基于數(shù)字圖像網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)幕煦缂用芩惴ㄑ芯?/h1>
2015-06-23 16:27:38李建軍李本領(lǐng)
無線電工程 2015年10期
李 良，李建軍，李 釗，李本領(lǐng)
（1.第二炮兵工程大學(xué)士官學(xué)院，山東 青州 262500；2.第二炮兵駐石家莊地區(qū)軍事代表室，河北 石家莊 050081）
基于數(shù)字圖像網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)幕煦缂用芩惴ㄑ芯?/p>
李 良1，李建軍1，李 釗2，李本領(lǐng)1
（1.第二炮兵工程大學(xué)士官學(xué)院，山東 青州 262500；2.第二炮兵駐石家莊地區(qū)軍事代表室，河北 石家莊 050081）
主要研究數(shù)字圖像安全地在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸?shù)膯栴}。由于混沌系統(tǒng)的許多特性與密碼學(xué)的許多要求非常吻合，在之前的數(shù)字圖像加密算法中已顯現(xiàn)出了極大的優(yōu)越性。指出了應(yīng)用基本的三維Arnold映射對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行加密存在的不足，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)；論述了一種新的基于混沌的數(shù)字圖像加密方案，并在嵌入式平臺(tái)中進(jìn)行了設(shè)計(jì)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明混沌算法對(duì)于數(shù)字圖像加密和解密效果較好，可以用于大數(shù)據(jù)的數(shù)字圖像網(wǎng)絡(luò)安全傳輸。
網(wǎng)絡(luò)傳輸；數(shù)字圖像加密；三維Arnold映射；嵌入式平臺(tái)
0 引言
數(shù)字圖像是承載信息的重要載體，對(duì)圖像進(jìn)行加密保護(hù)是保證信息安全的重要手段之一。目前已知的比較成熟的加密算法有3DES、DES和RSA等，多為保護(hù)文本信息而設(shè)計(jì)，抗破譯能力較弱，對(duì)數(shù)字圖像加密速度較慢，因此需要采用更加安全、高效、可靠的加密方案。而混沌和密碼學(xué)之間具有天然的聯(lián)系和結(jié)構(gòu)上的某種相似性，啟示著人們把混沌用于密碼學(xué)領(lǐng)域［1］。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與電子技術(shù)的不斷發(fā)展，人們愈來愈多地傾向于使用手持終端設(shè)備來發(fā)送和獲取相關(guān)的信息。嵌入式系統(tǒng)以其獨(dú)特的優(yōu)越性在這些設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。本文通過深入研究設(shè)計(jì)了一種基于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)幕煦缬成鋽?shù)字圖像加密方案，并在嵌入式平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。
1 混沌理論與混沌加密技術(shù)
隨著研究的深入，混沌的一系列的特點(diǎn)和本質(zhì)被進(jìn)一步地揭示和完善，對(duì)混沌完整的確切定義還沒有產(chǎn)生。目前人們還是把混沌定義為一種無序中的有序，主要有以下特征：①內(nèi)在的隨機(jī)性；②普適性；③對(duì)初始條件的極端敏感性；④遍歷性；⑤標(biāo)度不變性。
1.1 混沌加密技術(shù)
伴隨著數(shù)字圖像、數(shù)字視頻等多媒體的普及應(yīng)用，直接促進(jìn)和推動(dòng)了互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。要在傳輸?shù)倪^程當(dāng)中保障信息的安全性，這就必須對(duì)數(shù)字圖像的信息進(jìn)行隱匿處理［2，3］。由于數(shù)字圖像本身存在一些特點(diǎn)，如數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)分布于二維空間、原始圖像的數(shù)據(jù)中存在許多冗余以及相鄰的像素灰度值之間的相關(guān)性很強(qiáng)等，使用傳統(tǒng)的加密方法進(jìn)行處理效果并不好，因此基于混沌理論的密碼技術(shù)為數(shù)字圖像的安全性研究指出了一個(gè)新的方向。
