基于动态密钥机制的图像加密算法研究

In view of defects existed in current image encryption algorithms such as low plaintext sensitivity, fixed key, weak universality of algorithm, extra transmission, and pseudo one-time pad, this project aims to study dynamic key mechanism setup and propose new image cryptosystems based on it. The image encryption technology will be studied systematically under Shannon communication theory for secrecy systems. The main contents are: (1) To enhance the plaintext sensitivity of algorithm, we establish a mathematical model of self-adaptive substitute for pixel correlation, and construct strong correlation among plain-image pixels; (2) To solve the problem of keystream unicity produced by fixed key, a dynamic key image encryption mechanism is constructed based on plaintext characteristic; (3) Search the optimum basic processing unit for image encryption to solve the weak universality and the low operate efficiency of algorithm; (4) To solve the extra transmission, we design a extraction mechanism from plain-image characteristic, and propose a extraction algorithm of cipher-image characteristic combining with updating policy; (5) To solve the pseudo one-time pad problem, we introduce random number parameter received from receiver, and design it to control the generation of keystream for the image encryption algorithm. Low security factors can be avoided efficiently in the process of image encryption in this project, of which is supposed to supply a new encryption algorithm for image encryption with dynamic property. It is expected to be used for secret image interaction in open Network, which leads to an important research meaning.

针对当前图像加密算法存在明文敏感性低、静态密钥、算法普适性弱、额外传输以及伪一次一密等缺陷，本项目拟研究动态密钥机制并在此基础上提出图像加密新算法。借助Shannon秘密通讯理论系统地研究图像加密技术，主要内容为：(1) 建立自适应替代的像素关联数学模型，构造出明文图像像素间的强关联性，以提高算法的明文敏感性；(2) 构造基于明文特征的动态密钥图像加密机制，以解决静态密钥产生的密钥流单一性问题；(3) 探索图像加密的最佳基本处理单元，以解决算法的普适性弱和运算效率低问题；(4) 设计明文图像特征提取机制，提出融合更新策略的密文图像特征提取算法，以解决额外传输问题；(5) 引入接收方的随机数参数，设计用此控制密钥流生成的图像加密算法，以解决伪一次一密问题。本项目将有效规避图像加密中的低安全因素，为图像加密提供具有动态特性的加密新算法，有望用于开放网络秘密图像交互领域，因而具有重要的研究意义。

当前信息时代环境下，互联网技术已经得到了飞速发展，多媒体及应用深入到人们的日常生活中，而且带来了诸多便捷。图像作为一种能够直接理解客观世界的方式，其已经成为信息交流不可缺少的组成部分。由于非法攻击或非法访问，图像的安全交流值得我们进行研究，其中最直接的保护方法就是对图像加密。而对于当前图像加密算法存在明文敏感性低、静态密钥、算法普适性弱、额外传输以及伪一次一密等缺陷，本项目提出了新的基于动态密钥机制的图像加密算法。主要研究内容有：(1) 建立自适应替代的像素关联数学模型，构造出明文图像像素间的强关联性，以提高算法的明文敏感性；(2) 构造基于明文特征的动态密钥图像加密机制，以解决静态密钥产生的密钥流单一性问题；(3) 探索图像加密的最佳基本处理单元，以解决算法的普适性弱和运算效率低问题；(4) 设计明文图像特征提取机制，提出融合更新策略的密文图像特征提取算法，以解决额外传输问题；(5) 引入接收方的随机数参数，设计用此控制密钥流生成的图像加密算法，以解决伪一次一密问题。图像信息在商业、政治、教育、军事、艺术、医疗等方面应用越来越广泛，特别地，有些图像信息涉及个人隐藏甚至属于商业或政府保密信息。图像加密算法的设计就是为了提高图像传输与存储的安全，采取适当技术防止图像信息外漏。以本项目的研究内容为依托，进行图像加密算法设计与开发，在研究期限内取得了合同的预期成果（效果）。