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

【摘要】：隨著多媒體技術的廣泛應用,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、軍事等領域得到了越來越多的應用。然而,當人們通過圖像信息進行交流時,圖像除承載了交流者關心的信息外,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,圖像信息在應用中具有交互實時性強、突發(fā)數據量大的特點,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。如何達到這些目的,目前較多研究認為:設計并利用具有高速、并行特點的專用硬件對圖像信息進行變換,是滿足廣泛圖像應用的有效手段之一。FPGA以其內部電路的并行性、內部集成鎖相環(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,可以根據具體的應用需求進行靈活的設計,減少專業(yè)芯片的限制。而且FPGA的內部程序可以進行并行處理,同時執(zhí)行多個任務,提高效率,減少時延,同時,FPGA具有大量的IP核,可以滿足圖像加密的方式多樣性,應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合混沌圖像加密算法,并采用上述圖像加密算法,設計開發(fā)了圖像加密系統(tǒng)。論文的主要研究內容和創(chuàng)新點如下:針對于圖像數據量大以及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,設計了基于FPGA的內部流水線優(yōu)化結構,提高了加密算法的吞吐率。為了提高圖像加密安全性,根據SMS4分組加密算法的特點,設計一種基于FPGA的地址變換快速置亂方法,簡化電路結構,提高圖像置換的效率。為滿足圖像加密系統(tǒng)的需要,設計開發(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,設計了一種適用于FPGA的密碼鏈接方式和改進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構的特點,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性強,混沌系統(tǒng)具有初始條件的敏感性和類隨機性的特點,提出了基于復合Logistic混沌系統(tǒng)的圖像加密算法,并對復合混沌方程的李雅普諾夫指數進行了分析。復合混沌系統(tǒng)的加密強度隨像元之間的相關性變化而變換,并取得較好的圖像加密效果。針對復合混沌圖像加密算法,設計開發(fā)了基于FPGA的混沌圖像加密系統(tǒng),為提高了混沌系統(tǒng)的復雜性,采用128比特的乘法器進行設計。采用本文設計的圖像加密算法,設計開發(fā)了基于嵌入式平臺的圖像加密系統(tǒng)和基于FPGA平臺的圖像加密系統(tǒng)�；谇度胧介_發(fā)平臺采用ARM處理器進行開發(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。基于FPGA的開發(fā)平臺采用本文設計的三種圖像加密算法,采用PCIe總線接口與計算機進行數據通信,并且應用DMA技術進行設計,完成計算機內存與FPGA內部存儲器之間的數據交互,FPGA負責圖像的加解密工作及整個系統(tǒng)的控制,提高了系統(tǒng)的執(zhí)行效率。
【關鍵詞】：圖像加密 FPGA 分組密碼 序列密碼 數字混沌
【學位授予單位】：黑龍江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：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 密碼學概述18-23
• 1.2.1 密碼學的發(fā)展過程20-21
• 1.2.2 加密算法國內外進展21-23
• 1.3 典型加密算法FPGA實現(xiàn)概述23-28
• 1.3.1 分組密碼的電路實現(xiàn)方式24-27
• 1.3.2 序列密碼的電路實現(xiàn)方式27-28
• 1.3.3 其它加密算法的電路實現(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 圖像加密相關進展32-35
• 1.5 本文的結構安排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算法術語38-39
• 2.2.2 輪函數39-41
• 2.2.3 密鑰擴展算法41-42
• 2.2.4 加密算法42-46
• 2.3 基于FPGA的SMS4算法實現(xiàn)46-50
• 2.3.1 全循環(huán)方式46-47
• 2.3.2 內部流水線方式47-48
• 2.3.3 算法的實現(xiàn)48-50
• 2.4 基于SMS4算法的圖像加解密算法及結果分析50-64
• 2.4.1 加密流程51-55
• 2.4.2 解密流程55-56
• 2.4.3 實驗結果及分析56-64
• 2.5 本章小結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68-69
• 3.2.4 密鑰擴展69-70
• 3.2.5 算法實現(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 實驗結果及分析76-82
• 3.4 本章小結82-83
• 第4章 基于像元相關性的混沌加密算法83-112
• 4.1 引言83-84
• 4.2 復合Logistic加密算法的李雅普諾夫指數特征84-102
• 4.2.1 Logistic混沌系統(tǒng)85-87
• 4.2.2 李雅普諾夫指數87-89
• 4.2.3 復合Logistic混沌加密算法89-90
• 4.2.4 典型信源相關函數的李雅普諾夫指數90-102
• 4.3 基于復合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的復合Logistic混沌系統(tǒng)電路設計108-111
• 4.5 本章小結111-112
• 第5章 圖像加密系統(tǒng)設計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接口設計118-119
• 5.3.2 硬件設計119-122
• 5.3.3 軟件設計122-125
• 5.4 本章小結125-126
• 結論126-128
• 參考文獻128-135
• 致謝135-136
• 攻讀學位期間發(fā)表的學術論文及其它成果136-137

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

本文編號：369439