混沌的典型特征與密碼學(xué)中要求的擴(kuò)散性、混淆性和密鑰等相關(guān)概念是高度契合［4］。將混沌理論應(yīng)用于密碼學(xué)是Matthews在1989年第一次提出的，同時(shí)也提出了一種混沌流密碼的方案［5］。之后，數(shù)字混沌密碼學(xué)得到了廣泛的發(fā)展和研究?；煦缑艽a學(xué)的研究方向有以下2個(gè)方面：
①數(shù)字化的混沌系統(tǒng)。主要依據(jù)計(jì)算機(jī)的有限精度來實(shí)現(xiàn)。利用混沌系統(tǒng)構(gòu)建新的流密碼、分組密碼。
②混沌保密通信，以混沌同步為核心。隨著混沌理論研究不斷的深入與成熟，混沌保密通信近年來引起了人們的關(guān)注，逐漸成為一種新的、有效的加密手段。
1.2 三維Arnold映射及其n維推廣
Arnold映射又被稱為貓映射，是一種比較經(jīng)典的二維混沌映射，屬于非線性映射，是由Arnold在對(duì)遍歷理論進(jìn)行研究時(shí)引入的。
如下映射稱之為三維Arnold映射。
式中，x，y，z∈｛0，1，2，…N－1｝，N為給定的自然數(shù)。那么，對(duì)于給定的正整數(shù)N，由式（1）可知，
由歸納法可知，對(duì)（x，y，z）T進(jìn)行n次Arnold變換得到：
由式（1）可以將Arnold映射推廣到n維情況。
對(duì)于給定的正整數(shù)N，下列映射稱為n維Arnold映射：
式中，x1，x2，…xN－1，xN∈｛0，1，2，…，N－1｝。
2 改進(jìn)Arnold變換的數(shù)字圖像加密方案
2.1 擴(kuò)散處理
在實(shí)際的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，對(duì)浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算會(huì)占用較多的內(nèi)存，因此利用等效變換將混沌序列的浮點(diǎn)迭代過程轉(zhuǎn)變?yōu)檎c(diǎn)迭代過程。在圖像像素?cái)U(kuò)散處理階段，本文將采用上述得到的混沌序列對(duì)圖像的8位色彩數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，該部分的思路具體如下：
①假設(shè)原圖像大小為M×N，根據(jù)Logistic映射方程［6］，輸入一組密鑰參數(shù)u，x，經(jīng)上述處理得到一組混沌序列A。
②利用QT庫(kù)提供的讀取圖像數(shù)據(jù)的函數(shù)依次讀取圖像的色彩數(shù)據(jù)，得到其參數(shù)矩陣f，然后對(duì)應(yīng)每點(diǎn)的色彩數(shù)據(jù)進(jìn)行異或處理，得到新的參數(shù)矩陣A′：
③重復(fù)步驟②，直到所有的像素點(diǎn)都處理完畢為止，得到新的圖像A′M×N。
④在解密時(shí)，只需再進(jìn)行一次異或操作即可。
2.2 置亂處理
考慮到在數(shù)字圖像方面的應(yīng)用，采用改進(jìn)的Arnold變換對(duì)已經(jīng)過擴(kuò)散處理的圖像進(jìn)行位置的置亂處理，此處的思路是在位置變換的過程中同時(shí)引入已擴(kuò)散處理過的像素作為一個(gè)新的參數(shù)，具體如下：
置亂過程可以描述為：
①讀取圖像A′M×N的某個(gè)像素點(diǎn)的位置坐標(biāo)（i，j），對(duì)于行坐標(biāo)，由xn＋1＝xn＋byn＋mfn得到變換后的行坐標(biāo)：
對(duì)于列坐標(biāo)，由yn＋1＝axn＋（ab＋1）yn＋nfn得到變換后的列坐標(biāo)：
當(dāng)ik＝0時(shí)，令ik＝M；當(dāng)jk＝0時(shí)，令jk＝N。
②重復(fù)步驟①，直到所有的位置坐標(biāo)都完成為止。
③重復(fù)步驟①和步驟②，直到達(dá)到指定的置亂次數(shù)為止，得到最終的加密圖像A″M×N。
