开题报告 基于元胞自动机的图像加密算法

题目 基于元胞自动机的图像加密算法研 究 专 业 自动化 学 生 姓 名 班 级 学 号 指导教师 签字 指导教师职称 副教授 指 导 单 位 自动化 负 责 人 签 字 院 系 领导签字 日 期 2011 年 11 月 题 目基于元胞自动机的图像加密算法研究 课题类型 理论研究 工程设计 产品开发 实验研究 课题类别 软件 硬件 软硬结合 其他 设 计 内 容 与 技 术 要 求 成 果 形 式 设计内容与要求 1 讨论基于元胞自动机的伪随机序列生成 2 设计基于元胞自动机的图像加密方案 3 讨论算法安全性 包括密钥空间分析 密钥敏感性分析 图像统计特性分析等 成果形式 1 毕设论文 2 相关仿真程序 设 计 进 度 从毕业设计工作开始起 第 7 学期第 13 14 周 查阅相关文献资料 了解元胞自动机的基本原理 第 7 学期第 15 16 周 文献综述并撰写开题报告 进行相关英文文献收集 第 7 学期第 17 20 周 在分析文献的基础上掌握扩展型二维元胞自动机的模型 及应用 于图像加密的算法过程 第 8 学期第 4 7 周 算法安全性分析 进行实验结果的验证和分析 第 8 学期第 8 11 周 算法完善 英文翻译 第 8 学期第 12 16 周 撰写论文 第 8 学期第 17 周 按照答辩程序进行论文答辩 参 考 资 料 1 朱保平 马骞 刘凤玉 耦合触发细胞自动机加密算法研究 J 南京理工大学学报 自然科 学版 2006 5 34 578 582 2 罗小刚 李轩 彭承琳 基于扩展型二维 CA 的图像加密算法 J 计算机工程 2009 21 3 Ping Ping Zhao Xuelong Zhang Hong A Parallel Encryption ModelBased on Coupled Toggle Cellular Automata J Information andControl 2006 35 3 368 373 4 Zhang Xiaoyan Wang Chao Li Sumei Image EncryptionTechnology on Two dimensional Cellular Automata J Journal ofOptoelectronics Laser 2008 19 2 242 245 5 冯志华 侯旭 张运杰 基于可逆元胞自动机的图像加密算法 J 辽宁工业大学学报 自然 科学版 2008 03 44 183 187 南京邮电大学通达学院毕业设计 论文 开题报告 题 目基于元胞自动机的图像加密算法研究 学生姓名班级学号专业自动化 提纲 开题报告 2000 字以上 1 对指导教师下达的课题任务的学习与理解 2 阅读文献资料进行调研的综述 3 根据任务书的任务及文献调研结果 初步拟定的执行 实施 方案 含具体进度计划 1 对指导教师下达的课题任务的学习与理解 随着计算机网络技术诸如远程医疗 在线购物和在线银行等技术的迅速发展 电子数据 的保护已成为信息安全中不可避免的问题数据加密技术已成为数据的保密性完整性和鉴别性 最基本的安全技术复杂的密码算法已经成为高速实时信息传输的瓶颈 元胞自动机是时间 空间都离散化的动力学系统 被认为是密码学自主化的重要核心技术之一 具有组成单元的 简单规则性 单元之间作用的局部互连性而带来的信息处理的高度并行性等优点 因此 研 究基于元胞自动机的图像加密算法成为了一种非常具有前景的方法 2 阅读文献资料进行调研的综述 元胞自动机 Cellular Automata CA 是种时间 空间 状态均离散化的动力系统 其固有 的组成单元的简单性 单元之间作用的局部性和信息处理的高度并行性以及复杂的全局特性 等特点 使得元胞自动机尤其适合于密码学的应用 元胞自动机表现出与密码学有很大的相 似性 在多媒体信息隐藏和加密方面 元胞自动机的密码学特性的优势正逐步显现出来 许 多基于元胞自动机的隐藏技术和加密技术应运而生 在 1985 年美洲密码学年会上 Wolfram 首次提出将元胞自动机的初始状态作为密钥 使用元胞自动机前向迭代产生的伪随机序列作 为序列密码 从而开创元胞自动机在密码学领域的应用研究 随后几十年里 许多研究人员 在元胞自动机的密码学特性方面进行了深入研究 元胞自动机的独特性质为现代密码技术提 供了新的理论基础 促进了密码学的发展 为现在密码学在图像 