基于密钥控制自更新变换的图像加密算法研究

In view of issues existing in current image encryption algorithms based on bit plane such as fixed representation model, low plaintext sensitivity, weak universality of encryption algorithms, and low diffusion encryption efficiency, this project plans to study new image encryption schemes by information theory, chaotic cryptography and cellular automata theory. The main contents are: 1) To solve the problem of the static model and improve the plaintext sensitivity of the encryption method, we establish the mathematical model of self renewal transformation controlled by the key, construct dynamic representation model and strong correlation between image pixels of the plain image, and design the key change mechanism based on the characteristics of the plain image; 2) To upgrade universality of encryption algorithms, we design a strategy of ‘permutation and diffusion’, which can self adapt to the plain image; 3) To improve the diffusion encryption efficiency, taking advantage of high parallelism characteristics of cellular automata information processing, we build the mapping model between cellular state evolution process and the diffusion process of dynamic representation model element of the plain image, and then design diffusion methods based on three dimensional reversible cellular automata. This project will effectively avoid the low security and low efficiency factors in image encryption based on bit plane, the research results can be applied to secure transmission and storage of secret images in open network environment, which leads to important research value.

针对当前基于位平面图像加密算法存在静态表示模型、明文敏感性低、算法普适性弱以及扩散加密效率低等问题，本项目拟借助信息论、混沌密码学、元胞自动机等理论开展图像加密新算法研究，重点研究内容如下：1)建立密钥控制的自更新变换数学模型，构造出明文图像的动态表示模型和像素间的强关联性，设计基于明文特征的密钥变化机制，以解决静态表示模型问题和提高算法的明文敏感性；2)设计自适应明文图像的“置乱-扩散”策略，以增强算法的普适性；3)利用元胞自动机信息处理的高度并行性特征，构建元胞状态演化过程和图像动态表示模型中元素扩散过程之间的映射关系模型，进而设计基于三维可逆元胞自动机的扩散算法，以提高扩散加密效率。本项目能有效规避现有基于位平面图像加密算法中的低安全和低效率因素，研究成果可望应用于开放网络环境下私密图像的安全传输与存储，具有重要的研究价值。

随着云计算技术的飞速发展，越来越多的数据资料在云端进行存储，据高德纳（Gartner）公司的分析，2020年有51%的数字内容和个人数据存储到云端服务器，这不仅节省了用户购买实际物理储存设备的开支，而且使数据信息的共享不再受时间和空间限制。然而，由于网络的开放性，数据在网络传输中或云端存储时面临着各种风险，例如窃取、复制和篡改等。密码编码算法能有效解决数据信息在传输过程和存储时的保密性、完整性以及真实性问题，得到了国内外学者们的深入研究及长期关注。加密算法是密码编码算法研究的核心问题之一，然而目前传统图像加密算法存在诸多问题，本项目试图借助信息论、混沌密码学、元胞自动机等理论，开展图像加密技术研究，提出了适用于不同场景的、安全高效的图像加密方案。主要研究内容如下：1）密钥控制自更新变换数学模型构建与分析。利用随机数、图像滤波和半张量积等构建了密钥控制自更新变换数学模型，使得对于经密钥控制自更新处理后的图像，对其进行位平面分解时，由于分解结果随密钥而变，通过改变密钥，可以使得一幅明文图像具有不同的位平面分解结果，这样建立的图像表示模型具有动态特性。2）依赖明文图像的密钥变化机制研究。提取自更新变换后图像的特征用于对预设密钥进行更新，接着利用更新后的预设密钥生成新的密钥，然后将新的密钥应用于图像加密的置乱和扩散过程。这样可以使置乱密钥和扩散密钥均依赖明文图像，对不同的明文图像产生差异性。3）自适应明文图像的“置乱-扩散”策略设计与分析。本项目结合DNA编码、元胞自动机等研究了以明文图像自然行列为最佳处理单元，实施自更新变换，使自更新变换适合于任意明文图像。4）利用可逆元胞自动机具有高度并行计算等特点，研究了可逆元胞自动机的构造方法，探索了其演化规则，结合压缩感知等理论设计了基于可逆元胞自动机的图像加密算法。研究成果可用于开放网络环境下私密图像的安全传输和存储，具有重要的应用价值。