嵌入式系统的基于混沌的快速图像加密算法研究

2021-11-21袭祥云李俊霖

电子技术与软件工程 2021年6期

袭祥云李俊霖

（西南计算机有限责任公司重庆市 400060）

在社会的发展中，由于嵌入式的设备系统可裁剪，功能定制化，同时体积较小，便于人们的携带，使得其在日常生活当中得到了较为广泛的应用。各种终端设备层出不穷，市场上形成迭代的趋势。但是，伴随着如今信息技术的高速发展，互联网实现了基本普及，在这样的背景下，也使得在个人信息泄露方面，嵌入式设备成为了重灾区。所以现阶段的信息安全问题，得到了人们的广泛关注。在信息安全中，不仅包含源头加密，同时还有信道传输，本文重点讨论前者，主要讨论基于混沌图像的加密算法。一个较为合理的信息加密技术，才可以从源头保护信息安全，起到充分保障信息安全性的作用。

1 研究背景

随着计算机网络的发展，全世界各种计算机也包含终端设备，他们相互之间所实现的互动，在本质上看，这一过程属于信息数据的传递。一旦发生数据交换，而且到了一定的量级，对于该信息数据而言，其安全性就越发的受到关注，一旦数据发生了泄露，就会造成不同程度的问题。如今，已经将数据信息传输的安全性，当做信息技术发展的重要研究课题。在计算机网络和移动网络中，所进行流动的数据信息，很多都属于个人隐私信息，而且其中还会有一少部分，是商业或者国家、军事机密。针对这些信息而言，在计算机中，进行存储和传输，所采用的方式都较为的隐私，这是由于数据的传输者并不需要他人的获取。因此，在进行数据的传输中，需要对数据的原有内容，做出一定的掩饰，所以这也就产生了信息加密技术。随着信息加密技术的发展，通过对于该项技术合理运用，这对信息安全领域而言，早已成为其中的关键性的核心内容，这种技术可以大大提高现阶段信息在传输过程中的安全性。与此同时，信息的破解技术也随之不断地成熟发展。所以，就要对于加密技术作出进一步优化，在面对破解攻击行为时，具有较强的抵御能力，这也是在现如今的信息加密算法中，需要重点考虑的问题。

对于混沌系统而言，则是一种非线性，但是具备着较强伪随机性的一种系统类型。该系统不仅仅具备着不规则的随机属性，同时还具有遍历性与敏感性，使得其与图像加密技术可以实现完美的融合。因此，伴随着科学技术的发展，就使得在近些年的建设发展中，使得人们格外的关注这种系统。在通常情况下，对于混沌系统的图像加密算法而言，其加密效果具有着较高的优势性，同时加密的安全性也相对很高。所以在计算混沌系统时，会产生很多的硬件资源的消耗，同时也会花费较多的时间。这就使得一般意义的混沌系统，所采用的图像加密算法，其在具体的特点上，呈现了显著的效率低下。在众多的嵌入式设备当中，这个矛盾尤为突出，具体表现为嵌入式系统都呈现出一定的专用性，基于成本的控制与体积的局限，硬件计算能力和资源配置上是定制化产品，无法进行复杂的运算与分析，各方面性能与通用计算机有一定的差距。在其嵌入式系统的运行中，就需要保障在其算法较为低下的时候，也会占用嵌入式设备中有限的硬件资源，严重的影响到的正常运行。

2 加密与混沌分析

2.1 数字图像加密技术

2.1.1 基本概念

在当下的发展中，其数字图像技术越来越受到人们的重视，同时使用率最高的多媒体，已经广泛的应用在了远程教育、远程医疗、场景监控以及军事演习当中。同时，在一些特殊的领域当中，对于图像的保密性往往提出更高的要求，例如在商业和医疗领域当中，就需要开展图像数据信息的加密处理。

在数字图像加密的过程中，是基于图像信息的基本特性，设计出特定的加密算法，并利用对应的关系，将其数字图像的像素点位置以及数值的记录和更改，以此起到将原本数字图像信息的加密。在操作的过程中，往往需要基于特定的规律。对原始数据图形进行相应的调整，以此变成一种完全与原图形不同的数据信息。

2.1.2 数字图像加密的基本要求

针对多种文本数据来说，对于数字图形数据，在数据结构上，是以二维类型呈现的，并且将其可以算作一个矩阵，同时在大小方面与图像基本上保持一致。在矩阵当中的元素与图像像素点存在着一一对应的关系。因此，就可以采取二维数据转化法，让其实现向一维数据信息的转变，而后在文本加密方式的基础上，通过处理工作，让其成为一种加密方式。但是，由于数字图像，具有较大的数据信息量，所以导致在信息处理时，效率比较低下。同时，在数字图像数据的处理中，往往是一种可视化的数据类型，因此就会使得每一个像素与周围的像素一样，都存在着一定的关联性。为了保障对加密步骤进行简化处理，并降低计算的复杂程度，以及提升机密算法的有效性，在设计的过程中，可以实现置乱与扩散的方式。

2.2 混沌系统

在特定条件下，不确定性系统所出现的一种伪随机的现象，就叫混沌。在长期的研究中，这一系统的理论受到了人们的持续关注，而且这也是在当下的科技领域中，具有一定前沿性的课题。混沌已经成为物理学领域十分重要的组成部分。混沌系统而言，可以很好的应用到图像加密系统当中，二者存在着较为紧密的联系，其混沌系统当中的各种属性，可以提升图像加密技术的可靠性和准确性。比如对于m*n 大小的图像，需要产生同等密度的矩阵来描述该图像，该矩阵即明文，将其进行多次迭代，最终形成第二个矩阵。那么第一个矩阵和第二个矩阵进行逻辑运算（与，或，异或），则可以得到加密后的矩阵，该矩阵代表的图像可以作为密文进行传输。迭代次数越多，逆过程就越复杂。这种加密方式只是序列进行了迭代加密，像素灰度发生了改变，但是绝对位置并没有发生改变。这种逻辑运算非常适合嵌入式系统中的硬件加法器，便于实现。