视频等多媒体加密方面提 供了新的理论基础和方法 按照加密方法的不同 元胞自动机的加密技术可以分为 元胞自动机的反向迭代加密技 术和可逆元胞自动机的加密技术 下面我将采用可逆元胞自动机的加密方法进行研究设计 3 初步拟定的执行 实施 方案 可逆元胞自动机 Reversible Cellular Aitomata 简称 RCA 可逆元胞自动机是指一个元胞自 动机的初始构形通过演化规则作用次得到构形 再将作为初始构形 通过演化 0 C 1 Fn n C n C 规则的作用次可以得到元胞自动机初始构形 则演化规则和对应的元胞自动机 2 Fn 0 C 1 F 2 F 即为可逆的元胞自动机 用公式表示为 1 1 1 2 1 1 C tF C t C tF C t 从公式中可以看出 这类元胞自动机它的全局转换函数 F 是单射的 当 F1 等于 F2 时 即为可逆元胞自动机 当 F1 和 F2 不相等时 此时 其对应的元胞自动机是互逆的 构造的可逆元胞自动机 构造的可逆元胞自动机是指第 i 个元胞在 t 时刻的状态值 St 由前 一时刻 即 t 1 时刻 第 i 个元胞状态值 其 r 个邻居元胞的状态值和 t 2 时刻第 i 个元胞状 1t S 态值共同决定的 2t S 用公式表示为 1 2 1 1 1 1 tttttt ii riiii r SF SSSSS 与初等元胞自动机 ECA 不同 这类构造的元胞自动机同时考虑 t 1 时刻中心元胞的状态 值 它的演化规则 F 也与初等元胞自动机的规则不同 其局部状态转换规则 F 用公式表 1t i S 示为 1 3 1 1 1 ttttt ii riii r FSf SSSS 1 它的逆也是一个元胞自动机 且其局部转化函数为 1 4 1 1 1 ttttt ii riii r FSf SSSS 1 公式 1 4 中 先由元胞自动机规则 f 获得中心元胞的状态值 再与前一时刻中心元胞 的状态值异或 即可得到 t 1 时刻中心元胞的状态值 即当 t 1 时刻元胞的状态值为 0 时 t 1 时刻中心元胞的状态值就根据对应初等元胞自动机规则求得的值 当 t 1 时刻元胞的状态 值为 1 时 t 1 时刻中心元胞的状态值为时的状态值取反 用公式表示为 1 0 t S 1 5 1 1 1 1 1 0 1 1 tttt Ei riii t i tttt Ei riii fSSSifS F S fSSSifS 公式中为对应的初等元胞自动机规则 由于 t 1 时刻中心元胞的状态值有两个状 E f 1t S 态 0 和 1 所以构造的可逆元胞自动机 RCA 的组合就有 16 种 因此构造的可逆元胞自动机 较初等元胞自动机 ECA 的规则复杂 为了与初等元胞自动机 ECA 相区别 将与之对应的初 等元胞自动机规则编号后加上符号 R 作为构造的可逆元胞自动机规则号 其加解密过程为 根据待加密的明文信息生成一个随机序列 C0 和明文数据 C1 将 C0 和 C1 作为可逆元胞自动机的初始状态 然后根据可逆元胞自动机 RCA 的演化规则进行 n 次 迭代后 具体的运算可以根据公式 1 4 进行 最终得到加密后的密文数据 Cn 其解密过 程则与加密过程相反 不同的是将 Cn 和 Cn 1 作为初始状态 根据同一可逆元胞自动机转换 规则进行 n 1 次迭代 即可获得明文 随机数据随机数据 C0 明文数据明文数据 C1 迭代迭代 n 1 次后次后 的数据的数据1Cn 迭代迭代 n 次后的次后的 数据数据Cn 密钥密钥 RCA 密钥密钥 RCA 加密过程加密过程 解密过程解密过程 图 1 1 可逆元胞自动机 RCA 的加密过程 基于可逆元胞自动机的加密技术的优点是加密解密快速 方便 但加解密密钥相同 且 其密钥的空间较小 导致安全性不高 而使用多种可逆元胞自动机规则组合进行加密时 密 钥空间较大 由于多次迭代 其扩散性和混合性较好 但加解密算法复杂性也大大增加了 同时由于在传输中还必需把两次连续迭代的结果 增加了加解密算法的复杂性 传输的实时 性也大大降低 一维混沌可逆元胞自动机的图像加密算法 图像加密与文本加密不同 由于图像数据是二维的 数据量大且冗余度较高 这就要求 加密算法的安全性能高 算法实时性好 传输过程中不会有信息损失 尽管一维可逆元胞自 动机的加密技术有加解密快速 方便和实时性较好等优点 但将其应用于图像等多媒体信息 加密中时 加解密算法复杂性增加 