面向多核并行计算的元胞自动机图像加密技术研究

Cellular automaton posses a lot of inherent characteristics, such as simple regular structure, local interaction and massive parallelism, which make it a good candidate to design image cryptosystem. However, there are still many deficiencies in existing cellular automata based image encryption technologies in respect of security and encryption speed. Most cellular automata based image encryption methods cannot be effectively applied to GPU. Based on the previous research, this project first explores the new constructing methods of reversible and irreversible cellular automata, and finds appropriate cellular automaton rules for image encryption by using evolutionary computation. Then, this project intends to design secure and efficient image encryption algorithms with parallel cellular automata by optimizing the image permutation and diffusion operations. Finally, the project develops an efficient image encryption system using the GPU environment. It is hoped that the theoretical research, technological innovation and system implementation of this project will provide new ideas for multimedia data encryption, and promote the further development of GPU hardware acceleration in the field of image encryption.

元胞自动机固有的组成单元的简单性、单元之间作用的局部性、以及信息处理的高度并行性等特点，使其在图像加密领域中有着独特的优势。然而，现有的元胞自动机图像加密技术在安全性和高效性方面仍存在诸多不足，大部分元胞自动机图像加密方法不能有效应用于GPU上。在前期研究基础上，本项目首先研究可逆元胞自动机和不可逆元胞自动机构建的新方法，拟采用演化计算方式探索两类元胞自动机规则空间，寻找适用于图像加密的元胞自动机规则。其次，利用元胞自动机并行计算的特点，通过优化图像置乱和扩散操作，设计安全、高效的元胞自动机图像并行加密算法。最后，利用GPU环境开发高效的图像加密系统。希望通过本项目的理论研究、技术创新和系统实现能够为多媒体数据加密提供新思路，同时推动GPU硬件加速在图像加密领域的进一步发展。

随着社交网络和云端存储的普及，图像作为信息交流的重要视觉数据，其安全传输和隐私保护问题不容小觑。图像加密与信息隐藏技术均能够有效保护图像信息的安全，元胞自动机固有的组成单元的简单性、单元之间作用的局部性、以及信息处理的高度并行性等特点，使其在图像加密和信息隐藏领域中有着独特的优势。本项目利用演化计算的方法探索了元胞自动机的模型设计，设计了一系列新的元胞自动机模型：一维三耦合元胞自动机模型、二维仿生元胞自动机模型、一维五近邻元胞自动机模型，将构建的新型元胞自动机模型应用于安全高效的图像加密和信息隐藏方案，提出了一种基于三耦合元胞自动机的彩色图像加密方法，一种基于仿生元胞自动机的感兴趣区域图像加密方法，一种基于五近邻元胞自动机的视觉安全图像加密方法。本项目的理论研究、技术创新和系统实现能够为多媒体数据加密提供新思路，可以将元胞自动机加密技术广泛地应用于图像安全传输领域。