基于物理模型的新型多媒体加密算法研究

Multimedia data has some intrinsic properties, such as bulky data capacity and high redundancy, which are generally difficult to handle by using traditional encryption techniques. Now, the protection of multimedia data, such as images and videos, is urgently needed in military, commercial and medical fields. Thus, it is necessary to design specail encryption schemes for multimedia data by considering the its traits and using new technique. This project will explore some novel encryption technique and construct new encryption models mainly based on two types of physics systems i.e., chaotic system and reversible system. The radical properties of the new encryption models will be investigated, such as digitization, self-adaptability, diffusion and security by mathematical and physical methods, which can bring theoretical support to the design of encryption algorithms. Then, we will propose some encryption algorithms for multimedia information by synthetically considering the character of multimedia data and the requirement of application. Finally，some better schemes are chosen from our proposed mulitmedia encryption algorithms according to their efficiency and safety. Meanwhile, the corrsponding hardware designs will be also implemented.The project can bring theoretical support to not noly chaos-based cipher but also the novel multimedial encryption algorithms in the fields of scheme design, quantitative analysis and safety test. Moreover, the research results can be applied to guarantee the multimedia information, which also benefit our national economy and society development.

多媒体数据由于具有数据量大、冗余度高等特性，因此传统的加密方法并不特别适合用于多媒体加密。当前，在军事、商业和医疗等领域，对图像、视频等多媒体信息的保密有迫切的需求。因此，有必要针对多媒体信息的特点，引入新的技术手段，"量身定做"相应的加密方案。本项目拟从两类物理模型，即混沌系统和可逆系统出发，探寻一些新颖的加密手段和技术，构造新的加密模型。通过数学和物理方法定量地研究模型的数字化特性、自适应性、扩散性和安全性等基本问题，为加密算法的设计和安全性论证提供理论支持。然后，结合多媒体对象的特征和应用场景的需求，有针对性的设计多媒体加密算法。最后，根据效率和安全性，对设计的多媒体加密算法加以筛选，进行硬件实现。本课题的研究，能对包括混沌密码在内的新型多媒体加密算法的设计、定量分析和安全测评提供理论支撑，同时也能将研究成果应用于实际，从而为多媒体在国民经济和社会发展中的广泛应用提供坚实的安全保障。

随着网络应用的普及与深入，多媒体信息的安全保护日益得到重视。针对多媒体信息的特点，找寻新的途径和理念设计新型的多媒体加密算法是近年来信息安全领域的一个研究热点。在本项目的资助下，我们对一些物理模型如“混沌系统”和“简单可逆系统”等的特性进行了分析，筛选出耦合混沌模型、分段混沌模型、伊辛模型和元胞自动机模型作为主要的研究对象。对这些模型的结构、状态、变换方式、动力学行为进行了深入研究。基于这些物理模型，设计了一系列的加密算法。利用混沌模型的高度非线性，设计了具有良好非线性度的S盒；将分段混沌模型作为核心部件，构建了伪随机数发生器；将分段Logistic映射作为局部映射，应用于耦合混沌模型中，增强了模型的混沌特性和密码学特性。基于耦合混沌模型提出了图像加密算法和Hash函数构造算法。将编码技术和物理模型结合，提出了基于DNA编码的图像加密算法，压缩感知模型与混沌结合的多媒体加密算法，以及改进了基于拉丁方的图像加密算法。借鉴伊辛模型设计了图加密算法。基于二维分块元胞自动机模型设计了可并行化的图像加密算法。在应用方面，提出了借助密文图像的信息隐藏方案，云环境中的密文搜索方案，二维码的信息分级保护方案。针对无线传感网络、物联网、车联网等特定应用环境，提出了一些有应用潜力的安全认证方案和敏感信息的保护方案。研究了一些加密方案的硬件设计，开发了一个完整的二值图像加密系统。本项目共发表学术论文38篇，申请专利10项，完成了预期设定的目标。本课题的研究，在非线性物理模型与信息安全交叉融合方面做了有益的探索。从基础研究的角度，为新型密码算法的设计提供了思路，为新型多媒体加密算法的定量分析和安全测评提供了一定的理论支撑。同时，设计的多媒体安全保护方案有良好的应用潜力，为多媒体在经济和社会发展中的广泛应用提供了更多的安全保障方案。