嵌入式系統(tǒng)的基于混沌的快速圖像加密算法研究

襲祥云 李俊霖

（西南計(jì)算機(jī)有限責(zé)任公司 重慶市 400060）

在社會的發(fā)展中，由于嵌入式的設(shè)備系統(tǒng)可裁剪，功能定制化，同時(shí)體積較小，便于人們的攜帶，使得其在日常生活當(dāng)中得到了較為廣泛的應(yīng)用。各種終端設(shè)備層出不窮，市場上形成迭代的趨勢。但是，伴隨著如今信息技術(shù)的高速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了基本普及，在這樣的背景下，也使得在個(gè)人信息泄露方面，嵌入式設(shè)備成為了重災(zāi)區(qū)。所以現(xiàn)階段的信息安全問題，得到了人們的廣泛關(guān)注。在信息安全中，不僅包含源頭加密，同時(shí)還有信道傳輸，本文重點(diǎn)討論前者，主要討論基于混沌圖像的加密算法。一個(gè)較為合理的信息加密技術(shù)，才可以從源頭保護(hù)信息安全，起到充分保障信息安全性的作用。

1 研究背景

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，全世界各種計(jì)算機(jī)也包含終端設(shè)備，他們相互之間所實(shí)現(xiàn)的互動，在本質(zhì)上看，這一過程屬于信息數(shù)據(jù)的傳遞。一旦發(fā)生數(shù)據(jù)交換，而且到了一定的量級，對于該信息數(shù)據(jù)而言，其安全性就越發(fā)的受到關(guān)注，一旦數(shù)據(jù)發(fā)生了泄露，就會造成不同程度的問題。如今，已經(jīng)將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)陌踩?，?dāng)做信息技術(shù)發(fā)展的重要研究課題。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和移動網(wǎng)絡(luò)中，所進(jìn)行流動的數(shù)據(jù)信息，很多都屬于個(gè)人隱私信息，而且其中還會有一少部分，是商業(yè)或者國家、軍事機(jī)密。針對這些信息而言，在計(jì)算機(jī)中，進(jìn)行存儲和傳輸，所采用的方式都較為的隱私，這是由于數(shù)據(jù)的傳輸者并不需要他人的獲取。因此，在進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸中，需要對數(shù)據(jù)的原有內(nèi)容，做出一定的掩飾，所以這也就產(chǎn)生了信息加密技術(shù)。隨著信息加密技術(shù)的發(fā)展，通過對于該項(xiàng)技術(shù)合理運(yùn)用，這對信息安全領(lǐng)域而言，早已成為其中的關(guān)鍵性的核心內(nèi)容，這種技術(shù)可以大大提高現(xiàn)階段信息在傳輸過程中的安全性。與此同時(shí)，信息的破解技術(shù)也隨之不斷地成熟發(fā)展。所以，就要對于加密技術(shù)作出進(jìn)一步優(yōu)化，在面對破解攻擊行為時(shí)，具有較強(qiáng)的抵御能力，這也是在現(xiàn)如今的信息加密算法中，需要重點(diǎn)考慮的問題。

對于混沌系統(tǒng)而言，則是一種非線性，但是具備著較強(qiáng)偽隨機(jī)性的一種系統(tǒng)類型。該系統(tǒng)不僅僅具備著不規(guī)則的隨機(jī)屬性，同時(shí)還具有遍歷性與敏感性，使得其與圖像加密技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)完美的融合。因此，伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，就使得在近些年的建設(shè)發(fā)展中，使得人們格外的關(guān)注這種系統(tǒng)。在通常情況下，對于混沌系統(tǒng)的圖像加密算法而言，其加密效果具有著較高的優(yōu)勢性，同時(shí)加密的安全性也相對很高。所以在計(jì)算混沌系統(tǒng)時(shí)，會產(chǎn)生很多的硬件資源的消耗，同時(shí)也會花費(fèi)較多的時(shí)間。這就使得一般意義的混沌系統(tǒng)，所采用的圖像加密算法，其在具體的特點(diǎn)上，呈現(xiàn)了顯著的效率低下。在眾多的嵌入式設(shè)備當(dāng)中，這個(gè)矛盾尤為突出，具體表現(xiàn)為嵌入式系統(tǒng)都呈現(xiàn)出一定的專用性，基于成本的控制與體積的局限，硬件計(jì)算能力和資源配置上是定制化產(chǎn)品，無法進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算與分析，各方面性能與通用計(jì)算機(jī)有一定的差距。在其嵌入式系統(tǒng)的運(yùn)行中，就需要保障在其算法較為低下的時(shí)候，也會占用嵌入式設(shè)備中有限的硬件資源，嚴(yán)重的影響到的正常運(yùn)行。

