33~47行为生成密码矩阵的方法MyRandomGen，密码流保存在二维数组randomDat中。第48~56行的方法PWLCM为分段线性混沌映射，输入的形参x0和p分别为迭代初始值和控制参数。

第57~68行为加密方法MyEncrypt，这里将密码矩阵randomDat与明文图像矩阵plainImage相异或得到密文矩阵cipherImage。第69~80行为解密方法MyDecrypt，是加密方法MyEncrypt的逆运算，即将密码矩阵randomDat与密文矩阵cipherImage相异或得到还原后的图像矩阵recoveredImage。