基于高级加密标准的图像置乱方法研究及其硬件设计

论文摘要

数字图像加密研究在信息安全领域中举足轻重，已成为热门研究课题。目前数字图像加密主要有数字图像分存技术、置乱技术、基于现代加密体制的加密技术和基于混沌理论的加密技术，这些方法因其背景技术不同而各有利弊，有些研究者将这些加密技术互相结合，取长补短，进而得出了具有更多优点的研究成果。本论文的工作主要集中在高级加密标准（AES）算法和混沌映射在数字图像加密领域的应用研究上。AES性能相对稳定，安全性高，密钥的灵活性很强，并且适于软硬件实现，它对于强力攻击、差分和线性密码分析有很强的抵抗力。但AES算法是基于一维数据流的加密提出的，直接应用在数字图像加密领域并不能体现出高效性。针对数字图像信息数据量大、冗余度高和像素间相关性强的特点，本文以AES算法思想为主，混沌映射为辅将两者的优势结合提出一种数字图像置乱方法。整个算法由初始化、异或和置乱三个部分组成。初始化部分利用Logistic混沌映射和Chebyshev混沌映射对其初始参数条件的敏感依赖性，产生了六组具有良好随机性和复杂性的伪随机整数序列，是异或和置乱部分的前提条件；异或部分与AES中初始密钥加处理相类似，使用随机整数序列构造随机矩阵对图像数据进行异或处理，目的在于扩散像素取值范围；置乱部分借鉴了AES中轮变换的部分原理，在随机整数序列的控制下完成图像数据的位置置乱和灰度置乱。我们对置乱效果和算法的安全性进行了定性与定量分析，结果表明这种新的置乱方法具有很好的置乱效率和算法安全性，同时克服了一些AES算法应用在数字图像加密领域的问题。为了能够在后续工作中完成一个便于集成的图像加密硬件模块，对本文提出的置乱算法进行了初步的硬件设计，设计出其流水线结构。使用Verilog硬件描述语言对硬件设计的流水线结构进行RTL级的代码描述；使用仿真工具Modelsim进行了功能仿真。将硬件仿真与软件实验的结果相比较，证明硬件流水线设计正常工作，设计具有正确的逻辑功能，满足实时性要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 数字图像加密概述
• 1.2.1 数字图像加密的应用
• 1.2.2 数字图像加密的特点
• 1.3 数字图像加密及其硬件实现技术研究现状
• 1.3.1 数字图像分存技术
• 1.3.2 数字图像置乱技术
• 1.3.3 基于现代密码学体制的数字图像加密技术
• 1.3.4 基于混沌的数字图像加密技术
• 1.4 基于硬件实现的图像处理发展现状
• 1.5 本文的主要工作及文章结构
• 第2章 高级加密标准
• 2.1 分组密码
• 2.1.1 分组密码的概念
• 2.1.2 分组密码的分类
• 2.1.3 分组密码的工作模式
• 2.2 高级加密标准的制定过程
• 2.3 Rijndael 算法数学预备知识
• 2.3.1 有限域
• 2.3.2 多项式与字节运算
• 2.4 Rijndael 算法描述
• 2.4.1 Rijndael 算法的输入/输出
• 2.4.2 Rijndael 算法的结构
• 2.4.3 轮变换
• 2.5 Rijndael 算法的解密过程
• 2.6 小结
• 第3章 一种仿 AES 算法的图像置乱方法
• 3.1 两种混沌映射
• 3.1.1 Logistic 映射
• 3.1.2 Chebyshev 映射
• 3.2 仿 AES 图像置乱方法的结构
• 3.2.1 初始化
• 3.2.2 异或处理
• 3.2.3 位置和灰度置乱
• 3.3 置乱算法
• 3.3.1 加密
• 3.3.2 解密
• 3.4 实验结果及安全性分析
• 3.4.1 定性分析
• 3.4.2 定量分析
• 3.4.3 安全性分析
• 3.5 小结
• 第4章 仿 AES 图像置乱方法的硬件设计
• 4.1 集成电路设计技术
• 4.2 置乱算法的流水线设计
• 4.2.1 流水线技术
• 4.2.2 置乱算法的流水线划分
• 4.3 硬件结构
• 4.3.1 异或模块
• 4.3.2 位置置乱模块
• 4.3.3 灰度置乱模块
• 4.4 功能仿真
• 4.4.1 功能仿真的概念
• 4.4.2 输入数据的选择
• 4.4.3 仿真结果
• 4.5 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读硕士学位期间所发表的学术论文目录