2 加密與混沌分析

2.1 數(shù)字圖像加密技術(shù)

2.1.1 基本概念

在當(dāng)下的發(fā)展中，其數(shù)字圖像技術(shù)越來越受到人們的重視，同時(shí)使用率最高的多媒體，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在了遠(yuǎn)程教育、遠(yuǎn)程醫(yī)療、場景監(jiān)控以及軍事演習(xí)當(dāng)中。同時(shí)，在一些特殊的領(lǐng)域當(dāng)中，對于圖像的保密性往往提出更高的要求，例如在商業(yè)和醫(yī)療領(lǐng)域當(dāng)中，就需要開展圖像數(shù)據(jù)信息的加密處理。

在數(shù)字圖像加密的過程中，是基于圖像信息的基本特性，設(shè)計(jì)出特定的加密算法，并利用對應(yīng)的關(guān)系，將其數(shù)字圖像的像素點(diǎn)位置以及數(shù)值的記錄和更改，以此起到將原本數(shù)字圖像信息的加密。在操作的過程中，往往需要基于特定的規(guī)律。對原始數(shù)據(jù)圖形進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以此變成一種完全與原圖形不同的數(shù)據(jù)信息。

2.1.2 數(shù)字圖像加密的基本要求

針對多種文本數(shù)據(jù)來說，對于數(shù)字圖形數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上，是以二維類型呈現(xiàn)的，并且將其可以算作一個(gè)矩陣，同時(shí)在大小方面與圖像基本上保持一致。在矩陣當(dāng)中的元素與圖像像素點(diǎn)存在著一一對應(yīng)的關(guān)系。因此，就可以采取二維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化法，讓其實(shí)現(xiàn)向一維數(shù)據(jù)信息的轉(zhuǎn)變，而后在文本加密方式的基礎(chǔ)上，通過處理工作，讓其成為一種加密方式。但是，由于數(shù)字圖像，具有較大的數(shù)據(jù)信息量，所以導(dǎo)致在信息處理時(shí)，效率比較低下。同時(shí)，在數(shù)字圖像數(shù)據(jù)的處理中，往往是一種可視化的數(shù)據(jù)類型，因此就會使得每一個(gè)像素與周圍的像素一樣，都存在著一定的關(guān)聯(lián)性。為了保障對加密步驟進(jìn)行簡化處理，并降低計(jì)算的復(fù)雜程度，以及提升機(jī)密算法的有效性，在設(shè)計(jì)的過程中，可以實(shí)現(xiàn)置亂與擴(kuò)散的方式。

2.2 混沌系統(tǒng)

在特定條件下，不確定性系統(tǒng)所出現(xiàn)的一種偽隨機(jī)的現(xiàn)象，就叫混沌。在長期的研究中，這一系統(tǒng)的理論受到了人們的持續(xù)關(guān)注，而且這也是在當(dāng)下的科技領(lǐng)域中，具有一定前沿性的課題。混沌已經(jīng)成為物理學(xué)領(lǐng)域十分重要的組成部分?；煦缦到y(tǒng)而言，可以很好的應(yīng)用到圖像加密系統(tǒng)當(dāng)中，二者存在著較為緊密的聯(lián)系，其混沌系統(tǒng)當(dāng)中的各種屬性，可以提升圖像加密技術(shù)的可靠性和準(zhǔn)確性。比如對于m*n 大小的圖像，需要產(chǎn)生同等密度的矩陣來描述該圖像，該矩陣即明文，將其進(jìn)行多次迭代，最終形成第二個(gè)矩陣。那么第一個(gè)矩陣和第二個(gè)矩陣進(jìn)行邏輯運(yùn)算（與，或，異或），則可以得到加密后的矩陣，該矩陣代表的圖像可以作為密文進(jìn)行傳輸。迭代次數(shù)越多，逆過程就越復(fù)雜。這種加密方式只是序列進(jìn)行了迭代加密，像素灰度發(fā)生了改變，但是絕對位置并沒有發(fā)生改變。這種邏輯運(yùn)算非常適合嵌入式系統(tǒng)中的硬件加法器，便于實(shí)現(xiàn)。

