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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 基于折紙變換的數(shù)字圖像加密軟件
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 基于手工折紙產(chǎn)生的靈感，利用表現(xiàn)形式清晰的初等周期函數(shù)作為密鑰來(lái)控制生成原圖像的全排列置換模版，提出一種新的數(shù)字圖像加密算法并制作了應(yīng)用軟件。該加密算法將周期函數(shù)的規(guī)律性和圖像自身的二維矩陣特性相結(jié)合，將圖像自身的特點(diǎn)納入加密步驟中，是一種自適應(yīng)加密算法。通過仿真測(cè)試，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到或超過行業(yè)公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)，表明該算法對(duì)圖像信息加解密具有良好的效果。
- 詳細(xì)介紹：
- 本作品設(shè)計(jì)的加密算法其各項(xiàng)性能指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果如下： （1）灰度直方圖指標(biāo):本作品提出的算法中加入了圖像灰度置亂,可以實(shí)現(xiàn)密文的像素值均勻分布在整個(gè)灰度值空間（行業(yè)公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)為均勻分布）,可以抵抗密文統(tǒng)計(jì)分析的攻擊。 （2）密鑰敏感性指標(biāo)：當(dāng)分別輸入錯(cuò)誤的密鑰，即使它們與正確密鑰之間的相對(duì)誤差在0.001%（行業(yè)公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)為0.005%），也得不到任何有用的信息，密鑰敏感性強(qiáng)。 （3）相鄰像素相關(guān)性分析：為了檢驗(yàn)明密文相鄰像素的相關(guān)性，隨機(jī)選取1000對(duì)相鄰像素（水平、垂直、對(duì)角），計(jì)算相關(guān)系數(shù)，可以得到明文的相鄰像素相關(guān)性接近1，而加密后的密文相鄰像素相關(guān)性接近0（行業(yè)公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)為±0.01），這說明相鄰像素基本不相關(guān)，因此不可能從密文中通過相鄰像素的相關(guān)性反推出明文。 （4）明文改變率：在算法加密的效率上，比較了明文隨加密輪次的變化，發(fā)現(xiàn)本算法僅一次迭代就能完全打亂明文，重合率都在0.1%以下（行業(yè)公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)為50%），可見本算法的置亂效率高。 （5）信息熵：香農(nóng)信息熵是數(shù)字圖像加密性能好壞的一個(gè)重要指標(biāo)，一個(gè)密文的信息熵越大，說明這個(gè)系統(tǒng)越是混亂。經(jīng)過對(duì)加密圖像的信息熵計(jì)算，可以得出，香農(nóng)信息熵隨著迭代趨向于最大值8，這對(duì)密文的攻擊者來(lái)說，密文向各個(gè)方向明文演化的可能性都有，而且概率幾乎一樣，因此很難從密文中破解密碼。 （6）密鑰空間：本算法的對(duì)折折線都是通過初等周期函數(shù)生成，相對(duì)于混沌函數(shù)來(lái)說，不僅函數(shù)類型豐富，而且沒有參數(shù)的限制，密鑰空間可以擴(kuò)展到無(wú)限大（超出行業(yè)公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)），因此有效避免了窮舉法的攻擊。 （7）按照?qǐng)D像的二維矩陣特點(diǎn)，本算法采用分塊局域變換模式，不僅可實(shí)現(xiàn)圖像的局部加密，還可以抵抗隨機(jī)噪聲等特殊的攻擊和破壞，在密文受到一定破壞的情況下，輸入正確的密鑰，圖像依然可以恢復(fù)到可以辨認(rèn)的程度。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 發(fā)明目的： 本發(fā)明針對(duì)數(shù)字圖像安全，提出一種新的數(shù)字圖像加密算法并開發(fā)應(yīng)用軟件。 基本思路： 在現(xiàn)有的圖像加密方法中，置亂技術(shù)是最穩(wěn)健的方法之一。由于置換后的密文可以看做是明文的一個(gè)全排列，因此密鑰本質(zhì)上是全排列置換模版。傳統(tǒng)置換方法的優(yōu)點(diǎn)是密鑰較短，但同時(shí)導(dǎo)致了置換模版固定。