文档介绍：图像加密并行算法——Square加密算法
针对传统的图像加密算法在效率和安全性上的不足,我们提出了一种新的图像并行加密算法——Square加密算法,它采用Square像素排列操作和改进的混合(Mixing)操作。那么接下来,我就给大加简单的介绍一下这种加密算法。
一、Squaree加密算法
图像加密并行算法的重点在于前2步,即分组内加密和像素排列。为了简化加密算法的没计,可对加密算法设计作进一步的规定:
(1)图像的每一行即为一个分组;
(2)各PE负责加密的分组数(图像行数)应尽量接近;
(3)第(1)步采用的加密操作应实现分组范围内的完全扩散效应。
下面分别介绍Square图像加密算法的分组内加密方法和像素排列方法。
1、分组内加密方法
与MASK加密算法相同,分组内加密方法由3个操作构成,即Mixing、密钥异或及S盒替换。
(1)Mixing操作表示如下:
其中,i=1,2,…,N,N为图像的列数。注意,式(1)中的加法和连加均为异或运算。
(2)密钥异或操作即将轮密钥与明文进行异或。轮密钥由Logistic混沌映射产生。
(3)S盒替换操作是3个操作中唯一的非线性运算,本文采用AES加密算法中的S盒。
2、像素捧列方法
在设计图像文件加密并行算法中,像素排列方法是算法设计的关键。本文采用的排列定义如下:
其中,i,j表示图像的行号和列号,数值从0开始。图2给出了一个按式(2)对图像像素进行排列的示例。可以看出,式(2)的实质是对于第i(i=0,1,…,M-1)列的像素循环上移f个位置。
这种操作很像魔方的转动,又因为图像是平面的,所以称为Square排列操作。
当分组内加密方法可实现分组内的完全扩散效应时,易证Square加密算法满足图像加密并行算法的4个要求。
二、 Mixing操作的改进
理论上2轮Sqvare加密即可实现图像的完全扩散。以64×64的Lena灰度图像为对象,作4 096次实验。每次实验只改变一个像素的最低位,并计算密文比特的改变率。, 2,。可见,Square加密算法并没有达到理想的改变率。
经分析发现,这是由于Mixing操作的缺陷造成的。根据式(1),经Mixing操作后,各元素等于同一组中其他所有元素异或运算的结果。因此,当明文改变一比特时,密文分组中有且仅有一个元素保持不变。由此可推知,分组内加密方法不能实现分组内完全扩散的要求。
为满足分组内完全扩散的要求,本文提出了一个新的Mixing操作,定义如下:
式(3)与式(1)在表现形式上很相似,唯一不同的是式(1)中的加法为异或运算,而式(3)则采用模256加法。可以证明,当研均为0~255之间的整数,且分组个数N为偶数时。Mixing操作是可逆的。
同时,由式(3)可以推知,改进的MAS加密可实现分组内的完全扩敝效应。将这种Square排列与改进的MAS分组加密操作的联合称为“Squaren图像并行加密算法。,,。
三、实验结果分析
实验的目的是检测Square加密算法的加密速度和安全性能,如直方图、相邻像素相关性、密钥敏感