3 快速圖像加密算法

3.1 加密算法的主框架

本文章著重分析一種基于混沌系統(tǒng)的快速圖像機(jī)密算法，所采用的有著極強(qiáng)通用性的數(shù)字圖像加密框架。

首先，要利用Secret key，作為混沌系統(tǒng)中的初始值，進(jìn)行進(jìn)一步輸入，之后就能生成混沌序列。而且還要利用混沌系列，在具體方式之下，針對該圖像，進(jìn)行置亂操作，并加上擴(kuò)散性的操作處理，就可以形成加密的圖像。而系統(tǒng)當(dāng)中的Secret key，就屬于在原始圖像中，所形成的信息，能夠?qū)Ω鱾€(gè)數(shù)字圖像的特征，起到代表作用。而這樣的方式，也是在原始圖像中，進(jìn)一步提升所生成的混沌序列，在其中的差異性。與此同時(shí)，也能夠?qū)λ惴ǖ挚共罘?，?shí)現(xiàn)攻擊能力的提高。而采用的差分攻擊，就是一種基于多個(gè)內(nèi)容相似的圖像，所開展的加密處理工作，以此完成破解工作。而本文所設(shè)計(jì)出的Secret key 變量，是一種混沌系統(tǒng)當(dāng)中的輸入值，因此Secret key 會不停的發(fā)生著一定的變化。同時(shí)，混沌系統(tǒng)對于初始值具備著較高的敏感性，使得系統(tǒng)在輸入方面存在微小的變化，都會導(dǎo)致混沌序列出現(xiàn)一定的變化，進(jìn)而進(jìn)一步的提升加密的效果。

3.2 提升混沌序列隨機(jī)性的方式

在混沌系列當(dāng)中的截取方式較多，因此固定一個(gè)時(shí)間步長，同時(shí)在間隔一步長，這樣的時(shí)間點(diǎn)下，能夠得到一個(gè)確定的數(shù)值，將其作為在混沌系列中，一個(gè)重要的元素，之后得到數(shù)組，成為混沌序列。

在計(jì)算的過程中，是一種對于機(jī)密算法最為核心的部分，但是在當(dāng)下嵌入式處理器的設(shè)計(jì)上，其內(nèi)部的計(jì)算能力較弱，同時(shí)混沌序列的長度上，基本上都需要得到縮短。但是，在這樣的情況下，一旦混沌序列較短，就會使得系統(tǒng)的混沌序列的隨機(jī)性受到影響，以此嚴(yán)重影響到算法的整體安全性。因此，在本文的設(shè)計(jì)中，就基于圖像加密算法的方式，對該混沌序列進(jìn)行長度方面的壓縮，以此最大程度上降低計(jì)算的復(fù)雜程度，并將其應(yīng)用在嵌入式的系統(tǒng)當(dāng)中。另外，為了抵消在這種算法下對于序列長度造成的影響，以此導(dǎo)致安全性的下降問題，就需要對其混沌序列進(jìn)行全面的處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)提升混沌序列的隨機(jī)性。

3.3 最短混沌序列

在本文提出的混沌系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案下，由于需要進(jìn)行混沌序列的長度縮短，以此保障在嵌入式設(shè)備當(dāng)中完成機(jī)密計(jì)算。但是，過短的序列長度會嚴(yán)重的影響到系統(tǒng)的安全性。為此，就需要在相關(guān)的設(shè)計(jì)中，需要對其最短混沌序列進(jìn)行確定，因此研發(fā)出循環(huán)混沌序列與最短混沌序列。

