1 常规的灰度图像置乱加密算法

一种基于混沌映射的快速图像加密算法优化乔建平;邓联文;贺君;廖聪维【摘要】为了解决现有图像加密算法存在随图像尺寸变大导致加密时间迅速增加的问题,采用基于logistic和Arnold映射的改进加密算法实现了快速图像加密算法的优化.该算法基于两种混沌映射对原文图像进行像素置乱和灰度值替代,像素置乱是按图像大小选择以H个相邻像素为单位进行,通过适当调整H的取值实现加密时间优化;灰度值替代是利用Arnold映射产生混沌序列对置乱图像进行操作而得到密文图像.结果表明,对于256×256的Lena标准图像,加密时间降低到0.0817s.该算法具有密钥空间大和加密速度快等优点,能有效抵抗穷举、统计和差分等方式的攻击.%In order to solve the rapid increase of the encryption time because of the increasing image size in the existing image encryption algorithm , the optimized encryption algorithm based on logistic and Arnold mapping was used to achieve the optimization of the fast image encryption algorithm.The algorithm was based on two kinds of chaotic maps to the original image , pixel scrambling and gray value substitution.Pixel scrambling was to select the H adjacent pixels according to the image size , appropriately adjust the H value and realize the encryption time optimization.Gray value substitution is to generate chaotic sequences by Arnold mapping , operate the scrambling image and get the cipher image.The results show that , for 256 ×256 Lena standard images, the encryption time is reduced to 0.0817s.The algorithm has advantages of large key space and fast encryption speed, and can effectively resist the attack of exhaustive , statistical, and differential means.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2017(041)006【总页数】7页(P897-903)【关键词】图像处理;图像加密;混沌映射;Lena图像【作者】乔建平;邓联文;贺君;廖聪维【作者单位】中南大学物理与电子学院超微结构与超快过程湖南省重点实验室,长沙410083;中南大学物理与电子学院超微结构与超快过程湖南省重点实验室,长沙410083;中南大学物理与电子学院超微结构与超快过程湖南省重点实验室,长沙410083;中南大学物理与电子学院超微结构与超快过程湖南省重点实验室,长沙410083【正文语种】中文【中图分类】TP309.7近年来，随着互联网、多媒体以及通信技术的快速发展和普及，信息的安全传输显得尤为重要。

基于FPGA的图像硬件加密算法设计易鸿【摘要】For computer software of low speed is not efficient in image encryption technology,a hardware encryption method based on FPGA is presented,the method is based on the password link model of image replacement algorithm and the improved Baker image scrambling algorithm. Only using less iteration ,we can change the encrypted image pixel change rate and the average change in intensity,also improve the ability of resisting differential attack of the encrypted image.%针对计算机软件图像加密技术中速度不高效率低下的问题，提出了一种基于FPGA的硬件加密方法，该方法基于密码链接模式的图像置换算法以及改进Baker图像置乱算法，只需采用少次迭代，就可以改变加密图像的像素改变率和一致平均改变强度，提高加密图像抵抗差分攻击的能力。

