[发明专利]一种安全高效的数字图像加密方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种数字图像加密领域，具体为一种安全高效的数字图像加密方法。

背景技术

伴随着计算机与现代通信技术的飞速发展，以数字图像为代表的多媒体信息因其具有直观、生动、形象等特点，已成为互联网信息中一种最为常见的表达方式，渗透到银行、医疗、交通、购物、社交等生活的方方面面。与日益突出的重要性伴随而来的是越发严峻的安全威胁，由于图像信息往往涉及军事、政治、金融、医疗、商业等众多领域的敏感信息，其在开放互联网下的传输和存储存在着巨大的安全隐患，极易遭受非法访问、窃取、篡改、阻截等网络安全攻击。第39次《中国互联网络发展状况统计报告》显示，2016年遭遇过安全事件的用户占比达到全部网民的70.5％，认为上网环境“不太安全”和“很不安全”的用户比例高达20.3％；全国感染过病毒木马程序的PC机数量为2.47亿台，每月受病毒木马程序影响的PC机数量在4000万台至5500万台之间；另据相关统计，2015年因各类网络信息安全事件造成的损失高达915亿元。此外，作为一种重要的战略资源，信息安全事关国家政治安全、经济安全、社会安全、文化安全和国防安全，成为21世纪国际竞争的重要战场，信息安全的保障能力也已成为衡量一个国家综合实力的重要因素。加密是保障信息安全最简单且最有效的方式。当前主流的现代密码学多基于算法复杂性理论为特征，典型的算法有DES(Data Encryption Standard)，AES(Advanced Encryption Standard)以及IDEA(International Data Encryption Algorithm)。但与文本信息相比，图像信息具有数据量巨大、重要信息分散、信息冗余度高等特点，以上经典加密算法并未考虑到图像信息的这些特殊性，因此并不适合于图像加密。学术界把使用传统用于一维数据加密的诸如DES、AES等算法进行图像加密称为“幼稚加密”(Naive Encryption)，认为这种方法虽然也可以保护图像的安全，但源于数字图像的内在特征，这种方法并不具有实用价值。进入20世纪80年代以来，一些学者陆续发现混沌理论和密码学之间存在着紧密联系。混沌系统的一些基本特征，如遍历性(Ergodicity)、混合性(Mixing)、确定性(Exactness)、对初始条件的敏感性(Sensitivity)，都可以和密码学中混乱(Confusion)和扩散(Diffusion)的概念联系起来，因而近十多年来混沌密码学得到了广泛的研究。具体到混沌图像加密方面，1998年美国学者Fridrich结合数字图像自身的特点以及Shannon关于密码学的阐述，提出了具有奠基性意义的替代—扩散图像加密架构，如图1所示，引起业界广泛关注；随后Lian等人将其发展为经典的置乱—扩散框架，如图2所示，在此架构中置乱模块扰乱像素的位置但保持其像素值不变，而扩散模块则对像素值进行掩码并扩散原文的差异，以增强系统抵抗已知明文攻击和选择明文攻击的能力。研究人员以此为基础，提出了大量新型高效的图像加密算法，在像素级置乱技术、改进型扩散方案、置乱扩散联合方法、原文相关的密钥参数以及比特级图像置乱等方面涌现出了大量成果。

与之对应的是，混沌图像加密算法的安全性随着密码分析学的持续发展而不断受到威胁，大量的混沌图像加密算法被陆续破解。在这些被破解的图像加密算法中，以下三个安全缺陷是经常出现的。

首先，在传统混沌图像加密算法中，一般采用一维混沌映射迭代生成混沌状态变量，并进一步量化产生加密所需的密钥流，但一维混沌映射一般构造简单、密钥空间小、随机性能相对较差，这些状态变量在量化为加密所需密钥流时往往伴随一定程度的性能退化，从而使得所产生的密钥流的随机性大大降低，并进一步影响系统整体的安全性能；

其次，在传统混沌图像加密算法中，加密所需的密钥流(如置乱矩阵或扩散掩码)仅由输入密钥决定，而与所加密的原文无关，这样的特点使得系统在加密不同原文时所产生的密钥流是完全一样的，从而使得攻击者可以通过选择明文攻击和已知明文攻击获取此密钥流，以此作为等效密钥，进而破解整个系统；

再次，现有研究成果已经证明，仅置乱(Permutation-only)的加密方法，无论其置乱过程多么复杂，都无法抵抗选择明文攻击和已知明文攻击，所以在置乱之后需要有一个扩散模块，以掩盖系统的统计特征并同时扩散原文差异，但常见的扩散方程已经随着密码分析学的发展而被陆续破解。

发明内容

针对现有混沌图像加密算法的不足，本发明要解决的问题是提供一种拥有优良的混沌特性、更高的密钥敏感性和不可预测性、更大的密钥空间以及更安全扩散特性的安全高效的数字图像加密方法。