3 快速图像加密算法

3.1 加密算法的主框架

本文章着重分析一种基于混沌系统的快速图像机密算法，所采用的有着极强通用性的数字图像加密框架。

首先，要利用Secret key，作为混沌系统中的初始值，进行进一步输入，之后就能生成混沌序列。而且还要利用混沌系列，在具体方式之下，针对该图像，进行置乱操作，并加上扩散性的操作处理，就可以形成加密的图像。而系统当中的Secret key，就属于在原始图像中，所形成的信息，能够对各个数字图像的特征，起到代表作用。而这样的方式，也是在原始图像中，进一步提升所生成的混沌序列，在其中的差异性。与此同时，也能够对算法抵抗差分，实现攻击能力的提高。而采用的差分攻击，就是一种基于多个内容相似的图像，所开展的加密处理工作，以此完成破解工作。而本文所设计出的Secret key 变量，是一种混沌系统当中的输入值，因此Secret key 会不停的发生着一定的变化。同时，混沌系统对于初始值具备着较高的敏感性，使得系统在输入方面存在微小的变化，都会导致混沌序列出现一定的变化，进而进一步的提升加密的效果。

3.2 提升混沌序列随机性的方式

在混沌系列当中的截取方式较多，因此固定一个时间步长，同时在间隔一步长，这样的时间点下，能够得到一个确定的数值，将其作为在混沌系列中，一个重要的元素，之后得到数组，成为混沌序列。

在计算的过程中，是一种对于机密算法最为核心的部分，但是在当下嵌入式处理器的设计上，其内部的计算能力较弱，同时混沌序列的长度上，基本上都需要得到缩短。但是，在这样的情况下，一旦混沌序列较短，就会使得系统的混沌序列的随机性受到影响，以此严重影响到算法的整体安全性。因此，在本文的设计中，就基于图像加密算法的方式，对该混沌序列进行长度方面的压缩，以此最大程度上降低计算的复杂程度，并将其应用在嵌入式的系统当中。另外，为了抵消在这种算法下对于序列长度造成的影响，以此导致安全性的下降问题，就需要对其混沌序列进行全面的处理，进而实现提升混沌序列的随机性。

3.3 最短混沌序列

在本文提出的混沌系统设计方案下，由于需要进行混沌序列的长度缩短，以此保障在嵌入式设备当中完成机密计算。但是，过短的序列长度会严重的影响到系统的安全性。为此，就需要在相关的设计中，需要对其最短混沌序列进行确定，因此研发出循环混沌序列与最短混沌序列。

3.3.1 循环混沌序列

在以往的数字图形，进行加密技术使用时，为了确保解密处理的顺利的完成，对于密钥与图像的像素来说，也要进行一一对应关系的表现。因此，在设计过程中，就可以很好的基于密钥的实际长度，对原始图像进行像素个数的计算。而在加密的过程中，往往需要保障混沌序列长度方面，需要达到几万的长度。因此。为了解决这样的问题，就需要创造出一个循环序列的方式，可以很好的计算机一个最短的混沌序列，并设计出一个循环队列，同时在序列的最后一个元素的处理上，需要将其接到第一个元素，这样就可以形成一个理论上无限长度下的混沌序列。虽然对于这种方法而言，并不是一种严格符合密码学标准的设计方式，使得密钥无法在一次加密之后，实现重复利用的效果。但是，由于图像的机密算法当中，是一种基于嵌入式系统的加密方式，因此就需要做出一定的牺牲。

3.3.2 最短混沌序列确定

在最短混沌序列的确定中，需要进行几种不同的试验分析，以此保障在测试图像、测试环境以及去相关操作之后，可以较为科学合理得到最短的混沌序列。同时，需要注意的是，为了保障试验的科学合理性，还要对其平均NPCR 以及UACI 进行观察，进而可以很好的对其混沌序列的长度变化进行详细的分析与判断。

3.4 置乱操作

进行所谓的置乱操作，就是工作人员需要基于特定方式，对其数字图像的像素位置进行调整和变化，以此突破传统形式下的数字与图像之间的内在关联性。并且在这样的操作过程中，数字图像往往会出现一种无序的图案内容，基本上与白噪声信号图像比较相似。在置乱处理的过程中，需要基于整列与整行的方式，对原始图像进行不断的变换，以此形成置乱的操作。

3.5 扩散操作

在当下的操作过程中，其扩散性的操作，就是将其数字图像的像素值表变化进行调整，以此可以将一些需要隐藏的信息进行处理。并且，在完成了扩散处理之后，就可以很好的实现信息内容和形式上的转变，并且从外观的角度上来看，完全无法得到一些有用的信息。同时，这种图形的像素数值的变化，使得由于灰度图像的像素值范围在0-255 之前，以此就可以充分的利用其整个混沌序列与图像像素数值之间的关系，进行相应的计算与分析，以此起到改变像素数值的效果。另外，基于异或运算的特征，需要对相同数进行偶数次异或者运算的过程中，在设计的解密过程中，仅仅需要原封不动的对其进行加密处理，就可以实现扩散性的操作，并将其原始图像的像素值进行恢复，以此完成扩散的操作。这种类型的操作下，进一步的提升了加密技术的可靠性与安全性，成为了该技术的核心内容。