【期刊名称】《河南科学》【年(卷),期】2016(034)012【总页数】6页(P1976-1981)【关键词】序列密码;加密技术;FPGA【作者】易鸿【作者单位】四川文理学院智能制造学院，四川达州 635000【正文语种】中文【中图分类】TB18为了实现数字图像保密，一般是先将二维图像转换成一维数据，再采用传统加密算法进行加密.图像加密技术可分为两类，即空域图像加密技术和压缩图像加密技术.空域图像加密技术在未压缩的图像上进行加密，其特征是将图像看作二维数据进行操作；压缩图像加密技术则基于某种压缩格式或压缩技术进行加密［1-5］.这些方法都是面向处理器的，指令执行采用的是串行操作的方式，执行速度较慢.本文基于FPGA的序列密码具有可移植性和并行性，扩展序列密码的应用领域.序列密码是以字为单位，密钥为128比特，初始向量为128比特，密钥和初始向量作为算法的输入量，每次迭代产生32位二进制数，用来进行数据的加密和解密.该算法适用于图像数据的加密，特别是数据量大，实时性强的图像，能够提高加密速度，简化算法的复杂性.1.1 基于FPGA的祖冲之算法祖冲之算法又称ZUC算法，是由我国自主设计的加密和完整性算法［6-8］，如图1所示，算法分为三层，第一层是线性反馈移位寄存器（LFSR），第二层为比特重组单元，第三层为非线性函数单元.LFSR有16个31位的寄存器(s0,s1,…,s15)组成，每一个寄存器在集合(1,2,…,231-1)中取值.其中，v、u为寄存器31比特的输入数据，mod是整数摸运算，非线性函数F有3个输入X0、X1和X2，一个32比特数据W的输出，使u=w⊕x3，这样结果就右移一位，另外还包含2个32位的R1和R2.第一层线性反馈移位寄存器存在两种工作模式，其具体处理过程如下.初始化模式操作过程①v=215s15+217s13+221s10+(1+28)s0mod(231-1)，②s16=(v+u)mod(231-1)，③if s16=0,then sets16=231-1,④(s1,s2,…，s15，s16)→(s0,s1,…，s14，s15).工作模式操作过程：①s16=215s15+217s13+221s10+220s4+(1+28)s0mod(231-1),②if s16=0,then sets16=231-1,③(s1,s2,…，s15，s16)→(s0,s1,…，s14，s15).第二层比特重组的工作过程如下：第三层非线性函数单元操作过程如下：1.2 图像置换算法本设计采用图2所示密码链接模式进行加密，在对图像加密上首先对数据量进行分组，每组为32比特，第1组加密时，对明文B1加密变为密文Cl.从第2组开始，采用链接模式，将前一组的密文与当前明文进行异或，然后再进行加密.置换的目的是改变像元本身的像素灰度值，该方法是将祖冲之算法进行图像加密时产生32比特的密钥与图像数据灰度值异或，得到相应的密文［9-12］.1.3 图像置乱算法图像置乱过程就是改变像元在空间的位置来达到加密的目的，置乱加密不改变像元的灰度值［13-15］，本文置乱过程采用面包师算法（Baker）实现，其算法映射结果如图3所示.Baker算法如下：其二维Baker映射为：其中:p1+p2+…+pk=1，表示将正方形垂直分割；[fi,fi+pi)×[0,1)表示k个高度为1，宽度为p1,p2,…,pk的矩形［16-18］.对于任意一像素(r,s)被映射到其中:Ni≤r＜Ni+ni，0≤s＜N.本文提出的改进Baker就是在传统算法的基础上加以改进，实现对图像高效置乱编码，其具体改进如下，将二维图像按照从上到下、从左到右方式变成一维图像向量P={P(1),P(2),…,P(M×N)}和C= {C(1),C(2),…,C(M×N)}，然后对图像作如下置乱：①设P(i)为待置乱图像点，其中满足i=s×N+t（0≤i≤M×N）；②设C(j)为置乱后图像点，其中j=M×(N-(t-1))-s；③按C(j)=P(i)，对向量P置换得到向量C；④将C恢复得到M×N的二维图像.实验采用FPGA芯片是以Xilinx公司的XC2VP30开发板为开发平台，XC2VP30芯片包含13 969个逻辑片、2448Kb的RAM、8个数字时钟模块、2个PowerPC核和8个G比特收发器［19-20］.系统设计框图如图4所示.上面采集系统主要包括AD芯片初始化、解码、缓存和VGA显示4个模块，这些模块都在Xilinx公司的ISE开发环境用Verilog语言编写完成.系统工作流程如下：首先对AD芯片初始化，然后AD采集到的数据传送到解码模块，解码过程中判断数据是否有效，对有效数据进行颜色空间转换成为能被显示器识别的RGB格式，然后由线缓存对每一行数据缓存操作，同时利用乒乓操作对缓存进行读写操作，以避免异步读写数据造成冲突，最后帧缓存中的数据交由VGA显示出图像.3.1 算法仿真分析系统采用800×600分辨率RGB555作为数据的传输格式，实验采用Xilinx公司在线逻辑分析进行数据仿真，设置初始密钥为00000000 00000000 00000000 00000000，初始向量00000000 00000000 00000000 00000000，得到每个周期32 bit的密钥序列，实验仿真结果如图5所示.用此系统的加密算法加密一幅256×256的Lena图像，如图6所示，（a）图为原始图像，（b）图为加密图像，（c）图为解密图像，可以看出解密图像和原图像是一致的，整个加密和解密过程速度很快.3.2 直方图分析对于系统进行直方图分析，图7（a）为明文图像，（b）（c）（d）图分别为图像红（R）绿（G）蓝色（B）的分量直方图，采用密码链接模式进行置换和改进Baker算法进行置乱，图8、图9分别为第一轮加密、第二轮加密的结果，结果显示加密图像灰度分布均匀，且多轮加密的结果一致，这说明多次迭代加密后的图像信息熵保持不变.对加密图像的R、G、B三个分量的垂直、水平、对角线方向特性对照，其结果基本相同，说明加密图像像元之间的相关性很小，不随迭代次数的增加而变化.本文给出的基于FPGA的序列密码图像硬件加密算法设计，结构简单，易于实现.通过采用密码链接模式置换及改进Baker置乱算法进行图像加密，提高了图像的置乱速度.