嵌入式系統的基于混沌的快速圖像加密算法研究

襲祥云 李俊霖

（西南計算機有限責任公司 重慶市 400060）

在社會的發展中，由于嵌入式的設備系統可裁剪，功能定制化，同時體積較小，便于人們的攜帶，使得其在日常生活當中得到了較為廣泛的應用。各種終端設備層出不窮，市場上形成迭代的趨勢。但是，伴隨著如今信息技術的高速發展，互聯網實現了基本普及，在這樣的背景下，也使得在個人信息泄露方面，嵌入式設備成為了重災區。所以現階段的信息安全問題，得到了人們的廣泛關注。在信息安全中，不僅包含源頭加密，同時還有信道傳輸，本文重點討論前者，主要討論基于混沌圖像的加密算法。一個較為合理的信息加密技術，才可以從源頭保護信息安全，起到充分保障信息安全性的作用。

1 研究背景

隨著計算機網絡的發展，全世界各種計算機也包含終端設備，他們相互之間所實現的互動，在本質上看，這一過程屬于信息數據的傳遞。一旦發生數據交換，而且到了一定的量級，對于該信息數據而言，其安全性就越發的受到關注，一旦數據發生了泄露，就會造成不同程度的問題。如今，已經將數據信息傳輸的安全性，當做信息技術發展的重要研究課題。在計算機網絡和移動網絡中，所進行流動的數據信息，很多都屬于個人隱私信息，而且其中還會有一少部分，是商業或者國家、軍事機密。針對這些信息而言，在計算機中，進行存儲和傳輸，所采用的方式都較為的隱私，這是由于數據的傳輸者并不需要他人的獲取。因此，在進行數據的傳輸中，需要對數據的原有內容，做出一定的掩飾，所以這也就產生了信息加密技術。隨著信息加密技術的發展，通過對于該項技術合理運用，這對信息安全領域而言，早已成為其中的關鍵性的核心內容，這種技術可以大大提高現階段信息在傳輸過程中的安全性。與此同時，信息的破解技術也隨之不斷地成熟發展。所以，就要對于加密技術作出進一步優化，在面對破解攻擊行為時，具有較強的抵御能力，這也是在現如今的信息加密算法中，需要重點考慮的問題。

對于混沌系統而言，則是一種非線性，但是具備著較強偽隨機性的一種系統類型。該系統不僅僅具備著不規則的隨機屬性，同時還具有遍歷性與敏感性，使得其與圖像加密技術可以實現完美的融合。因此，伴隨著科學技術的發展，就使得在近些年的建設發展中，使得人們格外的關注這種系統。在通常情況下，對于混沌系統的圖像加密算法而言，其加密效果具有著較高的優勢性，同時加密的安全性也相對很高。所以在計算混沌系統時，會產生很多的硬件資源的消耗，同時也會花費較多的時間。這就使得一般意義的混沌系統，所采用的圖像加密算法，其在具體的特點上，呈現了顯著的效率低下。在眾多的嵌入式設備當中，這個矛盾尤為突出，具體表現為嵌入式系統都呈現出一定的專用性，基于成本的控制與體積的局限，硬件計算能力和資源配置上是定制化產品，無法進行復雜的運算與分析，各方面性能與通用計算機有一定的差距。在其嵌入式系統的運行中，就需要保障在其算法較為低下的時候，也會占用嵌入式設備中有限的硬件資源，嚴重的影響到的正常運行。

2 加密與混沌分析

2.1 數字圖像加密技術

2.1.1 基本概念

在當下的發展中，其數字圖像技術越來越受到人們的重視，同時使用率最高的多媒體，已經廣泛的應用在了遠程教育、遠程醫療、場景監控以及軍事演習當中。同時，在一些特殊的領域當中，對于圖像的保密性往往提出更高的要求，例如在商業和醫療領域當中，就需要開展圖像數據信息的加密處理。