④在解密時(shí)，參考式（7）得到相應(yīng)的行坐標(biāo)與列坐標(biāo)即可。
3 數(shù)字圖像混沌加解密應(yīng)用設(shè)計(jì)
本文采用C＋＋語(yǔ)言，將基于Logistic映射和改進(jìn)的Arnold系統(tǒng)的加密算法進(jìn)行軟件編程，之后使用嵌入式平臺(tái)的交叉編譯工具arm-linux-gcc交叉編譯后生成ARM平臺(tái)可運(yùn)行的執(zhí)行文件［7，8］。
3.1 加密程序設(shè)計(jì)
在數(shù)字圖像的加密階段，首先對(duì)相應(yīng)的函數(shù)及參數(shù)進(jìn)行初始化處理，主要包括讀取的圖像是否為空以及圖像的文件格式等；然后對(duì)數(shù)字圖像每一個(gè)像素點(diǎn)的灰度值進(jìn)行擴(kuò)散處理，此處使用的混沌序列主要是通過混沌系統(tǒng)經(jīng)過一定的迭代次數(shù)產(chǎn)生的，擴(kuò)散處理完成后使用改進(jìn)的Arnold變換對(duì)像素位置進(jìn)行置亂；最后將處理完成后的密文重新組成一幅新的加密圖像。加密部分的主要流程如圖1所示。
圖1 加密流程
3.2 解密程序設(shè)計(jì)
在解密部過程是加密過程的逆過程，解密部分的主要流程如流程圖2所示。
圖2 解密流程
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
本文重點(diǎn)分析了基于混沌理論的數(shù)字圖像加密技術(shù)在硬件上的實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)為ARM，在平臺(tái)上移植了Linux操作系統(tǒng)，使得方案的實(shí)現(xiàn)不需太多考慮底層部分的硬件實(shí)現(xiàn)，提高了開發(fā)效率，簡(jiǎn)化了上層應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。圖像的加密與解密過程是在同一塊開發(fā)板中測(cè)試的，當(dāng)然亦可以通過網(wǎng)絡(luò)／U盤將待處理的圖像傳輸或拷貝至另外的移植有相同處理程序的目標(biāo)板中。
實(shí)驗(yàn)中選取比較常用的512×512的Lenna圖像作為處理對(duì)像。擴(kuò)散部分的參數(shù)u＝3.58，x＝0.123；置亂部分參數(shù)a、b、m和n的取值分別為20、40、5和8，置亂次數(shù)為5。在加密階段，首先進(jìn)行灰度值的擴(kuò)散處理，然后進(jìn)行像素的位置的置亂處理，而在解密階段，該過程正好相反，先進(jìn)行位置的反置亂處理，然后進(jìn)行灰度值的反擴(kuò)散處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如3所示。從對(duì)加解密圖像的Matlab仿真結(jié)果以及安全性能的分析中可以看到，該加密方案效果很好。
圖3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
5 結(jié)束語(yǔ)
通過對(duì)混沌理論的不斷深入研究，其應(yīng)用也進(jìn)入了全新的階段，以混沌理論為基礎(chǔ)的加密方案的研究也愈來愈熱。同時(shí)，隨著通信技術(shù)和電子技術(shù)的快速發(fā)展，嵌入式設(shè)備的應(yīng)用也愈來愈廣泛。
本文設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式Linux系統(tǒng)的數(shù)字圖像混沌加密方案。在設(shè)計(jì)過程中移植嵌入式Linux操作系統(tǒng)到ARM平臺(tái)上，在Linux環(huán)境下通過離散時(shí)間的混沌系統(tǒng)產(chǎn)生混沌序列，以此序列作為加密密鑰對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行處理。硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)果以及Matlab仿真結(jié)果表明，該加密方案可行，具備一定的應(yīng)用價(jià)值。
［1］廖曉峰.混沌密碼學(xué)原理及其應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2009.