3.3.1 循環(huán)混沌序列

在以往的數(shù)字圖形，進(jìn)行加密技術(shù)使用時(shí)，為了確保解密處理的順利的完成，對于密鑰與圖像的像素來說，也要進(jìn)行一一對應(yīng)關(guān)系的表現(xiàn)。因此，在設(shè)計(jì)過程中，就可以很好的基于密鑰的實(shí)際長度，對原始圖像進(jìn)行像素個(gè)數(shù)的計(jì)算。而在加密的過程中，往往需要保障混沌序列長度方面，需要達(dá)到幾萬的長度。因此。為了解決這樣的問題，就需要創(chuàng)造出一個(gè)循環(huán)序列的方式，可以很好的計(jì)算機(jī)一個(gè)最短的混沌序列，并設(shè)計(jì)出一個(gè)循環(huán)隊(duì)列，同時(shí)在序列的最后一個(gè)元素的處理上，需要將其接到第一個(gè)元素，這樣就可以形成一個(gè)理論上無限長度下的混沌序列。雖然對于這種方法而言，并不是一種嚴(yán)格符合密碼學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)方式，使得密鑰無法在一次加密之后，實(shí)現(xiàn)重復(fù)利用的效果。但是，由于圖像的機(jī)密算法當(dāng)中，是一種基于嵌入式系統(tǒng)的加密方式，因此就需要做出一定的犧牲。

3.3.2 最短混沌序列確定

在最短混沌序列的確定中，需要進(jìn)行幾種不同的試驗(yàn)分析，以此保障在測試圖像、測試環(huán)境以及去相關(guān)操作之后，可以較為科學(xué)合理得到最短的混沌序列。同時(shí)，需要注意的是，為了保障試驗(yàn)的科學(xué)合理性，還要對其平均NPCR 以及UACI 進(jìn)行觀察，進(jìn)而可以很好的對其混沌序列的長度變化進(jìn)行詳細(xì)的分析與判斷。

3.4 置亂操作

進(jìn)行所謂的置亂操作，就是工作人員需要基于特定方式，對其數(shù)字圖像的像素位置進(jìn)行調(diào)整和變化，以此突破傳統(tǒng)形式下的數(shù)字與圖像之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性。并且在這樣的操作過程中，數(shù)字圖像往往會出現(xiàn)一種無序的圖案內(nèi)容，基本上與白噪聲信號圖像比較相似。在置亂處理的過程中，需要基于整列與整行的方式，對原始圖像進(jìn)行不斷的變換，以此形成置亂的操作。

3.5 擴(kuò)散操作

在當(dāng)下的操作過程中，其擴(kuò)散性的操作，就是將其數(shù)字圖像的像素值表變化進(jìn)行調(diào)整，以此可以將一些需要隱藏的信息進(jìn)行處理。并且，在完成了擴(kuò)散處理之后，就可以很好的實(shí)現(xiàn)信息內(nèi)容和形式上的轉(zhuǎn)變，并且從外觀的角度上來看，完全無法得到一些有用的信息。同時(shí)，這種圖形的像素?cái)?shù)值的變化，使得由于灰度圖像的像素值范圍在0-255 之前，以此就可以充分的利用其整個(gè)混沌序列與圖像像素?cái)?shù)值之間的關(guān)系，進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算與分析，以此起到改變像素?cái)?shù)值的效果。另外，基于異或運(yùn)算的特征，需要對相同數(shù)進(jìn)行偶數(shù)次異或者運(yùn)算的過程中，在設(shè)計(jì)的解密過程中，僅僅需要原封不動的對其進(jìn)行加密處理，就可以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散性的操作，并將其原始圖像的像素值進(jìn)行恢復(fù)，以此完成擴(kuò)散的操作。這種類型的操作下，進(jìn)一步的提升了加密技術(shù)的可靠性與安全性，成為了該技術(shù)的核心內(nèi)容。

4 總結(jié)

綜上所述，在當(dāng)今信息技術(shù)的高速發(fā)展背景下，使得人們在日常的生活生產(chǎn)中，經(jīng)常需要使用各種類型的信息數(shù)據(jù)，而出于隱秘性的考量，就要在信息傳輸?shù)倪^程中，對其信息數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，而本文所提出的嵌入式系統(tǒng)的基于混沌的快速圖像加密算法，是從源頭進(jìn)行數(shù)據(jù)加密的方法，可以很好的提升信息數(shù)據(jù)的可靠性與安全性。