基于随机数嵌入与密钥流变异机制的图像加密算法研究

Aiming at the four shortcomings or defects existed in current image encryption algorithms, i.e., ‘consistent invariance of cipher-image’, ‘single invariance of keystream’, ‘invariance of image feature’(invariance of pixel sum feature), and ‘extra transmission’, a research of image encryption algorithm based on the mechanism of random number embedment and keystream mutation is presented in this project. The main research contents are: (1) Design the embedment of random number to the image, of which can effectively avoid the two problems of ‘consistent invariance of cipher-image’ and ‘invariance of image feature’. (2) Establish the relationship of the keystream generation to the processed image information itself, of which can effectively prevent the problem of ‘single invariance of keystream’. (3) Construct new control parameters from the image, and make them recoverable from the decryption process by self-adaptive way, of which can avoid the problem of ‘extra transmission’. The method makes the keystream becoming mutation because we construct the feedback of plain-image information to the keystream and disturb the use of keystream. Furthermore, the keystream will not only be related to the plain-image differences but also be changed by the communication time, of which can ensure the security of the algorithm. To sum up, the proposed method is expected to be able to effectively solve or make up for the above shortcomings and deficiencies existed in image encryption, and can supply a more new efficient algorithm for image encryption. Therefore, the research is of paramount importance and significance.

针对当前图像加密算法中存在的四个缺陷或不足，即：“密文图像一致不变性”、“密钥流单一不变性”、“像特不变性”(像素总和特征不变性)和“额外传输”，本项目提出基于随机数嵌入与密钥流变异机制的图像加密算法研究。主要研究内容为：(1)将设计对图像进行随机数嵌入，拟有效规避“密文图像一致不变性”和“像特不变性”问题。(2)将建立密钥流的生成与所处理的图像信息本身相关联，拟有效避免“密钥流单一不变性”问题。(3)将构造新增参数从图像中获取，并且能在解密过程中自适应恢复，拟避免“额外传输”问题。由于图像信息本身反馈于密钥流的生成以及干扰密钥流的使用，从而使得密钥流发生变异。进一步地，密钥流不仅与明文图像的差异性相关联，而且也会随着通讯时间的变化而变化，从而确保算法的安全性。总之，本项目预期能够有效弥补或解决图像加密中所存在的以上缺陷与不足，为图像加密提供更有效的新算法。因此，本研究具有极其重要的意义。

（1）研究背景.在当今的信息化和数字化社会中，数字信息可以在网络中不受时间和不受空间的限制而被自由地分享与交流，人们可以充分利用和享受信息时代所带来的方便与快捷。然而，由于网络中的非法的、非授权的以及恶意的拦截、访问和篡改等，使得交流中的数字信息得不到安全保障。图像作为重要的多媒体资源之一，已经广泛应用于日常生活中并具有举足轻重的作用，如：医疗卫生、国防军事、地理信息系统、全球定位系统等。..（2）主要研究内容.本项目立项以来，主要开展的三个方面的研究内容：1)设计对图像进行随机数嵌入，有效规避“密文图像一致不变性”和“像特不变性”问题。2)建立密钥流的生成与所处理的图像信息本身相关联，有效避免“密钥流单一不变性”问题。3)构造新增参数从图像中获取，并且能在解密过程中自适应恢复，避免“额外传输”问题。..（3）重要结果.依托本项目的研究，解决了图像加密算法中的“密文图像一致不变性”、“像特不变性”、“密钥流单一不变性”、“额外传输”等问题。..（4）关键数据及其科学意义.研究期限内发表了论文7篇（见成果部分），完成合同的预期目标4篇，为图像加密提供有效的新算法，具有一定的研究意义。