［2］徐江峰，楊 有.加密圖像置亂性能分析［J］.計(jì)算機(jī)科學(xué)，2006，33（3）：110－113.
［3］柏 森，胡中豫，吳樂華，等.通信信息隱匿技術(shù)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2005.
［4］關(guān)新平，范止平，陳彩蓮，等.混沌控制及其在保密通信中的應(yīng)用［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2002.
［5］MATTHEWS R.On the Derivation of a“Chaotic”Encryp-tion Algorithm［J］.Crypto Logia XIII，1989，8（1）：29－41.
［6］STOJANOVSKI T，KOEAREV L.Chaos-based Drandom Number Generator Partanalysis［J］.IEEE Trans Circuits and Systems，2001，48（3）：281－288.
［7］周 澤.嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用［M］.北京：航空航天大學(xué)出版社，2005.
［8］孫天澤，袁文菊，張海峰.嵌入式設(shè)計(jì)及Linux驅(qū)動(dòng)開發(fā)指南［M］.北京：北京電子工業(yè)出版社，2005.
Research on Chaotic Encryption Algorithm Based on Network Transmission of Digital Images
LI Liang1，LI Jian-jun1，LI Zhao2，Li Ben-ling1
（1．Sergeant College，The Second Artillery Engineering University，Qingzhou Shandong 262500，China；2．Military Representative Office of PLA Second Artillery Forces Stationed in Shijiazhuang Region，Shijiazhuang Hebei 050081，China）
This paper mainly studies the secure network transmission of digital images.Many features of chaotic systems are identi-cal with many requirements of cryptograph，and in digital image encryption algorithm，it has showed its great superiority.In this paper，the shortcomings of digital image encryption based on basic three-dimensional Arnold mapping are pointed out，and the improvement are implemented.Moreover，a chaos-based digital image encryption scheme is discussed and the design demonstration is done at embedded platform.The experiment results show that the chaos algorithm is effective for digital image encryption and decryption，and it can be used for secure network transmission of digital image of big data.
network transmission；digital image encryption；three-dimensional Arnold mapping；embedded Platform
TN911.72
A
1003－3106（2015）10－0074－03
10.3969／j.issn.1003－3106.2015.10.20
李 良，李建軍，李 釗，等.基于數(shù)字圖像網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)幕煦缂用芩惴ㄑ芯浚跩］.無線電工程，2015，45（10）：74－76.
李 良男，（1982—），碩士。主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。
2015-07-13
李建軍男，（1978—），博士。主要研究方向：智能信息處理。
猜你喜歡
