基于FPGA的图像加密关键技术研究

发布时间：2017-05-16 03:08

  本文关键词：基于FPGA的图像加密关键技术研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着多媒体技术的广泛应用,图像作为多媒体信息的一种重要承载形式,以其表现真实、直观、易解读等特点,在教育、医疗、铁路、民航、社交、军事等领域得到了越来越多的应用。然而,当人们通过图像信息进行交流时,图像除承载了交流者关心的信息外,往往还承载了众多的环境信息、交流者的隐私信息,例如:医疗图像中的个人生物信息、军事图像中隐含的地理特征等。这使得用于图像交互的信息系统,除提供便利的信息交互外,还必须高度重视图像信息在传递过程中的安全性,有效地抵御对图像的窃取与篡改等攻击行为。有别于文本、声音等有限符号集信息,图像信息在应用中具有交互实时性强、突发数据量大的特点,这就要求承载图像交互的信息系统必须具有高速的信息吞吐能力和高效的信息加解密能力。如何达到这些目的,目前较多研究认为:设计并利用具有高速、并行特点的专用硬件对图像信息进行变换,是满足广泛图像应用的有效手段之一。FPGA以其内部电路的并行性、内部集成锁相环的高效性、引脚功能的可定制性、维护升级的便捷性以及灵活多样的扩展性,可以满足高速图像加密系统的需求。由于FPGA的灵活性,可以根据具体的应用需求进行灵活的设计,减少专业芯片的限制。而且FPGA的内部程序可以进行并行处理,同时执行多个任务,提高效率,减少时延,同时,FPGA具有大量的IP核,可以满足图像加密的方式多样性,应用需求灵活性的要求。本文研究了基于SMS4分组密码图像加密算法、基于祖冲之序列密码图像加密算法和复合混沌图像加密算法,并采用上述图像加密算法,设计开发了图像加密系统。论文的主要研究内容和创新点如下:针对于图像数据量大以及FPGA的并行处理的特点,提出了基于SMS4分组密码的图像加密算法,设计了基于FPGA的内部流水线优化结构,提高了加密算法的吞吐率。为了提高图像加密安全性,根据SMS4分组加密算法的特点,设计一种基于FPGA的地址变换快速置乱方法,简化电路结构,提高图像置换的效率。为满足图像加密系统的需要,设计开发了基于SMS4分组密码图像加密算法的功能模块。由于序列密码硬件实现电路简单,易于实现,提出了基于祖冲之序列密码的图像加密算法,此算法能够占用较少的FPGA资源,完成图像的加解密功能。为了提高加密图像的安全性,抵抗针对于图像的差分攻击,设计了一种适用于FPGA的密码链接方式和改进Baker的图像置换置乱算法,开发了基于祖冲之序列密码图像加密功能模块。针对于传统加密算法的加密强度依赖于固定的硬件电路结构的特点,以及图像信息具有信息量大、冗余性强、图像像元之间的相关性强,混沌系统具有初始条件的敏感性和类随机性的特点,提出了基于复合Logistic混沌系统的图像加密算法,并对复合混沌方程的李雅普诺夫指数进行了分析。复合混沌系统的加密强度随像元之间的相关性变化而变换,并取得较好的图像加密效果。针对复合混沌图像加密算法,设计开发了基于FPGA的混沌图像加密系统,为提高了混沌系统的复杂性,采用128比特的乘法器进行设计。采用本文设计的图像加密算法,设计开发了基于嵌入式平台的图像加密系统和基于FPGA平台的图像加密系统。基于嵌入式开发平台采用ARM处理器进行开发,采用了SMS4分组密码图像加密算法和祖冲之序列密码图像加密算法。基于FPGA的开发平台采用本文设计的三种图像加密算法,采用PCIe总线接口与计算机进行数据通信,并且应用DMA技术进行设计,完成计算机内存与FPGA内部存储器之间的数据交互,FPGA负责图像的加解密工作及整个系统的控制,提高了系统的执行效率。
【关键词】：图像加密 FPGA 分组密码 序列密码 数字混沌
【学位授予单位】：黑龙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP309.7
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-17
• 第1章 绪论17-37
• 1.1 课题背景及研究目的与意义17-18
• 1.2 密码学概述18-23
• 1.2.1 密码学的发展过程20-21
• 1.2.2 加密算法国内外进展21-23
• 1.3 典型加密算法FPGA实现概述23-28
• 1.3.1 分组密码的电路实现方式24-27
• 1.3.2 序列密码的电路实现方式27-28
• 1.3.3 其它加密算法的电路实现方式28
• 1.4 图像加密算法概述28-35
• 1.4.1 图像加解密算法29-30
• 1.4.2 图像加密算法分类30-32
• 1.4.3 图像加密相关进展32-35
• 1.5 本文的结构安排35-37
• 第2章 基于分组密码的图像加密算法37-66
• 2.1 引言37-38
• 2.2 SMS4算法概述38-46
• 2.2.1 SMS4算法术语38-39
• 2.2.2 轮函数39-41
• 2.2.3 密钥扩展算法41-42
• 2.2.4 加密算法42-46
• 2.3 基于FPGA的SMS4算法实现46-50
• 2.3.1 全循环方式46-47
• 2.3.2 内部流水线方式47-48
• 2.3.3 算法的实现48-50
• 2.4 基于SMS4算法的图像加解密算法及结果分析50-64
• 2.4.1 加密流程51-55
• 2.4.2 解密流程55-56
• 2.4.3 实验结果及分析56-64
• 2.5 本章小结64-66
• 第3章 基于序列密码的图像加密算法66-83
• 3.1 引言66
• 3.2 基于FPGA的祖冲之算法实现66-71
• 3.2.1 非线性反馈移位寄存器67-68
• 3.2.2 比特重组68
• 3.2.3 非线性函数68-69
• 3.2.4 密钥扩展69-70
• 3.2.5 算法实现70-71
• 3.3 基于祖冲之序列密码的图像加解密算法及性能分析71-82
• 3.3.1 图像加密71-76
• 3.3.2 图像解密76
• 3.3.3 实验结果及分析76-82
• 3.4 本章小结82-83
• 第4章 基于像元相关性的混沌加密算法83-112
• 4.1 引言83-84
• 4.2 复合Logistic加密算法的李雅普诺夫指数特征84-102
• 4.2.1 Logistic混沌系统85-87
• 4.2.2 李雅普诺夫指数87-89
• 4.2.3 复合Logistic混沌加密算法89-90
• 4.2.4 典型信源相关函数的李雅普诺夫指数90-102
• 4.3 基于复合Logistic混沌图像加密算法及性能分析102-108
• 4.3.1 图像编码方法102-104
• 4.3.2 基于复合Logistic混沌图像加密算法104-105
• 4.3.3 图像加密性能分析105-108
• 4.4 基于FPGA的复合Logistic混沌系统电路设计108-111
• 4.5 本章小结111-112
• 第5章 图像加密系统设计112-126
• 5.1 引言112
• 5.2 基于嵌入式开发平台的图像加密系统112-116
• 5.3 基于FPGA开发平台的图像加密系统116-125
• 5.3.1 PCIe接口设计118-119
• 5.3.2 硬件设计119-122
• 5.3.3 软件设计122-125
• 5.4 本章小结125-126
• 结论126-128
• 参考文献128-135
• 致谢135-136
• 攻读学位期间发表的学术论文及其它成果136-137

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