在數字圖像加密的過程中，是基于圖像信息的基本特性，設計出特定的加密算法，并利用對應的關系，將其數字圖像的像素點位置以及數值的記錄和更改，以此起到將原本數字圖像信息的加密。在操作的過程中，往往需要基于特定的規律。對原始數據圖形進行相應的調整，以此變成一種完全與原圖形不同的數據信息。

2.1.2 數字圖像加密的基本要求

針對多種文本數據來說，對于數字圖形數據，在數據結構上，是以二維類型呈現的，并且將其可以算作一個矩陣，同時在大小方面與圖像基本上保持一致。在矩陣當中的元素與圖像像素點存在著一一對應的關系。因此，就可以采取二維數據轉化法，讓其實現向一維數據信息的轉變，而后在文本加密方式的基礎上，通過處理工作，讓其成為一種加密方式。但是，由于數字圖像，具有較大的數據信息量，所以導致在信息處理時，效率比較低下。同時，在數字圖像數據的處理中，往往是一種可視化的數據類型，因此就會使得每一個像素與周圍的像素一樣，都存在著一定的關聯性。為了保障對加密步驟進行簡化處理，并降低計算的復雜程度，以及提升機密算法的有效性，在設計的過程中，可以實現置亂與擴散的方式。

2.2 混沌系統

在特定條件下，不確定性系統所出現的一種偽隨機的現象，就叫混沌。在長期的研究中，這一系統的理論受到了人們的持續關注，而且這也是在當下的科技領域中，具有一定前沿性的課題?；煦缫呀洺蔀槲锢韺W領域十分重要的組成部分。混沌系統而言，可以很好的應用到圖像加密系統當中，二者存在著較為緊密的聯系，其混沌系統當中的各種屬性，可以提升圖像加密技術的可靠性和準確性。比如對于m*n 大小的圖像，需要產生同等密度的矩陣來描述該圖像，該矩陣即明文，將其進行多次迭代，最終形成第二個矩陣。那么第一個矩陣和第二個矩陣進行邏輯運算（與，或，異或），則可以得到加密后的矩陣，該矩陣代表的圖像可以作為密文進行傳輸。迭代次數越多，逆過程就越復雜。這種加密方式只是序列進行了迭代加密，像素灰度發生了改變，但是絕對位置并沒有發生改變。這種邏輯運算非常適合嵌入式系統中的硬件加法器，便于實現。

3 快速圖像加密算法

3.1 加密算法的主框架

本文章著重分析一種基于混沌系統的快速圖像機密算法，所采用的有著極強通用性的數字圖像加密框架。

首先，要利用Secret key，作為混沌系統中的初始值，進行進一步輸入，之后就能生成混沌序列。而且還要利用混沌系列，在具體方式之下，針對該圖像，進行置亂操作，并加上擴散性的操作處理，就可以形成加密的圖像。而系統當中的Secret key，就屬于在原始圖像中，所形成的信息，能夠對各個數字圖像的特征，起到代表作用。而這樣的方式，也是在原始圖像中，進一步提升所生成的混沌序列，在其中的差異性。與此同時，也能夠對算法抵抗差分，實現攻擊能力的提高。而采用的差分攻擊，就是一種基于多個內容相似的圖像，所開展的加密處理工作，以此完成破解工作。而本文所設計出的Secret key 變量，是一種混沌系統當中的輸入值，因此Secret key 會不停的發生著一定的變化。同時，混沌系統對于初始值具備著較高的敏感性，使得系統在輸入方面存在微小的變化，都會導致混沌序列出現一定的變化，進而進一步的提升加密的效果。

3.2 提升混沌序列隨機性的方式

在混沌系列當中的截取方式較多，因此固定一個時間步長，同時在間隔一步長，這樣的時間點下，能夠得到一個確定的數值，將其作為在混沌系列中，一個重要的元素，之后得到數組，成為混沌序列。