圖靈獎(jiǎng)獲得者、美國(guó)國(guó)家工程院院士馬丁·愛德華·海爾曼：我們正處于密鑰學(xué)革命前夕中國(guó)電子報(bào)(2019年74期)2019-09-26 14:36:48 ARGUS-100 藝術(shù)品鑒證數(shù)字圖像比對(duì)系統(tǒng)藝術(shù)品鑒證.中國(guó)藝術(shù)金融(2018年12期)2018-08-26 06:04:34 密碼學(xué)課程教學(xué)中的“破”與“立”計(jì)算機(jī)教育(2018年3期)2018-04-02 01:24:40 基于小波變換和混沌映射的圖像加密算法火控雷達(dá)技術(shù)(2016年1期)2016-02-06 02:18:04 基于塊效應(yīng)測(cè)度的JPEG數(shù)字圖像盲取證池州學(xué)院學(xué)報(bào)(2015年3期)2016-01-05 01:13:17 矩陣在密碼學(xué)中的應(yīng)用九江學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)(2015年2期)2015-11-12 03:34:23 Hill加密算法的改進(jìn)四川師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）(2015年1期)2015-02-28 14:07:20 對(duì)稱加密算法RC5的架構(gòu)設(shè)計(jì)與電路實(shí)現(xiàn)應(yīng)用技術(shù)學(xué)報(bào)(2014年1期)2014-02-28 14:52:20 數(shù)字圖像修復(fù)在圖像壓縮上的應(yīng)用機(jī)械與電子(2014年1期)2014-02-28 02:07:31 基于Arnold變換和Lorenz混沌系統(tǒng)的彩色圖像加密算法電子設(shè)計(jì)工程(2014年18期)2014-02-27 12:00:31
李 良，李建軍，李 釗，李本領(lǐng)
（1.第二炮兵工程大學(xué)士官學(xué)院，山東 青州 262500；2.第二炮兵駐石家莊地區(qū)軍事代表室，河北 石家莊 050081）
基于數(shù)字圖像網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)幕煦缂用芩惴ㄑ芯?/p>
李 良1，李建軍1，李 釗2，李本領(lǐng)1
（1.第二炮兵工程大學(xué)士官學(xué)院，山東 青州 262500；2.第二炮兵駐石家莊地區(qū)軍事代表室，河北 石家莊 050081）
主要研究數(shù)字圖像安全地在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸?shù)膯栴}。由于混沌系統(tǒng)的許多特性與密碼學(xué)的許多要求非常吻合，在之前的數(shù)字圖像加密算法中已顯現(xiàn)出了極大的優(yōu)越性。指出了應(yīng)用基本的三維Arnold映射對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行加密存在的不足，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)；論述了一種新的基于混沌的數(shù)字圖像加密方案，并在嵌入式平臺(tái)中進(jìn)行了設(shè)計(jì)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明混沌算法對(duì)于數(shù)字圖像加密和解密效果較好，可以用于大數(shù)據(jù)的數(shù)字圖像網(wǎng)絡(luò)安全傳輸。
網(wǎng)絡(luò)傳輸；數(shù)字圖像加密；三維Arnold映射；嵌入式平臺(tái)
0 引言
數(shù)字圖像是承載信息的重要載體，對(duì)圖像進(jìn)行加密保護(hù)是保證信息安全的重要手段之一。目前已知的比較成熟的加密算法有3DES、DES和RSA等，多為保護(hù)文本信息而設(shè)計(jì)，抗破譯能力較弱，對(duì)數(shù)字圖像加密速度較慢，因此需要采用更加安全、高效、可靠的加密方案。而混沌和密碼學(xué)之間具有天然的聯(lián)系和結(jié)構(gòu)上的某種相似性，啟示著人們把混沌用于密碼學(xué)領(lǐng)域［1］。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與電子技術(shù)的不斷發(fā)展，人們愈來愈多地傾向于使用手持終端設(shè)備來發(fā)送和獲取相關(guān)的信息。嵌入式系統(tǒng)以其獨(dú)特的優(yōu)越性在這些設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。本文通過深入研究設(shè)計(jì)了一種基于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)幕煦缬成鋽?shù)字圖像加密方案，并在嵌入式平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。
