改进的rijndael加密算法在医学图像上的应用

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1、改进的Rijndael加密算法在医学图像上的应用医学图像因其海量数据和专业针对性等问题，在加密领域还没有触及，因Rijndael加密算法主要针对文本文件进行加密，直接使用Rijndael加密算法加密并不能完全保证图像的加密效果。我们基于Rijndael加密算法的设计原理，并结合二维离散混沌系统具有类随机性的特点对其进行改进，该加密算法具有置乱效果好、安全性高等特点，非常适合对要求高保密性的医学图像文件进行加密。一、二维离散混沌系统及加密因子序列混沌序列是一种性能优良的伪随机序列，具有较高的保密安全性，目前被广泛应用于加密学领域的混沌模型是一维离散系统（如Logistic映射），其缺陷

2、是密钥空间太小。因此，我们采用了形式简单且具有超混沌特性的二维离散混沌系统，其方程如下：式中：当a=1.55、b=-1。3、c=-11和d-0.1时，xn和yn序列的Layapunov指数分别为0.238和0.166．该系统处于超混沌状态。将xn和yn作非线性变换得到序列zn，由序列zn通过线性变化映射到0-255的整数序列作为加密因子序列，这样即使攻击者知道序列，在不知道非线性变换函数的情况下，也难以重构出密钥流，因而提高了整个混沌系统的抗破译性。混沌实值序列转换为0～255的整数序列的设计原则是让加密因子序列尽量保持原混沌序列的伪随机性。针对数字图像的特点，其映射方法是将混沌实值

3、序列在其最大值和最小值之间，按256级等级线性映射，得到8位二进制序列作为加密因子序列。二、Rijndael加密算法分析及改进方案Rijndael加密算法的设计原型是Square加密算法，设计策略是宽轨迹策略，可以有效抵抗强力攻击、差分和线性密码分析，具有分组长度和密钥长度设计灵活、高安全性和高运行效率等优点。本文改进的Rijndael加密算法其思想是利用图像像素的灰度值或R、G、B各分量的值与Rijndael加密算法中的State矩阵元素值相吻合的特点，采用密钥加和字节替代操作改变图像中每个像素点的像素值，降低图像相邻像素之间的相关性，从而更好地保护图像文件；使用行置换和列置换对图

4、像位置进行置乱，改变图像的相互位置关系，降低图像的相关性，从而达到图像保密的目的。Rijndael加密算法的轮密钥是通过递归定义生成的，某一轮的密钥可以由前一轮或几轮的轮密钥推导而来，而Rijndael加密算法的子密钥的前NK个字完全由种子密钥直接填充而成。如果密码分析者知道了这前NK个字的部分密钥字，就可以根据递推公式得到与这部分密钥字相关的密钥字。当泄露的密钥信息达到一定程度时，其它的种子密钥或许就可以通过穷举法获得，进而获得全部轮子密钥。因此，充分利用加密因子序列伪随机性的特点对Rijndael加密算法进行改进：①采用加密因子序列作为种子密钥进行密钥扩展，使密码分析者更难以找到

5、加密密钥特别是种子密钥：②改进行置换和列置换，使图像中的像素置乱位置由加密因子序列来确定，以便增强该加密算法的安全性；③改进密钥编排方案m，将加密因子序列的长度设定为待加密图像的像素个数，以便更好地适应数字图像文件加密。三、改进的Rijndael加密算法在医学图像上的应用1、DICOM文件格式DICOM文件是指按照DICOM标准而存储的医学文件，一般由一个DICOM文件头和一个DICOM数据集合组成。DICOM数据集合是由DICOM数据元素按照一定的顺序排列组成的，它不仅包括医学图像，还包括许多和医学图像有关的信息。数据元素的组成结构如图1所示，其中标识符由组号和元素号组成，表示为（

6、组号，元素号），是数据元素的惟一标识。每个DICOM文件都必须有一个文件头，包括文件导言，DICOM文件前缀(DICOMPrefix)和DICOM文件元信息。DICOM文件的起始部分是128个字节固定长度的文件导言，它可以用来存放一些信息，给完成特定功能的应用程序使用的。文件导言随后部分就是4个字节的DICOM文件前级，这4个字节依次是”D”，“I”、”C’、”M”4个字符，它们是DICOM文件的标识，表示这是一个DICOM文件。文件前缀之后的文件元信息，它的组织方式实际上与DICOM数据集合中的数据元素完全一样，有时候也看成是0002组的数据元素。2、DICOM图像文件加密的总体思

7、路（1）定义一些存储图像参数的变量，并将变量初始化。（2）按照传输语法格式要求，对DICOM文件的各相关数据元进行遍历，提取出0002组、0028组和7EFO组有用的数据元的内容，分别存入先前定义的变量中。（3）根据有关数据元的值还原出DICOM文件的图像矩阵并进行加密操作。（4）将加密后的图像数据重新写入DICOM文件中，关闭文件。3、图像像素数据的解析DICOM图像像素数据元素标识是(7FEO，0010)，值域中的数据就是DICOM文件的图像像素。在这