同时，本设计中采用硬件描述语言即可充分利用FPGA快速的并行处理特性，有效地提高了图像加密的效率.【相关文献】［1］Farashahi R，Rashidi B，Sayedi S M.FPGA based fast and high throughput 2-slow retiming 128-bit AES encryption algorithm［J］. Microelectronics Journal，2014，45（8）：1014-1025.［2］Fan C P，Hwang J K.FPGA implementations of high throughput sequential and fully pipelined AES algorithm［J］.International journal of Electrical Engineering，2008，15（6）：447-455.［3］刘强，方锦清，赵耿，等.基于FPGA技术的混沌加密系统研究［J］.物理学报，2012，61（13）：78-83.［4］陈仕坤，禹思敏.视频混沌加密及其FPGA实现［J］.电子技术应用，2015，41（1）：111-114.［5］左事稽，刘新朝，何巧珍，等.基于FP G A的高清视频采集与显示系统设计［J］.电子技术应用，2011，37（6）：56-58.［6］Van D J，Delgado F J.FPGA schemes for minimizing the power throughput trade off in executing the advanced encryption standard algorithm［J］.Journal of Systems Architecture，2010，56（2）：116-123.［7］Soliman M I，Abozaid G Y.FPGA implementation and performance evaluation of a high throughput crypto coprocessor［J］.Journal of Parallel and Distributed Computing，2011，7l（8）：1075-1084.［8］Rajagopalan S，Upadhyay H N，Rayappan J B，et al.Galois field proficient product for secure image encryption on FPGA［J］. Research Joumal of Information Technology，2014，6（4）：308-324.［9］Kumar A，Li B.On implementing motion-based region of interest detection on multi-core cell［J］.Computer Vision and Image Understanding，2010，114（11）：1139-1151.［10］Hung S，Tu C，Yang W.A portable，efficient inter-core communication scheme for embedded multicore platforms［J］.Journal of Systems Architecture，2011，57（2）：193-205.［11］Wonjun Kim.SVD Face：Illumination-invariant face representation［J］.Signal Processing Letters，2014，21（11）：1336-1340.［12］Wang Yan，Jiang Zhengwu.Face detection based on skin and improved ICA ［J］.Advanced Materials Research，2011，1231（219）：1486-1490.［13］胡越黎，计慧杰.图像的中值滤波算法及其FPGA实现［J］.计算及测量与控制，2008，16（11）：1672-1675.［14］Xu yue，Linhao li.Human face recognition based on improved pca algorithm ［J］.Journal of Multimedia，2013，8（4）：351-357.［15］Hafez S F，Selim M M，Zayed H H，et al.2D face recognition system based on selected Gabor filters and linear discriminant analysis［J］.International Journal of Computer Science Issues，2015，12（1）：33-41.［16］金晨辉，杨阳，祁传达.对混沌序列密码的相关密钥攻击［J］.电子与信息学报，2006，28（3）：410-414.［17］周庆，胡月，廖晓峰.一个基于混沌映射的图像加密并行算法［J］.计算机工程与应用，2007，43（22）：47-50.［18］Toorani M，Falahati A.A secure cryptosystem based on affine transformation ［J］.Security and Communication Networks，2011，4（2）：207-215.［19］Mirzaei O，Yaghoobi M，Irani H.A new image encryption method：parallel sub-image encryption with hyper chaos［J］.Nonlinear Dynamics，2012，67（1）：557-566. ［20］Long M，Peng F.A noise-robust image encryption algorithm based on perturbed Logistic map［J］.Journal of Information and Computational Science，2010，7（13）：2797-2804.。