1 混沌理論與混沌加密技術(shù)
隨著研究的深入，混沌的一系列的特點(diǎn)和本質(zhì)被進(jìn)一步地揭示和完善，對(duì)混沌完整的確切定義還沒有產(chǎn)生。目前人們還是把混沌定義為一種無序中的有序，主要有以下特征：①內(nèi)在的隨機(jī)性；②普適性；③對(duì)初始條件的極端敏感性；④遍歷性；⑤標(biāo)度不變性。
1.1 混沌加密技術(shù)
伴隨著數(shù)字圖像、數(shù)字視頻等多媒體的普及應(yīng)用，直接促進(jìn)和推動(dòng)了互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。要在傳輸?shù)倪^程當(dāng)中保障信息的安全性，這就必須對(duì)數(shù)字圖像的信息進(jìn)行隱匿處理［2，3］。由于數(shù)字圖像本身存在一些特點(diǎn)，如數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)分布于二維空間、原始圖像的數(shù)據(jù)中存在許多冗余以及相鄰的像素灰度值之間的相關(guān)性很強(qiáng)等，使用傳統(tǒng)的加密方法進(jìn)行處理效果并不好，因此基于混沌理論的密碼技術(shù)為數(shù)字圖像的安全性研究指出了一個(gè)新的方向。
混沌的典型特征與密碼學(xué)中要求的擴(kuò)散性、混淆性和密鑰等相關(guān)概念是高度契合［4］。將混沌理論應(yīng)用于密碼學(xué)是Matthews在1989年第一次提出的，同時(shí)也提出了一種混沌流密碼的方案［5］。之后，數(shù)字混沌密碼學(xué)得到了廣泛的發(fā)展和研究?；煦缑艽a學(xué)的研究方向有以下2個(gè)方面：
①數(shù)字化的混沌系統(tǒng)。主要依據(jù)計(jì)算機(jī)的有限精度來實(shí)現(xiàn)。利用混沌系統(tǒng)構(gòu)建新的流密碼、分組密碼。
②混沌保密通信，以混沌同步為核心。隨著混沌理論研究不斷的深入與成熟，混沌保密通信近年來引起了人們的關(guān)注，逐漸成為一種新的、有效的加密手段。
1.2 三維Arnold映射及其n維推廣
Arnold映射又被稱為貓映射，是一種比較經(jīng)典的二維混沌映射，屬于非線性映射，是由Arnold在對(duì)遍歷理論進(jìn)行研究時(shí)引入的。
如下映射稱之為三維Arnold映射。
式中，x，y，z∈｛0，1，2，…N－1｝，N為給定的自然數(shù)。那么，對(duì)于給定的正整數(shù)N，由式（1）可知，
由歸納法可知，對(duì)（x，y，z）T進(jìn)行n次Arnold變換得到：
由式（1）可以將Arnold映射推廣到n維情況。
對(duì)于給定的正整數(shù)N，下列映射稱為n維Arnold映射：
式中，x1，x2，…xN－1，xN∈｛0，1，2，…，N－1｝。
2 改進(jìn)Arnold變換的數(shù)字圖像加密方案
2.1 擴(kuò)散處理
在實(shí)際的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，對(duì)浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算會(huì)占用較多的內(nèi)存，因此利用等效變換將混沌序列的浮點(diǎn)迭代過程轉(zhuǎn)變?yōu)檎c(diǎn)迭代過程。在圖像像素?cái)U(kuò)散處理階段，本文將采用上述得到的混沌序列對(duì)圖像的8位色彩數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，該部分的思路具體如下：
①假設(shè)原圖像大小為M×N，根據(jù)Logistic映射方程［6］，輸入一組密鑰參數(shù)u，x，經(jīng)上述處理得到一組混沌序列A。
②利用QT庫(kù)提供的讀取圖像數(shù)據(jù)的函數(shù)依次讀取圖像的色彩數(shù)據(jù)，得到其參數(shù)矩陣f，然后對(duì)應(yīng)每點(diǎn)的色彩數(shù)據(jù)進(jìn)行異或處理，得到新的參數(shù)矩陣A′：
③重復(fù)步驟②，直到所有的像素點(diǎn)都處理完畢為止，得到新的圖像A′M×N。
④在解密時(shí)，只需再進(jìn)行一次異或操作即可。
2.2 置亂處理
考慮到在數(shù)字圖像方面的應(yīng)用，采用改進(jìn)的Arnold變換對(duì)已經(jīng)過擴(kuò)散處理的圖像進(jìn)行位置的置亂處理，此處的思路是在位置變換的過程中同時(shí)引入已擴(kuò)散處理過的像素作為一個(gè)新的參數(shù)，具體如下：
置亂過程可以描述為：
①讀取圖像A′M×N的某個(gè)像素點(diǎn)的位置坐標(biāo)（i，j），對(duì)于行坐標(biāo)，由xn＋1＝xn＋byn＋mfn得到變換后的行坐標(biāo)：