在計算的過程中，是一種對于機密算法最為核心的部分，但是在當下嵌入式處理器的設計上，其內部的計算能力較弱，同時混沌序列的長度上，基本上都需要得到縮短。但是，在這樣的情況下，一旦混沌序列較短，就會使得系統的混沌序列的隨機性受到影響，以此嚴重影響到算法的整體安全性。因此，在本文的設計中，就基于圖像加密算法的方式，對該混沌序列進行長度方面的壓縮，以此最大程度上降低計算的復雜程度，并將其應用在嵌入式的系統當中。另外，為了抵消在這種算法下對于序列長度造成的影響，以此導致安全性的下降問題，就需要對其混沌序列進行全面的處理，進而實現提升混沌序列的隨機性。

3.3 最短混沌序列

在本文提出的混沌系統設計方案下，由于需要進行混沌序列的長度縮短，以此保障在嵌入式設備當中完成機密計算。但是，過短的序列長度會嚴重的影響到系統的安全性。為此，就需要在相關的設計中，需要對其最短混沌序列進行確定，因此研發出循環混沌序列與最短混沌序列。

3.3.1 循環混沌序列

在以往的數字圖形，進行加密技術使用時，為了確保解密處理的順利的完成，對于密鑰與圖像的像素來說，也要進行一一對應關系的表現。因此，在設計過程中，就可以很好的基于密鑰的實際長度，對原始圖像進行像素個數的計算。而在加密的過程中，往往需要保障混沌序列長度方面，需要達到幾萬的長度。因此。為了解決這樣的問題，就需要創造出一個循環序列的方式，可以很好的計算機一個最短的混沌序列，并設計出一個循環隊列，同時在序列的最后一個元素的處理上，需要將其接到第一個元素，這樣就可以形成一個理論上無限長度下的混沌序列。雖然對于這種方法而言，并不是一種嚴格符合密碼學標準的設計方式，使得密鑰無法在一次加密之后，實現重復利用的效果。但是，由于圖像的機密算法當中，是一種基于嵌入式系統的加密方式，因此就需要做出一定的犧牲。

3.3.2 最短混沌序列確定

在最短混沌序列的確定中，需要進行幾種不同的試驗分析，以此保障在測試圖像、測試環境以及去相關操作之后，可以較為科學合理得到最短的混沌序列。同時，需要注意的是，為了保障試驗的科學合理性，還要對其平均NPCR 以及UACI 進行觀察，進而可以很好的對其混沌序列的長度變化進行詳細的分析與判斷。

3.4 置亂操作

進行所謂的置亂操作，就是工作人員需要基于特定方式，對其數字圖像的像素位置進行調整和變化，以此突破傳統形式下的數字與圖像之間的內在關聯性。并且在這樣的操作過程中，數字圖像往往會出現一種無序的圖案內容，基本上與白噪聲信號圖像比較相似。在置亂處理的過程中，需要基于整列與整行的方式，對原始圖像進行不斷的變換，以此形成置亂的操作。

3.5 擴散操作

在當下的操作過程中，其擴散性的操作，就是將其數字圖像的像素值表變化進行調整，以此可以將一些需要隱藏的信息進行處理。并且，在完成了擴散處理之后，就可以很好的實現信息內容和形式上的轉變，并且從外觀的角度上來看，完全無法得到一些有用的信息。同時，這種圖形的像素數值的變化，使得由于灰度圖像的像素值范圍在0-255 之前，以此就可以充分的利用其整個混沌序列與圖像像素數值之間的關系，進行相應的計算與分析，以此起到改變像素數值的效果。另外，基于異或運算的特征，需要對相同數進行偶數次異或者運算的過程中，在設計的解密過程中，僅僅需要原封不動的對其進行加密處理，就可以實現擴散性的操作，并將其原始圖像的像素值進行恢復，以此完成擴散的操作。這種類型的操作下，進一步的提升了加密技術的可靠性與安全性，成為了該技術的核心內容。

4 總結

綜上所述，在當今信息技術的高速發展背景下，使得人們在日常的生活生產中，經常需要使用各種類型的信息數據，而出于隱秘性的考量，就要在信息傳輸的過程中，對其信息數據進行加密處理，而本文所提出的嵌入式系統的基于混沌的快速圖像加密算法，是從源頭進行數據加密的方法，可以很好的提升信息數據的可靠性與安全性。