如果可以用較短的密鑰生成不同長(zhǎng)度以及不同形式的全排列置換模版，則置換加密的效果將大大提高。本作品正是基于此考慮，利用手工折紙產(chǎn)生的靈感，將密鑰設(shè)計(jì)為折線函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了表現(xiàn)形式短（函數(shù)類型為初等周期函數(shù)），可產(chǎn)生不同長(zhǎng)度（對(duì)折次數(shù)）和多個(gè)置換模版（不同類型的折線函數(shù)以及函數(shù)表達(dá)式中的系數(shù)值）等功能。 創(chuàng)新點(diǎn)： 密鑰空間大，密鑰可以是任何初等周期函數(shù)。教育部查新結(jié)論顯示：利用初等周期函數(shù)作為密鑰來(lái)控制生成原圖像的全排列置換模板的數(shù)字圖像加密算法，未見報(bào)道。 技術(shù)關(guān)鍵： 折紙變換技術(shù)：提取圖像的數(shù)字矩陣，將其看成一張可以折疊的紙，通過一個(gè)周期函數(shù)產(chǎn)生折線，然后對(duì)折，根據(jù)數(shù)字矩陣對(duì)應(yīng)元素之間的像素奇偶性特征進(jìn)行像素置換，以此達(dá)到圖像置亂和加密效果。 主要技術(shù)指標(biāo)： （1）本算法密鑰敏感性強(qiáng)，密文信息熵大，明文改變率大，置亂效率高，密鑰空間大，相鄰像素之間的相關(guān)性小。 （2）本算法采用分塊局域變換模式，可實(shí)現(xiàn)圖像的局部加密和良好的抗噪性能。 （3）編制的加密軟件達(dá)到以下技術(shù)指標(biāo)：1）可對(duì)bmp、jpg和png等圖像格式加密；2）具有RGB彩色和灰度圖像兩種加密功能。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- （1）密鑰空間大。加密密鑰大小的范圍，通常以位為單位，密鑰的位越長(zhǎng)，其密鑰空間也就越大。就目前流行的混沌加密算法而言，它的密鑰空間約為 10的30-60次方位，然而隨著云計(jì)算的興起，這些密鑰空間也從某種意義上變得相對(duì)狹小起來(lái)。最近幾年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者，不斷引進(jìn)新的混沌函數(shù)和高維混沌函數(shù)作為加密算子，并且也得到了非常好的效果，但是由于在參數(shù)的選取上存在一些限制，并且往往需要向函數(shù)內(nèi)部加入一些微分和積分環(huán)節(jié)而導(dǎo)致算法結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)行效率低。 本作品加密算法的密鑰函數(shù)庫(kù)大，對(duì)周期函數(shù)的系數(shù)也沒有過多限制，就某種意義而言，密鑰空間可以視為無(wú)限大，因此試圖用窮舉方法進(jìn)行攻擊顯然不能夠?qū)崿F(xiàn)。 （2）密鑰為初等周期函數(shù)，密鑰短且函數(shù)類型豐富，這樣用戶可自定義自己熟知的周期函數(shù)，方便客戶記憶；對(duì)于軟件的安全性來(lái)說，本方法可以經(jīng)常更換密鑰函數(shù)，有效防止攻擊者通過密文反演出加密算法。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 校2011年挑戰(zhàn)杯特等獎(jiǎng); 省第四屆“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽一等獎(jiǎng)。
作品所處階段
- 目前已經(jīng)依據(jù)本算法制作成應(yīng)用型軟件，作品處于中試階段。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 發(fā)明專利申請(qǐng)下來(lái)后，將進(jìn)行專利實(shí)施許可。
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品；現(xiàn)場(chǎng)演示；圖片；錄像；樣品。
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)： 本作品不僅密碼子函數(shù)豐富，密鑰敏感程度高，而且極大程度地?cái)_亂了明文的統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)。加密過程可同時(shí)置亂像素的大小和空間位置，是一個(gè)與圖像自身相關(guān)的自適應(yīng)加密方法，并且它的加密性能直接和圖像灰度等級(jí)聯(lián)系在一起，圖像越精細(xì)，加密程度越好。 本作品采用分塊局域變換模式，可實(shí)現(xiàn)圖像的局部加密。 