基于细胞自动机的数字图像加密技术研究

摘要

随着计算机技术和多媒体技术的发展，数字图像逐渐成为人们传播信息的主要媒介之一。其在公共信道上的安全传播成为人们关注的重要问题。加密技术作为信息安全的重要技术之一，是目前保证数字图像安全的重要手段。数字图像具有信息量大、像素间相关性高、冗余度高等特征。传统加密算法将数字图像作为一般文本进行处理，加密速度慢、效率不高。这就需要研究者设计专门的算法用于数字图像加密。目前已有的图像加密技术包括：基于矩阵变换的方法、与压缩结合的方法、基于混沌系统和基于细胞自动机、神经网络等技术的图像加密算法。本文的主要研究内容是对现有基于细胞自动机的图像加密技术进行分析研究，设计出新的安全高效的图像加密方法。
　　 本文的主要工作和贡献体现在以下几点：
　　 ①简要介绍了细胞自动机和图像加密的基础知识以及细胞自动机用于图像加密的优势。对细胞自动机在密码学中的应用和现有基于细胞自动机技术的加密算法进行介绍分析。分别从随机数发生器、HASH函数和图像加密等方面介绍了细胞自动机在密码学中的应用现状。第3章对两种具有代表性的加密算法，即基于初等细胞自动机(ECA)状态环的图像加密算法和基于可逆触发式规则的加密算法进行介绍分析，指出算法的优缺点。
　　 ②对基于ECA状态环的图像加密算法进行分析和改进。第3章中基于ECA状态环算法具有明文敏感性差，安全性不高等缺点。本文设计出一种将ECA状态环和细胞自动机周期性相结合的图像加密算法，利用周期为2的二维细胞自动机对图像进行置乱，弥补了原算法的上述缺点。仿真实验和算法安全性分析显示该算法具有优良的混淆和扩散特性，且结构简单，易于软硬件实现，并行度高。
　　 ③提出一种基于二维细胞自动机触发规则的图像加密算法。现有基于细胞自动机触发规则的加密算法大都具有密文扩充的问题，且很多算法是针对文本数据设计的。本文利用二维细胞自动机触发规则的可逆性，创新性地将细胞自动机中的细胞按坐标分成奇偶两部分，设计出新的图像加密算法，该算法充分利用图像的二维特性，且解决了以往算法密文扩充的问题。仿真实验和安全性分析显示算法具有优异的加密效果和安全性。