数字图像快速加密算法的设计与分析

论文摘要

随着计算机和网络技术的发展,多媒体已被广泛地运用到人们社会生活中的各个领域。同时,多媒体通信的安全问题也日益受到关注,而密码学是解决这一问题的首要技术。与文本数据不同,多媒体的数据量往往非常庞大,对其加密会消耗大量的计算资源和能量。数字图像是多媒体的一种,其研究成果能够较容易推广到其它多媒体形式中。本论文主要研究在保证安全要求的前提下,如何利用数字图像的特性实现快速加密。论文的工作主要包括五个方面:①提出了一种空域图像的并行加密模型。以往的空域图像加密模型中均采用密文分组链接的方式,这使得图像加密算法只能串行实现。为了提高图像加密的速度,论文提出了一种并行图像加密模型,并基于该模型给出了两个具体的图像加密算法。②提出了两种数字图像无损压缩技术即四叉树编码和MH编码的快速加密算法,其中重点研究了MH编码加密算法的性能。现有的多媒体加密技术在研究加密算法的性能时主要采用定性分析的方法,本论文在考查MH加密算法时对加密算法的压缩性能、视觉质量改变量和加密数据量进行了定量分析。③提出了两种最流行的数字图像有损压缩标准GIF和JPEG的快速加密算法。重点研究了对JPEG标准的加密技术,针对保密加密和退化加密两种不同的加密模式提出了四种加密算法,并对算法的各种加密性能进行了量化分析;提出了基于图像处理技术的新的安全性分析方法。④对一种基于多Huffman树的多媒体加密算法进行了密码学分析。基于多Huffman树的多媒体加密算法在图像加密领域受到了广泛的关注,本论文从选择明文攻击、已知明文攻击和唯密文攻击等多个角度对该算法进行了详细的密码学分析,指出该算法由于安全方面的缺陷不适合在实际中使用。⑤将图像快速加密技术的研究成果应用到MPEG流媒体的加密中。与图像相比,视频的快速加密技术具有更重要的意义,但两者又有密切的联系。本论文将图像快速加密技术的研究成果应用到MPEG的加密中,并研究了流媒体加密的困难及其解决方法。最后是全文的总结,并给出了论文的不足之处以及今后进一步研究的方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 多媒体快速加密技术的背景及概念
• 1.2 多媒体快速加密技术的研究进展
• 1.3 图像快速加密技术的应用模式及性能指标
• 1.4 本论文的主要工作
• 2 图像压缩与数据加密技术
• 2.1 图像冗余及压缩技术介绍
• 2.2 相关密码学技术介绍
• 2.2.1 对称和非对称加密算法
• 2.2.2 分组加密算法
• 2.2.3 流密码算法
• 2.2.4 伪随机数产生器
• 2.2.5 伪随机排列产生算法
• 2.3 本章小结
• 3 空域图像快速加密算法
• 3.1 概述
• 3.2 图像并行加密模型及算法框架
• 3.3 基于混沌映射的并行加密方法
• 3.4 基于AES 算法的图像并行加密算法
• 3.5 ‘MASK’图像并行加密算法
• 3.5.1 四个变换
• 3.5.2 ‘MASK’图像并行算法
• 3.5.3 实验结果
• 3.5.4 性能比较
• 3.6 本章小结
• 4 无损压缩图像快速加密算法
• 4.1 概述
• 4.2 基于四叉树编码的图像快速加密算法
• 4.2.1 基于四叉树编码的快速加密算法及其分析
• 4.2.2 改进的四叉树快速加密算法
• 4.2.3 实验及分析
• 4.3 基于MH 编码的图像快速加密算法
• 4.3.1 MH 格式兼容的图像加密算法
• 4.3.2 改进的二值图像加密算法
• 4.4 本章小结
• 5 有损压缩图像快速加密算法
• 5.1 概述
• 5.2 GIF 图像快速加密算法
• 5.2.1 GIF 格式介绍
• 5.2.2 基本的GIF 图像退化加密算法
• 5.2.3 改进的GIF 图像退化加密算法
• 5.2.4 GIF 图像的保密加密算法
• 5.2.5 安全性及其它性能分析
• 5.3 JPEG 图像快速加密算法
• 5.3.1 JPEG 图像编码过程介绍
• 5.3.2 方法一：加密量化后的DC 系数
• 5.3.3 方法二：加密量化后的非零AC 系数
• 5.3.4 方法三：加密量化后的DC 系数和AC 系数
• 5.3.5 方法四：JPEG 图像的保密加密算法
• 5.4 本章小结
• 6 对基于多Huffman 树的快速加密技术的分析
• 6.1 概述
• 6.2 基于多Huffman 树的多媒体加密算法
• 6.3 选择明文攻击
• 6.4 已知明文攻击
• 6.4.1 原算法的第一个弱点
• 6.4.2 原算法的第二个弱点
• 6.4.3 原算法的第三个弱点
• 6.4.4 密文的同步
• 6.4.5 密钥的恢复
• 6.5 唯密文攻击
• 6.6 本章小结
• 7 图像快速加密算法在MPEG 流媒体加密中的应用
• 7.1 概述
• 7.2 MPEG 视频编码标准
• 7.2.1 MPEG 视频编码与解码过程
• 7.2.2 MPEG 编码格式
• 7.3 RTP 和RTCP 协议
• 7.3.1 实时多媒体数据的传输
• 7.3.2 RTP 协议
• 7.3.3 RTCP 协议
• 7.4 MPEG 流媒体加密算法的设计及实现
• 7.5 本章小结
• 8 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录
• B. 作者在攻读博士学位期间参加的科研项目及申请的专利