基于多维算数编码的比特级混沌加密与压缩联合编码研究

With the development of "Big Data" and information technology, more and more digital information are applied in all fields of society. In recent years, the research of joint compression and encryption source coding has attracted a lot of researchers' concern. As compression and encryption are generally considered as two contradiction operations, existing algorithms cannot simultaneously provide high compression ratio and high security, often focusing one. In this research project, we investigate the bit-level features of digital information, multi-dimensional arithmetic coding and chaos-based cryptosystems to find out the deep-seated reasons of the contradiction between the compression and encryption operations. Furthermore, a new joint compression and encryption source coding structure with high level security and compression ratio is proposed, and a new evaluation system will be also provided. Moreover, a new joint compression and encryption algorithm employed multi-dimensional arithmetic coding is proposed to guarantee high level security and compression ratio simultaneously.

随着大数据时代的到来，越来越多的海量数据和多媒体信息应用于社会的各行各业。近年来对于数字信息的压缩和加密联合编码成为一个新兴的研究热点。由于压缩和加密通常被认为是一对矛盾体，现有算法均不能同时提供高压缩率和高安全性，往往侧重其一。本课题对数字信息的比特级性质、多维算数编码以及基于混沌理论的密码学进行研究，通过揭示传统联合编码算法中压缩操作和加密操作互相影响的深层次原因，给出一个具有高压缩率和高安全性的联合编码方案，建立起数据压缩和加密联合编码的评价体系和标准。在此基础上，结合扩展维度后的多维熵编码提出一种全新的压缩加密联合编码框架，保证数字信息的安全性同时，提高压缩率。

随着大数据时代的到来，越来越多的高冗余度的海量数据需要进行存储和传输，已有的数据压缩算法通常没有提供安全性机制。因此，设计和实现一种压缩算法和加密算法的联合编码算法可以很好的解决这个问题。然而，压缩算法和加密算法本身是一对天然的矛盾，因此本项目旨在设计和实现一种新型的能够同时满足高压缩率和高安全性的联合编码框架。. 在项目的执行过程中，首先针对多媒体加密算法安全性低、实时性差等问题，设计了多个多媒体加密算法，并从多个角度对已有的算法进行完善和改进。例如，基于三维比特矩阵的置乱算法对原始比特级置乱算法进行改进，使得在置乱的过程中，目标位置突破原始比特平面的限制，得到的置乱后的三维比特矩阵具有更好的密文安全性。与此同时，项目组还提出了诸如基于多置乱平面的数字图像加密算法、基于细胞自动机和混沌系统的数字图像加密算法等加密算法。. 其次，在新的加密算法的基础上，对基于算术编码的压缩和加密联合编码算法进行了深入的研究和具体的实现分析。课题组将原始的算术编码过程进行扩展，设计了高维安全算术编码算法。在新的算法中压缩的过程不在依赖于一维线段的收缩，新的编码过程使用扩展维度的空间收缩过程，在更高的维度上对原始信息进行加密操作，显著提高了密文的安全性。与此同时，课题组还提出了基于高维混沌系统和算术编码的压缩加密联合编码算法。新的联合编码算法能够在不影响算术编码压缩率的前提下，为海量数据提供高安全性。. 在过去的三年的研究中，课题组共发表学术论文9篇，其中SCI检索7篇，国际会议1篇，EI检索1篇。申请专利9项。软件著作权3项。共培养硕士研究生3人。组织大型国际会议3次。