對(duì)于列坐標(biāo)，由yn＋1＝axn＋（ab＋1）yn＋nfn得到變換后的列坐標(biāo)：
當(dāng)ik＝0時(shí)，令ik＝M；當(dāng)jk＝0時(shí)，令jk＝N。
②重復(fù)步驟①，直到所有的位置坐標(biāo)都完成為止。
③重復(fù)步驟①和步驟②，直到達(dá)到指定的置亂次數(shù)為止，得到最終的加密圖像A″M×N。
④在解密時(shí)，參考式（7）得到相應(yīng)的行坐標(biāo)與列坐標(biāo)即可。
3 數(shù)字圖像混沌加解密應(yīng)用設(shè)計(jì)
本文采用C＋＋語(yǔ)言，將基于Logistic映射和改進(jìn)的Arnold系統(tǒng)的加密算法進(jìn)行軟件編程，之后使用嵌入式平臺(tái)的交叉編譯工具arm-linux-gcc交叉編譯后生成ARM平臺(tái)可運(yùn)行的執(zhí)行文件［7，8］。
3.1 加密程序設(shè)計(jì)
在數(shù)字圖像的加密階段，首先對(duì)相應(yīng)的函數(shù)及參數(shù)進(jìn)行初始化處理，主要包括讀取的圖像是否為空以及圖像的文件格式等；然后對(duì)數(shù)字圖像每一個(gè)像素點(diǎn)的灰度值進(jìn)行擴(kuò)散處理，此處使用的混沌序列主要是通過混沌系統(tǒng)經(jīng)過一定的迭代次數(shù)產(chǎn)生的，擴(kuò)散處理完成后使用改進(jìn)的Arnold變換對(duì)像素位置進(jìn)行置亂；最后將處理完成后的密文重新組成一幅新的加密圖像。加密部分的主要流程如圖1所示。
圖1 加密流程
3.2 解密程序設(shè)計(jì)
在解密部過程是加密過程的逆過程，解密部分的主要流程如流程圖2所示。
圖2 解密流程
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
本文重點(diǎn)分析了基于混沌理論的數(shù)字圖像加密技術(shù)在硬件上的實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)為ARM，在平臺(tái)上移植了Linux操作系統(tǒng)，使得方案的實(shí)現(xiàn)不需太多考慮底層部分的硬件實(shí)現(xiàn)，提高了開發(fā)效率，簡(jiǎn)化了上層應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。圖像的加密與解密過程是在同一塊開發(fā)板中測(cè)試的，當(dāng)然亦可以通過網(wǎng)絡(luò)／U盤將待處理的圖像傳輸或拷貝至另外的移植有相同處理程序的目標(biāo)板中。
實(shí)驗(yàn)中選取比較常用的512×512的Lenna圖像作為處理對(duì)像。擴(kuò)散部分的參數(shù)u＝3.58，x＝0.123；置亂部分參數(shù)a、b、m和n的取值分別為20、40、5和8，置亂次數(shù)為5。在加密階段，首先進(jìn)行灰度值的擴(kuò)散處理，然后進(jìn)行像素的位置的置亂處理，而在解密階段，該過程正好相反，先進(jìn)行位置的反置亂處理，然后進(jìn)行灰度值的反擴(kuò)散處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如3所示。從對(duì)加解密圖像的Matlab仿真結(jié)果以及安全性能的分析中可以看到，該加密方案效果很好。
圖3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
5 結(jié)束語(yǔ)
通過對(duì)混沌理論的不斷深入研究，其應(yīng)用也進(jìn)入了全新的階段，以混沌理論為基礎(chǔ)的加密方案的研究也愈來愈熱。同時(shí)，隨著通信技術(shù)和電子技術(shù)的快速發(fā)展，嵌入式設(shè)備的應(yīng)用也愈來愈廣泛。
本文設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式Linux系統(tǒng)的數(shù)字圖像混沌加密方案。在設(shè)計(jì)過程中移植嵌入式Linux操作系統(tǒng)到ARM平臺(tái)上，在Linux環(huán)境下通過離散時(shí)間的混沌系統(tǒng)產(chǎn)生混沌序列，以此序列作為加密密鑰對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行處理。硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)果以及Matlab仿真結(jié)果表明，該加密方案可行，具備一定的應(yīng)用價(jià)值。
［1］廖曉峰.混沌密碼學(xué)原理及其應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2009.
