面向宽带开放性网络的高实时性数字图像加密技术研究

摘要

在过去的20多年里，人们对混沌图像加密技术进行了广泛研究来满足在宽带开放性的网络环境中，安全图像传播的实时性与准确性。本论文针对这样的网络需求提出了一种混沌图像加密的创新算法:应用SHA256机制的彩色图像并行混沌加密算法。
　　目前已有的混沌图像加密算法，大都采用串行计算方式。随着现代计算机多核处理功能的日渐强大，使得多线程并行加密技术成为可能。本算法的一个创新之处为:根据彩色图像可表达为R、G、B三个独立色彩分量的特点，在伪扩散阶段，并发对三个色彩通道进行像素值加密操作。与传统的串行混沌图像加密相比，虽然多线程并行加密技术不能提高单个子任务的效率，但是它提高了多个任务所组成的系统的效率，因此能起到大大提高加密速度的作用。
　　针对传统的“置乱-扩散”架构存在的加密效率问题，本文提出了一种新型的图像加密架构—“伪扩散-置乱”架构，该架构的核心思想是:通过引入与明文相关的置乱机制，在计算复杂度相对较轻的置乱模块中引入显著的扩散效应，从而有效替代具有高计算复杂度的传统扩散模块，以大幅度提高图像加密的速度。
　　在伪扩散阶段，通过与混沌伪随机序列异或操作，将其转换为一统计特性良好的伪随机信源。在置乱阶段，利用超混沌系统产生伪随机置乱坐标对伪扩散图像进行置乱。超混沌系统由明文图像的Hash值驱动。由Hash函数的特性可知:两幅明文图像即使只有一个比特的差异，其Hash值（摘要值）也会完全不同。因此，对于两幅具有微小差异的明文图像，使用Hash摘要作为初始密钥，超混沌映射将输出完全不同的密钥流，进而实现完全不同的置乱过程。因此，可有效地在置乱阶段引入显著的扩散效应。
　　最后，文章给出了本文创新算法的系统测试与性能分析。从测试结果中可以看出创新算法可以抵御选择明文攻击以及统计攻击，说明加密算法的安全性可以保证。同时，从加密速度对比分析结果来看，本文的方法能够大大提高加密速度，证明该创新算法可以适用于面向宽带开放性网络的高实时性数字图像加密传输的需求。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 课题的研究背景和意义

1．2 混沌图像加密技术的研究现状

1．3 本文的结构安排

第2章 混沌密码学基础

2．1 混沌理论简介

2．1．1 混沌理论的产生与发展

2．1．2 混沌的定义

2．1．3 混沌的判据

2．1．4 混沌的运动特征

2．2 典型的混沌运动系统

2．2．1 一维混沌系统

2．2．2 二维混沌系统

2．2．3 三维混沌系统

2．3 密码学基础

2．3．1 现代密码学

2．3．2 密码学基本概念

2．3．3 流密码与分组密码

2．3．4 密码分析与算法安全

2．4 混沌与密码学的关系

2．5 本章小结

第3章 混沌图像加密算法的分析与改进设计

3．1 传统混沌图像加密技术原理

3．1．1 “置乱-扩散”混沌图像加密结构

3．1．2 传统混沌图像加密置乱功能实现

3．1．3 传统混沌图像扩散功能实现

3．1．4 传统混沌图像加密架构的缺陷

3．2 应用哈希机制的彩色图像并行混沌加密算法设计

3．2．1 彩色图像并行混沌加密算法设计

3．2．2 SHA256简介

3．2．3 超混沌系统概述

3．3 本章小结

第4章 高实时性混沌图像加密算法实现

4．1 多线程程序设计

4．1．1 进程与线程的概念

4．1．2 进程与线程比较

4．1．3 多线程的优缺点

4．1．4 多线程程序的实现

4．2 SHA256算法实现

4．3 龙格库塔法简介

4．3．1 经典的四阶龙格库塔法

4．3．2 显式龙格库塔法

4．3．3 隐式龙格库塔法

4．3．4 龙格库塔法解四阶微分方程的实现

4．4 基于SHA256的彩色图像并行混沌加密算法的实现

4．4．1 彩色图像伪扩散模块的实现

4．4．2 彩色图像置乱模块的实现

4．5 本章小结

第5章 系统测试与性能分析

5．1 密钥空间分析

5．2 统计攻击分析

5．2．1 直方图分析

5．2．2 相邻像素相关性分析

5．2．3 信息熵

5．2．4 差值分析

5．3 密钥敏感性分析

5．3．1 密钥加密过程敏感性分析

5．3．2 解密过程密钥敏感性分析

5．4 速度测试

5．5 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 本文工作总结

6．2 未来工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间的研究成果