本文關(guān)鍵詞：基于FPGA的圖像加密關(guān)鍵技術(shù)研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：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(shí)、直觀、易解讀等特點(diǎn),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(shí),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(gè)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(shí)時(shí)性強(qiáng)、突發(fā)數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn),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(jì)并利用具有高速、并行特點(diǎn)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(hù)升級的便捷性以及靈活多樣的擴(kuò)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(jì),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(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù),提高效率,減少時(shí)延,同時(shí),FPGA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(jì)開發(fā)了圖像加密系統(tǒng)。論文的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下:針對于圖像數(shù)據(jù)量大以及FPGA的并行處理的特點(diǎn),提出了基于SMS4分組密碼的圖像加密算法,設(shè)計(jì)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(diǎn),設(shè)計(jì)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(jì)開發(fā)了基于SMS4分組密碼圖像加密算法的功能模塊。由于序列密碼硬件實(shí)現(xiàn)電路簡單,易于實(shí)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(jì)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(qiáng)度依賴于固定的硬件電路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),以及圖像信息具有信息量大、冗余性強(qiáng)、圖像像元之間的相關(guān)性強(qiáng),混沌系統(tǒng)具有初始條件的敏感性和類隨機(jī)性的特點(diǎn),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(qiáng)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(jì)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(jì)。采用本文設(shè)計(jì)的圖像加密算法,設(shè)計(jì)開發(fā)了基于嵌入式平臺的圖像加密系統(tǒng)和基于FPGA平臺的圖像加密系統(tǒng)。基于嵌入式開發(fā)平臺采用ARM處理器進(jìn)行開發(fā),采用了SMS4分組密碼圖像加密算法和祖沖之序列密碼圖像加密算法�；贔PGA的開發(fā)平臺采用本文設(shè)計(jì)的三種圖像加密算法,采用PCIe總線接口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,并且應(yīng)用DMA技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì),完成計(jì)算機(jī)內(nèi)存與FPGA內(nèi)部存儲器之間的數(shù)據(jù)交互,FPGA負(fù)責(zé)圖像的加解密工作及整個(gè)系統(tǒng)的控制,提高了系統(tǒng)的執(zhí)行效率。
【關(guān)鍵詞】：圖像加密 FPGA 分組密碼 序列密碼 數(shù)字混沌
【學(xué)位授予單位】：黑龍江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TP309.7
【目錄】：

• 摘要6-8
• Abstract8-17
• 第1章 緒論17-37
• 1.1 課題背景及研究目的與意義17-18
• 1.2 密碼學(xué)概述18-23
• 1.2.1 密碼學(xué)的發(fā)展過程20-21
• 1.2.2 加密算法國內(nèi)外進(jìn)展21-23
• 1.3 典型加密算法FPGA實(shí)現(xiàn)概述23-28
• 1.3.1 分組密碼的電路實(shí)現(xiàn)方式24-27
• 1.3.2 序列密碼的電路實(shí)現(xiàn)方式27-28
• 1.3.3 其它加密算法的電路實(shí)現(xiàn)方式28
• 1.4 圖像加密算法概述28-35
• 1.4.1 圖像加解密算法29-30
• 1.4.2 圖像加密算法分類30-32
• 1.4.3 圖像加密相關(guān)進(jìn)展32-35
• 1.5 本文的結(jié)構(gòu)安排35-37
• 第2章 基于分組密碼的圖像加密算法37-66
• 2.1 引言37-38
• 2.2 SMS4算法概述38-46
• 2.2.1 SMS4算法術(shù)語38-39
• 2.2.2 輪函數(shù)39-41
• 2.2.3 密鑰擴(kuò)展算法41-42
• 2.2.4 加密算法42-46
• 2.3 基于FPGA的SMS4算法實(shí)現(xiàn)46-50
• 2.3.1 全循環(huán)方式46-47
• 2.3.2 內(nèi)部流水線方式47-48
• 2.3.3 算法的實(shí)現(xiàn)48-50
• 2.4 基于SMS4算法的圖像加解密算法及結(jié)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 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析56-64
• 2.5 本章小結(jié)64-66
• 第3章 基于序列密碼的圖像加密算法66-83
• 3.1 引言66
• 3.2 基于FPGA的祖沖之算法實(shí)現(xiàn)66-71
• 3.2.1 非線性反饋移位寄存器67-68
• 3.2.2 比特重組68
• 3.2.3 非線性函數(shù)68-69
• 3.2.4 密鑰擴(kuò)展69-70
• 3.2.5 算法實(shí)現(xiàn)70-71
• 3.3 基于祖沖之序列密碼的圖像加解密算法及性能分析71-82
• 3.3.1 圖像加密71-76
• 3.3.2 圖像解密76
• 3.3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析76-82
• 3.4 本章小結(jié)82-83
• 第4章 基于像元相關(guān)性的混沌加密算法83-112
• 4.1 引言83-84
• 4.2 復(fù)合Logistic加密算法的李雅普諾夫指數(shù)特征84-102
• 4.2.1 Logistic混沌系統(tǒng)85-87
• 4.2.2 李雅普諾夫指數(shù)87-89
• 4.2.3 復(fù)合Logistic混沌加密算法89-90
• 4.2.4 典型信源相關(guān)函數(shù)的李雅普諾夫指數(shù)90-102
• 4.3 基于復(fù)合Logistic混沌圖像加密算法及性能分析102-108
• 4.3.1 圖像編碼方法102-104
• 4.3.2 基于復(fù)合Logistic混沌圖像加密算法104-105
• 4.3.3 圖像加密性能分析105-108
• 4.4 基于FPGA的復(fù)合Logistic混沌系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)108-111
• 4.5 本章小結(jié)111-112
• 第5章 圖像加密系統(tǒng)設(shè)計(jì)112-126
• 5.1 引言112
• 5.2 基于嵌入式開發(fā)平臺的圖像加密系統(tǒng)112-116
• 5.3 基于FPGA開發(fā)平臺的圖像加密系統(tǒng)116-125
• 5.3.1 PCIe接口設(shè)計(jì)118-119
• 5.3.2 硬件設(shè)計(jì)119-122
• 5.3.3 軟件設(shè)計(jì)122-125
• 5.4 本章小結(jié)125-126
• 結(jié)論126-128
• 參考文獻(xiàn)128-135
• 致謝135-136
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文及其它成果136-137

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