基本信息
- 项目名称：
- 基于折纸变换的数字图像加密软件
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 基于手工折纸产生的灵感，利用表现形式清晰的初等周期函数作为密钥来控制生成原图像的全排列置换模版，提出一种新的数字图像加密算法并制作了应用软件。该加密算法将周期函数的规律性和图像自身的二维矩阵特性相结合，将图像自身的特点纳入加密步骤中，是一种自适应加密算法。通过仿真测试，各项性能指标均达到或超过行业公认标准，表明该算法对图像信息加解密具有良好的效果。
- 详细介绍：
- 本作品设计的加密算法其各项性能指标的测试结果如下： （1）灰度直方图指标:本作品提出的算法中加入了图像灰度置乱,可以实现密文的像素值均匀分布在整个灰度值空间（行业公认标准为均匀分布）,可以抵抗密文统计分析的攻击。 （2）密钥敏感性指标：当分别输入错误的密钥，即使它们与正确密钥之间的相对误差在0.001%（行业公认标准为0.005%），也得不到任何有用的信息，密钥敏感性强。 （3）相邻像素相关性分析：为了检验明密文相邻像素的相关性，随机选取1000对相邻像素（水平、垂直、对角），计算相关系数，可以得到明文的相邻像素相关性接近1，而加密后的密文相邻像素相关性接近0（行业公认标准为±0.01），这说明相邻像素基本不相关，因此不可能从密文中通过相邻像素的相关性反推出明文。 （4）明文改变率：在算法加密的效率上，比较了明文随加密轮次的变化，发现本算法仅一次迭代就能完全打乱明文，重合率都在0.1%以下（行业公认标准为50%），可见本算法的置乱效率高。 （5）信息熵：香农信息熵是数字图像加密性能好坏的一个重要指标，一个密文的信息熵越大，说明这个系统越是混乱。经过对加密图像的信息熵计算，可以得出，香农信息熵随着迭代趋向于最大值8，这对密文的攻击者来说，密文向各个方向明文演化的可能性都有，而且概率几乎一样，因此很难从密文中破解密码。 （6）密钥空间：本算法的对折折线都是通过初等周期函数生成，相对于混沌函数来说，不仅函数类型丰富，而且没有参数的限制，密钥空间可以扩展到无限大（超出行业公认标准），因此有效避免了穷举法的攻击。 （7）按照图像的二维矩阵特点，本算法采用分块局域变换模式，不仅可实现图像的局部加密，还可以抵抗随机噪声等特殊的攻击和破坏，在密文受到一定破坏的情况下，输入正确的密钥，图像依然可以恢复到可以辨认的程度。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 发明目的： 本发明针对数字图像安全，提出一种新的数字图像加密算法并开发应用软件。 基本思路： 在现有的图像加密方法中，置乱技术是最稳健的方法之一。由于置换后的密文可以看做是明文的一个全排列，因此密钥本质上是全排列置换模版。传统置换方法的优点是密钥较短，但同时导致了置换模版固定。如果可以用较短的密钥生成不同长度以及不同形式的全排列置换模版，则置换加密的效果将大大提高。本作品正是基于此考虑，利用手工折纸产生的灵感，将密钥设计为折线函数，实现了表现形式短（函数类型为初等周期函数），可产生不同长度（对折次数）和多个置换模版（不同类型的折线函数以及函数表达式中的系数值）等功能。 创新点： 密钥空间大，密钥可以是任何初等周期函数。教育部查新结论显示：利用初等周期函数作为密钥来控制生成原图像的全排列置换模板的数字图像加密算法，未见报道。 技术关键： 折纸变换技术：提取图像的数字矩阵，将其看成一张可以折叠的纸，通过一个周期函数产生折线，然后对折，根据数字矩阵对应元素之间的像素奇偶性特征进行像素置换，以此达到图像置乱和加密效果。 主要技术指标： （1）本算法密钥敏感性强，密文信息熵大，明文改变率大，置乱效率高，密钥空间大，相邻像素之间的相关性小。 （2）本算法采用分块局域变换模式，可实现图像的局部加密和良好的抗噪性能。 （3）编制的加密软件达到以下技术指标：1）可对bmp、jpg和png等图像格式加密；2）具有RGB彩色和灰度图像两种加密功能。
科学性、先进性