Vol. 40 No. 2Mar. 2022第40卷第2期2022年3月吉林大学学报(信息科学版)Journal of Jilin University (Information Science Edition)文章编号：1671-5896(2022)02-0219-12基于格雷码映射和LSB 的彩色图像量子隐写算法肖红，陈欣燕(东北石油大学计算机与信息技术学院，黑龙江大庆163318)摘要：针对现有基于LSB( Least Significant Bit)的量子图像隐写方案嵌入容量较低的问题，提出了一种基于格雷 码规则的彩色图像量子隐写方案。

首先将秘密信息置乱，然后将其划分为6比特段，最后使用格雷码规则将前3位嵌入载体图像RGB (Red Green Blue)通道的第2 LSB 中，其余3位嵌入到载体图像RGB 通道的LSB 中。

按照嵌入规则，隐写图像的LSB 与嵌入秘密比特的差异高达近50%,提高了嵌入信息的安全性；提取是嵌入的 逆过程。

设计了相关操作的量子线路，在经典计算机上的仿真结果表明，该方案的嵌入容量高达每像素6 bit, 不仅在嵌入容量方面优于现有方案，同时也有较高的安全性，这表明釆用格雷码规则实施量子隐写的研究方案是可行的。

关键词：量子图像处理；量子图像隐写；格雷码；最低有效位；嵌入容量中图分类号：TP391文献标识码：AQuantum Steganography Based on Reflected Gray Code and LSB for Color ImagesXIAO Hong, CHEN Xinyan(School of Computer and Information Technology , Northeast Petroleum University , Daqing 163318 , China)Abstract : In order to solve the problem of low embedding capacity of the existing quantum image stegographyschemes based on LSB ( Least Significant Bit ) , a novel color image quantum stegography scheme based on reflected Gray code rule is proposed. The secret information is scrambled first , and then it is divided into 6-bitsegments. Finally , the first 3 bits are embedded in the second LSB of the RGB channel of the cover image , and the remaining 3 bits are embedded in the LSB of the RGB channel of the cover image using reflected-Gray coderules. According to the embedding rules, the difference between the embedded secret bit and the LSB of the stego-image is almost as high as 50% , which further guarantees the security of embedded information. Extractingis the inverse process of embedding. A quantum circuit for related operations is designed. The simulation resultson the classical computer show that the embedding capacity of this scheme is as high as 6 bits per pixel , which is superior to the existing scheme in terms of embedding capacity , and has higher security. Therefore , it is feasible to implement the research scheme of quantum steganography by using Gray code rule.Key words : quantum information processing ； quantum image steganography ； gray code ； least-significant-bit ；embedding capacity0引言1982年Feynman 1'1首次提出量子计算概念，其作为一种新的计算方法以其高度的并行性受到越来越多国内外学者的关注。