安全性能不高 尤其是单一的可逆元胞自动机的加密中 算法的密钥空间较小 敏感程度不高 实时性降低 为了解决这一问题 引入混沌系统对初 始条件极度敏感等特点与可逆元胞自动机 RCA 的无信息损失和高度并行的特点相结合设计 密码 提出一维混沌可逆元胞自动机的图像加密算法 简称 1DC RCA 加密原理 主要利用混沌系统对初始条件和控制参数的极端敏感性 类似随机的行为和长周期的不 稳定轨道 对图像像素点进行像素置乱 然后在此基础上建立可逆元胞自动机模型 通过元 胞自动机单元间简单的局部变换规则 元胞间的高度并行 以及复杂的全局演化行为 将初 始域扩散 混合到整个相空间 达到掩盖初始图像特征 最终实现安全性更高 效率更优的 图像的加密算法 具体的算法原理是 首先利用一个一维混沌映射或系统 根据实际情况确 定初值 选取适当的系统控制参数 根据要加密的图像矩阵的大小 将产生 0 x 01 n x xx 混沌序列按一定的组合方式 以各列分别取奇数和偶数下标 或者分别奇数行和偶数行 组成与原图像矩阵大小相等的混沌矩阵 混沌矩阵与原图像矩阵中的每个像素点进行异或 得到初始化处理 即像素置乱 后的图像矩阵 根据图像矩阵的特点 每个像素点转化为 8 位 二进制 就得到一个元素只含 0 和 1 的矩阵 然后对其建立一维可逆元胞自动机模型 RCA 确定演化规则 f 邻居模型 边界条件 按照可逆元胞自动机 RCA 演化规则 f 迭代 n 次 最 终得到加密后的图像 加解密的密钥是由混沌系统的初值 控制参数和元胞自动机的局部变 换规则以及迭代次数组成 其具体的加密过程如图 1 2 所示 nxm 原始图像 矩阵 A nxm 混沌矩阵 B nx mx8 随机 矩阵 0 Z nx mx8 二值 矩阵 1 Z 转化 迭代次 n 1 迭代后得到的 nx mx8 的矩阵 n 1 Z 迭代后得到的 nx mx8 的 的矩阵 n Z 一维混沌系 统初值 和控制 0 X 参数 一维可逆元 胞自动机 RCA 规则 F 和迭代次 数n 1 步加密后n 1 的图像 加密后 的图像 图 1 2 一维混沌可逆元胞自动机的加密过程 异或 密钥 密钥 其解密过程为 解密过程是加密过程的逆过程 解密的密钥与加密密钥相同 不同的是 将加密后的数据和 n 1 步的数据作为和 迭代 n 1 步后即可得到原图 运用该算法进行 0 Z 1 Z 保密传输时 必需传输 n 1 步迭代的数据 否则接受方无法进行解密 其具体解密过程如图 1 3 所示 加密后 的图像 迭代后得到的 nx mx8 的矩阵 0 Z 迭代后得到的 nx mx8 的矩阵 1 Z 步后的n 1 图像 nx mx8 原始 二值图像矩阵 nx mx8 二值 矩阵 A 处理好得到的 nmx 混沌矩阵 B mx8 原始图 像 迭代次 n 1 异或 转化 一维可 逆元胞 自动机 RCA 规 则 F 和 迭代次 数n 1 一维可 混沌系 统初值 和控 0 X 制参数 图 1 3 一维可逆元胞自动机的解密过程 密钥 密钥 安全性能分析 基于一维混沌可逆元胞自动机的图像加密算法是一种安全性较高 更可靠的图像加密算 法 这种加密算法继承了单纯可逆元胞自动机加密算法的模式 是一种对称的加密算法 保 密传输的过程中 传输方和接收方必需事先约定密钥 在传输的过程中还必需传输送连续两 次加密的结果 否则接收方即使有密钥 也无法解密出正确的结果 它的不足在于传输的过 程中的实时性降低 4 具体进度计划 第 7 学期第 13 14 周 查阅相关文献资料 了解元胞自动机的基本原理 元胞自动机加密技 术的分类 第 7 学期第 15 16 周 文献综述并撰写开题报告 进行相关英文文献收集 选择可逆元胞自 动机加密算法进行设计 分析这种加密方法的优势 第 7 学期第 17 20 周 在分析文献的基础上掌握扩展型二维元胞自动机的模型 及应用于图 像加密的算法过程 第 8 学期第 4 7 周 算法安全性分析 密钥空间分析 敏感性分析 直方图分析 统计特征 分析 信息熵分析 平均变化值和图像相似度分析 进行实验结果的验证和分析 通过仿真 实验来验证一维混沌可逆元胞自动机图像加密算法的有效性 第 8 学期第 8 11 周 算法完善 对一维可逆混沌元胞自动机算法过程进行测试并且完善算 法 查阅元胞自动机加密算法相关英文文献并翻译 第 8 学期第 12 16 周 撰写论文 第 8 学期第 17 周 按照答辩程序进行