基于双向扩散机制融合伪随机数同步生成器的快速图像加密算法研究-论文.pdf

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1、第14卷第7期2014年3月科学技术与工程V0I．14No．7Mar．2014l671—1815(2014)07—0045—06ScienceTechnologyandEngineering⑥2014Sci．Tech．Engrg．基于双向扩散机制融合伪随机数同步生成器的快速图像加密算法研究许爽王伟苏玉(中州大学信息工程学院，郑州450044)摘要针对当前混沌加密系统普遍了采用单向扩散机制进行加密，导致了较低的计算效率和加解密速度，在面对高解析度、大容量图像时，无法满足安全、实时性等缺陷，设计了一种双向扩散机制和伪随机数同步生成器，

2、提出了基于双向扩散机制与伪随机数同步生成器的图像加密算法；并与传统的加密机制进行了对比分析。通过伪随机数同步生成器将256bit长的外部密钥同步生成加密算法的初始条件和控制参数，并进行迭代计算超混沌系统，得到一组超混沌序列；然后用位置集合置乱方法置乱该序列，得到一个位置集合，用该集合置乱图像；最后采用密钥流机制量化超混沌序列，通过双向扩散机制加密图像。借助MATLAB仿真实验来测试该算法，结果显示具有理想的加密质量，加密机制高度安全，密钥空间足够大；较传统的扩散机制而言具有很高的计算效率，加密速度快，可满足实时传输要求。关键词伪随

3、机数同步生成器双向扩散机制计算效率位置集合置乱中图法分类号TP309．7；文献标志码A随着计算机工程与网络技术的迅猛发展，互联实验结果表明该加密系统安全性高，密钥空间巨大，网成为当今世界各国人民进行沟通交流的不可或缺具有较强的敏感性能。谢涛等设计了一种新的技术之一，网络信息安全与可靠性变得Et益重初始简单扩散一联合置乱一联合扩散的加密算法，要¨j。图像作为人们日常信息交流中最为直观的实验结果表明该加密系统高度安全。载体，由于其所涉及的信息很多，在开放网络的传输在上述的混沌理论加密算法中，都使用了置中容易遭受到外来攻击，使得相关信息

4、被窃取，给人乱一扩散加密结构。为了达到较好的加密效果，一们带来了巨大的损失。因此，对数字图像信息进行般要使用多次置乱、多次扩散，依据已扩散的像素值加密就显得非常重要。但是传统的经典加密算法，的累积效应来获得理想结果。一般要经过3～5轮如数据加密标准DES、IDEA算法以及RSA算法等，的整体“置乱．扩散”处理才能这些像素点的影响布没有考虑到图像具有大数据容量、较高的冗余度等局到整个密文1o,11]。这些算法的加密原理如图1特点，因此将其应用于图像加密会存在较大的不足。所示。近年来，随着混沌理论及实际工程应用的不断发展，为图像加密提

5、供了一种新的有效地保护手段。由于混沌系统具有更复杂的结构特征J，在图像加密领域中得到了广泛的应用。如朱伟等人分数阶图1传统混沌加密系统的多轮置乱一扩散原理不意图超混沌系统对图像进行了加密分析研究，实验结果从图1可知，想要得到理想的加密性能，需要进表明该加密系统能够显著提高抗明文攻击能力，具行多次置乱、多次扩散；然而，改变一个像素值，就需有理想的统计与差分特性，密钥空间显著增大。郭要一个对应的秘钥流元素，生成一个加密元素又需晓丛等提出了基于Logistic混沌映射结合Henon要进行一个置乱、迭代一次混沌系统以及量化处理。映射的图像

6、加密算法，得出加密因子，使其与图像进这样就大大地增加了计算量和成本，导致了较慢的行运算，且对该算法的安全性进行了实验研究，仿真加解密速度和计算效率。为了解决上述问题，设计了双向扩散机制和伪2013年9月25日收到，lO月22日修改第一作者简介：许爽(1978一)女，硕士，中州大学讲师。研究方随机数同步生成器，采用二者相融合的加密方法来向：信息安全、通信技术。E-mail：Xushuanghenan@163．tom。达到目的。双向扩散机制有效地解决了传统的混沌加密系统中的多轮扩散需要多个不同的密钥等不足；伪随机的同步生成器可达到自适

7、应目的，能够显科学技术与工程14卷著提高计算效率；二者有效结合可解决混沌加密系W0=一{l(K13①K14①K15oK16)+16统处理高解析度大容量的图像时带来的时延难题，∑()]／2}modl(6)使其满足图像实时性。借助仿真手段来检验本文算法的加密质量。t=(o+Y0+o+Wo+0+b+c)(7)从上式中可以看到，本文算法的初始条件是同1超混沌LoINZ系统步生成的，有效地提高了计算效率；且对于这个256采用超混沌LORENZ系统来生成对应的序列，bit的外部密钥的极其微小变化都是非常敏感的，而其模型如下且极其复杂，能够抵抗

8、任何的穷举攻击。，X=0(Y—)3双向扩散机制融合伪随机数同步J唧一+Y一(1)生成器的快速图像加密算法1Z=xy—bzLW=tTz本文提出的加密算法流程图如图2所示。式(1)中，、l，、z、均为状态参量，是对系统参量、Y对时间t的微分，t为控制参