［2］徐江峰，楊 有.加密圖像置亂性能分析［J］.計(jì)算機(jī)科學(xué)，2006，33（3）：110－113.
［3］柏 森，胡中豫，吳樂華，等.通信信息隱匿技術(shù)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2005.
［4］關(guān)新平，范止平，陳彩蓮，等.混沌控制及其在保密通信中的應(yīng)用［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2002.
［5］MATTHEWS R.On the Derivation of a“Chaotic”Encryp-tion Algorithm［J］.Crypto Logia XIII，1989，8（1）：29－41.
［6］STOJANOVSKI T，KOEAREV L.Chaos-based Drandom Number Generator Partanalysis［J］.IEEE Trans Circuits and Systems，2001，48（3）：281－288.
［7］周 澤.嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用［M］.北京：航空航天大學(xué)出版社，2005.
［8］孫天澤，袁文菊，張海峰.嵌入式設(shè)計(jì)及Linux驅(qū)動(dòng)開發(fā)指南［M］.北京：北京電子工業(yè)出版社，2005.
Research on Chaotic Encryption Algorithm Based on Network Transmission of Digital Images
LI Liang1，LI Jian-jun1，LI Zhao2，Li Ben-ling1
（1．Sergeant College，The Second Artillery Engineering University，Qingzhou Shandong 262500，China；2．Military Representative Office of PLA Second Artillery Forces Stationed in Shijiazhuang Region，Shijiazhuang Hebei 050081，China）
This paper mainly studies the secure network transmission of digital images.Many features of chaotic systems are identi-cal with many requirements of cryptograph，and in digital image encryption algorithm，it has showed its great superiority.In this paper，the shortcomings of digital image encryption based on basic three-dimensional Arnold mapping are pointed out，and the improvement are implemented.Moreover，a chaos-based digital image encryption scheme is discussed and the design demonstration is done at embedded platform.The experiment results show that the chaos algorithm is effective for digital image encryption and decryption，and it can be used for secure network transmission of digital image of big data.
network transmission；digital image encryption；three-dimensional Arnold mapping；embedded Platform
TN911.72
A
1003－3106（2015）10－0074－03
10.3969／j.issn.1003－3106.2015.10.20
李 良，李建軍，李 釗，等.基于數(shù)字圖像網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)幕煦缂用芩惴ㄑ芯浚跩］.無線電工程，2015，45（10）：74－76.
李 良男，（1982—），碩士。主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。
2015-07-13
李建軍男，（1978—），博士。主要研究方向：智能信息處理。
猜你喜歡
中國(guó)電子報(bào)(2019年74期)2019-09-26 14:36:48
藝術(shù)品鑒證.中國(guó)藝術(shù)金融(2018年12期)2018-08-26 06:04:34
計(jì)算機(jī)教育(2018年3期)2018-04-02 01:24:40
火控雷達(dá)技術(shù)(2016年1期)2016-02-06 02:18:04
池州學(xué)院學(xué)報(bào)(2015年3期)2016-01-05 01:13:17
九江學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)(2015年2期)2015-11-12 03:34:23
四川師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）(2015年1期)2015-02-28 14:07:20
應(yīng)用技術(shù)學(xué)報(bào)(2014年1期)2014-02-28 14:52:20
機(jī)械與電子(2014年1期)2014-02-28 02:07:31
電子設(shè)計(jì)工程(2014年18期)2014-02-27 12:00:31
