OpenCv图像处理——图像加密和解密

一般情况下，图像的加密和解密过程是通过按位异或运算实现的。将原始图像与密钥图像进行按位异或，可以实现加密，将加密后的图像与密钥图像再进行按位异或可以实现解密过程。

一、基本原理

按位异或运算的基本规则如下表：

算子1	算子2	结果	规则
0	0	0	xor(0, 0) = 0
0	1	1	xor(0, 1) = 1
1	0	1	xor(1, 0) = 1
1	1	0	xor(1, 1) = 0

8位灰度图像中，每一个像素由8位二进制表示，其范围在[0, 255]之间。下表阐述了利用密钥178，对像素值216加密和解密过程。

加密过程	运算	说明	二进制	十进制
	bit_xor	明文	1101  1000	216
		密钥	1011  0010	178
	运算结果	密文	0110  1010	106

解密过程	运算	说明	二进制	十进制
	bit_xor	密文	0110  1010	106
		密钥	1011  0010	178
	运算结果	明文	1101  1000	216

假设有需要加密的原始图像A，其像素值为：

172	168	56
22	89	40
27	48	119

图像A的二进制表示为AB，其像素值为：

1010  1100	1010  1000	0011  1000
0001  0110	0101  1001	0010  1000
0001  1011	0011  0000	0111  0111

加密密钥图像为K，其像素值为：

132	177	156
152	56	70
26	99	162

图像K的二进制表示为KB，其像素值为：

1000  0100	1011  0001	1001  1100
1001  1000	0011  1000	0100  0110
0001  1010	0110  0011	1010  0010

接下来实现图像AB和图像KB的按位异或运算得到AKB：

0010  1000	0001  1000	1010  0100
1000  1110	0110  0001	0110  1110
0000  0001	0101  0011	1101  0101

图像AKB转换为十进制图像AK：

40	24	164
142	97	110
1	83	213

可以看出将A图像加密后的图像AK已经发生了本质的变换，下面将AKB图像继续和密钥图像KB进行按位异或运算，得到图像XB：

1010  1100	1010  1000	0011  1000
0001  0110	0101  1001	0010  1000
0001  1011	0011  0000	0111  0111

将图像XB转换为十进制图像X：

172	168	56
22	89	40
27	48	119

可以发现，x图像和原来的图像A完全一致。该过程详细解释了8位图像的加密和解密过程。在实际应用中，收发双方应该事先的规定好密钥图像，发送方利用密钥图像将图片加密，将密文发给接收方，然后接收方接到密文，然后用密钥进行解密，最终得到原始图像。

二、代码实现

import cv2
import numpy as np

demo = cv2.imread("demo.jpg", 0)
r, c = demo.shape
key = np.random.randint(0, 256, size=(r, c), dtype=np.uint8)   # 生成随机的密钥图像

cv2.imshow("demo", demo)              # 显示原始图像
cv2.imshow("key", key)                # 显示密钥图像

encryption = cv2.bitwise_xor(demo, key)   # 加密
decryption = cv2.bitwise_xor(encryption, key)  # 解密

cv2.imshow("encryption", encryption)      # 显示密文图像
cv2.imshow("decryption", decryption)      # 显示解密后的图像

cv2.waitKey(-1)
cv2.destroyAllWindows()

                                             

                                       原始图像                                                                                                密钥图像

                                           

                                       密文图像                                                                                               解密后图像