基于FPGA的圖像加密關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著多媒體技術(shù)的廣泛應(yīng)用，圖像作為多媒體信息的一種重要承載形式，以其表現(xiàn)真實、直觀、易解讀等特點，在教育、醫(yī)療、鐵路、民航、社交、軍事等領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用。然而，當(dāng)人們通過圖像信息進(jìn)行交流時，圖像除承載了交流者關(guān)心的信息外，往往還承載了眾多的環(huán)境信息、交流者的隱私信息，例如:醫(yī)療圖像中的個人生物信息、軍事圖像中隱含的地理特征等。這使得用于圖像交互的信息系統(tǒng)，除提供便利的信息交互外，還必須高度重視圖像信息在傳遞過程中的安全性，有效地

2、抵御對圖像的竊取與篡改等攻擊行為。
　　有別于文本、聲音等有限符號集信息，圖像信息在應(yīng)用中具有交互實時性強、突發(fā)數(shù)據(jù)量大的特點，這就要求承載圖像交互的信息系統(tǒng)必須具有高速的信息吞吐能力和高效的信息加解密能力。如何達(dá)到這些目的，目前較多研究認(rèn)為:設(shè)計并利用具有高速、并行特點的專用硬件對圖像信息進(jìn)行變換，是滿足廣泛圖像應(yīng)用的有效手段之一。
　　FPGA以其內(nèi)部電路的并行性、內(nèi)部集成鎖相環(huán)的高效性、引腳功能的可定制性、維護升級的便

3、捷性以及靈活多樣的擴展性，可以滿足高速圖像加密系統(tǒng)的需求。由于FPGA的靈活性，可以根據(jù)具體的應(yīng)用需求進(jìn)行靈活的設(shè)計，減少專業(yè)芯片的限制。而且FPGA的內(nèi)部程序可以進(jìn)行并行處理，同時執(zhí)行多個任務(wù)，提高效率，減少時延，同時，F(xiàn)PGA具有大量的IP核，可以滿足圖像加密的方式多樣性，應(yīng)用需求靈活性的要求。
　　本文研究了基于SMS4分組密碼圖像加密算法、基于祖沖之序列密碼圖像加密算法和復(fù)合混沌圖像加密算法，并采用上述圖像加密算法，設(shè)計開

4、發(fā)了圖像加密系統(tǒng)。論文的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點如下:
　　針對于圖像數(shù)據(jù)量大以及FPGA的并行處理的特點，提出了基于SMS4分組密碼的圖像加密算法，設(shè)計了基于FPGA的內(nèi)部流水線優(yōu)化結(jié)構(gòu)，提高了加密算法的吞吐率。為了提高圖像加密安全性，根據(jù)SMS4分組加密算法的特點，設(shè)計一種基于FPGA的地址變換快速置亂方法，簡化電路結(jié)構(gòu)，提高圖像置換的效率。為滿足圖像加密系統(tǒng)的需要，設(shè)計開發(fā)了基于SMS4分組密碼圖像加密算法的功能模塊。
　

5、　由于序列密碼硬件實現(xiàn)電路簡單，易于實現(xiàn)，提出了基于祖沖之序列密碼的圖像加密算法，此算法能夠占用較少的FPGA資源，完成圖像的加解密功能。為了提高加密圖像的安全性，抵抗針對于圖像的差分攻擊，設(shè)計了一種適用于FPGA的密碼鏈接方式和改進(jìn)Baker的圖像置換置亂算法，開發(fā)了基于祖沖之序列密碼圖像加密功能模塊。
　　針對于傳統(tǒng)加密算法的加密強度依賴于固定的硬件電路結(jié)構(gòu)的特點，以及圖像信息具有信息量大、冗余性強、圖像像元之間的相關(guān)性強，混

6、沌系統(tǒng)具有初始條件的敏感性和類隨機性的特點，提出了基于復(fù)合Logistic混沌系統(tǒng)的圖像加密算法，并對復(fù)合混沌方程的李雅普諾夫指數(shù)進(jìn)行了分析。復(fù)合混沌系統(tǒng)的加密強度隨像元之間的相關(guān)性變化而變換，并取得較好的圖像加密效果。針對復(fù)合混沌圖像加密算法，設(shè)計開發(fā)了基于FPGA的混沌圖像加密系統(tǒng)，為提高了混沌系統(tǒng)的復(fù)雜性，采用128比特的乘法器進(jìn)行設(shè)計。
　　采用本文設(shè)計的圖像加密算法，設(shè)計開發(fā)了基于嵌入式平臺的圖像加密系統(tǒng)和基于FPGA平