- （1）密钥空间大。加密密钥大小的范围，通常以位为单位，密钥的位越长，其密钥空间也就越大。就目前流行的混沌加密算法而言，它的密钥空间约为 10的30-60次方位，然而随着云计算的兴起，这些密钥空间也从某种意义上变得相对狭小起来。最近几年，国内外学者，不断引进新的混沌函数和高维混沌函数作为加密算子，并且也得到了非常好的效果，但是由于在参数的选取上存在一些限制，并且往往需要向函数内部加入一些微分和积分环节而导致算法结构复杂、运行效率低。 本作品加密算法的密钥函数库大，对周期函数的系数也没有过多限制，就某种意义而言，密钥空间可以视为无限大，因此试图用穷举方法进行攻击显然不能够实现。 （2）密钥为初等周期函数，密钥短且函数类型丰富，这样用户可自定义自己熟知的周期函数，方便客户记忆；对于软件的安全性来说，本方法可以经常更换密钥函数，有效防止攻击者通过密文反演出加密算法。
获奖情况及鉴定结果
- 校2011年挑战杯特等奖; 省第四届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛一等奖。
作品所处阶段
- 目前已经依据本算法制作成应用型软件，作品处于中试阶段。
技术转让方式
- 发明专利申请下来后，将进行专利实施许可。
作品可展示的形式
- 实物、产品；现场演示；图片；录像；样品。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术特点和优势： 本作品不仅密码子函数丰富，密钥敏感程度高，而且极大程度地扰乱了明文的统计结构。加密过程可同时置乱像素的大小和空间位置，是一个与图像自身相关的自适应加密方法，并且它的加密性能直接和图像灰度等级联系在一起，图像越精细，加密程度越好。 本作品采用分块局域变换模式，可实现图像的局部加密。 本作品根据手工折纸给予的灵感，将周期函数作为密钥（折线位置），方便客户记忆；对于软件的安全性来说，本算法可以经常更换密钥函数，有效防止攻击者通过密文反演出加密算法。 市场分析和经济预测： 随着互联网的快速发展，数字图像已经成为网络间信息表达的主要方式之一。但这些图像资料很容易被黑客窃取和破坏，给个人和公司带来严重损失，甚至会威胁到国家安全。 图像加密是图像安全保护的核心技术。它是保护图像安全的一种直接的、有效的手段。同时，图像加密还是信息隐藏和数字水印等应用中不可或缺的一项重要技术。因此，在多媒体技术应用日益广泛的今天，图像加密技术具有巨大的市场潜力和经济效益。
同类课题研究水平概述
- 目前，图像加密技术可以分为空域图像加密技术、变换域图像加密技术和压缩编码图像加密技术。空域图像加密技术有数字图像置乱技术、数字图像信息隐藏技术、数字图像水印技术、数字图像分存技术。从现状看，置乱技术是最稳健的方法之一，它的加密本质是像素置乱，不同加密方案得到的加密图像置乱程度不一样，置乱程度越高安全性越强。 数字图像置乱技术的原理是根据加密算法，将数字图像的像素空间打乱，从而形成面目全非的图像。常用的图像置乱技术主要有： 1）基于矩阵变换的置乱方法。它可以看做是裁剪和拼接的过程，通过这一过程将离散数字图像矩阵中的点重新排列，然而由于离散数字图像是有限点集，反复变换过程使图像呈现周期现象。 2）基于像素位置迁移变换的置乱方法。幻方变换是最典型的代表，它是将数字图像n阶矩阵与一个n幻方对应起来，以幻方矩阵中的元素值为顺序索引，将所有图像像素关联起来，形成环路，将图像像素沿环路移动，以实现相应的明文数字图像灰度值的位移，从而得出密文。 3）基于伪随机序列的置乱方法。所谓伪随机序列就是一方面它是可以预先确定的，并且是可以重复地生产和复制的，一方面它又具有某种随机序列的随机特性。它先由伪随机序列发生器生成序列，然后根据序列置换图像像素的位置。 4）基于混沌系统的置乱方法。混沌理论最初是由美国气象学家洛伦兹提出的“蝴蝶效应”而来，之所以适合于图像加密，是因为混沌系统迭代产生的时间序列对初始条件敏感，结构复杂难以分析和预测。因此，利用混沌系统产生伪随机序列，然后用于对明文的处理；或以混沌系统的初始条件和参数对明文进行迭代控制得到密文。但是混沌系统也存在不足之处，它是定义在无限集上，如何把定义在无限集上的混沌变换到密码特性良好、定义在有限集的密码系统上，还有待研究。 5) 近年来，人们发现将细胞自动机应用到密码系统和图像处理中具有越来越多的优点。Wolfram给出了细胞自动机在密码系统中的第一个应用，而且他还把细胞自动机引入到伪随机数的生成中,使它在流密码系统中得以应用。 数字图像加密是信息安全领域的核心技术，而目前大多数加密方法，其理论基础与技术原理由国外研究者首先提出，由于国家关键基础设施中不可能引进或采用别国的加密技术, 因此我国必须要多出自己的原创性算法以应对未来的挑战。