本作品根據(jù)手工折紙給予的靈感，將周期函數(shù)作為密鑰（折線位置），方便客戶記憶；對(duì)于軟件的安全性來(lái)說，本算法可以經(jīng)常更換密鑰函數(shù)，有效防止攻擊者通過密文反演出加密算法。 市場(chǎng)分析和經(jīng)濟(jì)預(yù)測(cè)： 隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，數(shù)字圖像已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)間信息表達(dá)的主要方式之一。但這些圖像資料很容易被黑客竊取和破壞，給個(gè)人和公司帶來(lái)嚴(yán)重?fù)p失，甚至?xí){到國(guó)家安全。 圖像加密是圖像安全保護(hù)的核心技術(shù)。它是保護(hù)圖像安全的一種直接的、有效的手段。同時(shí)，圖像加密還是信息隱藏和數(shù)字水印等應(yīng)用中不可或缺的一項(xiàng)重要技術(shù)。因此，在多媒體技術(shù)應(yīng)用日益廣泛的今天，圖像加密技術(shù)具有巨大的市場(chǎng)潛力和經(jīng)濟(jì)效益。
同類課題研究水平概述
- 目前，圖像加密技術(shù)可以分為空域圖像加密技術(shù)、變換域圖像加密技術(shù)和壓縮編碼圖像加密技術(shù)。空域圖像加密技術(shù)有數(shù)字圖像置亂技術(shù)、數(shù)字圖像信息隱藏技術(shù)、數(shù)字圖像水印技術(shù)、數(shù)字圖像分存技術(shù)。從現(xiàn)狀看，置亂技術(shù)是最穩(wěn)健的方法之一，它的加密本質(zhì)是像素置亂，不同加密方案得到的加密圖像置亂程度不一樣，置亂程度越高安全性越強(qiáng)。 數(shù)字圖像置亂技術(shù)的原理是根據(jù)加密算法，將數(shù)字圖像的像素空間打亂，從而形成面目全非的圖像。常用的圖像置亂技術(shù)主要有： 1）基于矩陣變換的置亂方法。它可以看做是裁剪和拼接的過程，通過這一過程將離散數(shù)字圖像矩陣中的點(diǎn)重新排列，然而由于離散數(shù)字圖像是有限點(diǎn)集，反復(fù)變換過程使圖像呈現(xiàn)周期現(xiàn)象。 2）基于像素位置遷移變換的置亂方法?；梅阶儞Q是最典型的代表，它是將數(shù)字圖像n階矩陣與一個(gè)n幻方對(duì)應(yīng)起來(lái)，以幻方矩陣中的元素值為順序索引，將所有圖像像素關(guān)聯(lián)起來(lái)，形成環(huán)路，將圖像像素沿環(huán)路移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的明文數(shù)字圖像灰度值的位移，從而得出密文。 3）基于偽隨機(jī)序列的置亂方法。所謂偽隨機(jī)序列就是一方面它是可以預(yù)先確定的，并且是可以重復(fù)地生產(chǎn)和復(fù)制的，一方面它又具有某種隨機(jī)序列的隨機(jī)特性。它先由偽隨機(jī)序列發(fā)生器生成序列，然后根據(jù)序列置換圖像像素的位置。 4）基于混沌系統(tǒng)的置亂方法?；煦缋碚撟畛跏怯擅绹?guó)氣象學(xué)家洛倫茲提出的“蝴蝶效應(yīng)”而來(lái)，之所以適合于圖像加密，是因?yàn)榛煦缦到y(tǒng)迭代產(chǎn)生的時(shí)間序列對(duì)初始條件敏感，結(jié)構(gòu)復(fù)雜難以分析和預(yù)測(cè)。因此，利用混沌系統(tǒng)產(chǎn)生偽隨機(jī)序列，然后用于對(duì)明文的處理；或以混沌系統(tǒng)的初始條件和參數(shù)對(duì)明文進(jìn)行迭代控制得到密文。但是混沌系統(tǒng)也存在不足之處，它是定義在無(wú)限集上，如何把定義在無(wú)限集上的混沌變換到密碼特性良好、定義在有限集的密碼系統(tǒng)上，還有待研究。 5) 近年來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)將細(xì)胞自動(dòng)機(jī)應(yīng)用到密碼系統(tǒng)和圖像處理中具有越來(lái)越多的優(yōu)點(diǎn)。Wolfram給出了細(xì)胞自動(dòng)機(jī)在密碼系統(tǒng)中的第一個(gè)應(yīng)用，而且他還把細(xì)胞自動(dòng)機(jī)引入到偽隨機(jī)數(shù)的生成中,使它在流密碼系統(tǒng)中得以應(yīng)用。 數(shù)字圖像加密是信息安全領(lǐng)域的核心技術(shù)，而目前大多數(shù)加密方法，其理論基礎(chǔ)與技術(shù)原理由國(guó)外研究者首先提出，由于國(guó)家關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施中不可能引進(jìn)或采用別國(guó)的加密技術(shù), 因此我國(guó)必須要多出自己的原創(chuàng)性算法以應(yīng)對(duì)未來(lái)的挑戰(zhàn)。
