淺析基于多混沌系統(tǒng)的醫(yī)學(xué)圖像加密算法
ice 隨著計(jì)算機(jī)、通信技術(shù)和區(qū)域醫(yī)療協(xié)同服務(wù)的不斷發(fā)展，信息的安全與保密顯得越來(lái)越重要。醫(yī)學(xué)圖像作為診斷依據(jù)的重要部分需要在公網(wǎng)上傳播，為了防止病人敏感信息的非法泄漏，研究醫(yī)學(xué)圖像加密有著重要的意義。
混沌是指一種由非線性確定系統(tǒng)產(chǎn)生的類隨機(jī)行為，它具有以下特征：
隨機(jī)性：混沌系統(tǒng)產(chǎn)生的混沌序列表現(xiàn)出類隨機(jī)行為，具有長(zhǎng)期不可預(yù)測(cè)性。
確定性：只要初始參數(shù)確定，產(chǎn)生的混沌序列即確定。
遍歷性：混沌系統(tǒng)將以一種不重復(fù)的方式遍歷相空間中的所有取值。
利用混沌系統(tǒng)的這些特點(diǎn)可以設(shè)計(jì)出密鑰空間大、加密流隨機(jī)性高的加密算法，混沌加密近年在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域成為了研究熱點(diǎn)，大量混沌圖像加密算法被提出來(lái)。
圖像加密與普通文件加密的不同之處在于，圖像相鄰像素之間通常存在著比較大的相關(guān)性，對(duì)圖像加密不僅要使圖像變得不可識(shí)別，還要盡可能地減小相鄰像素之間的相關(guān)性。目前國(guó)內(nèi)外提出的各種混沌圖像加密算法，有的通過(guò)Logistic函數(shù)生成混沌序列進(jìn)行加密，有的通過(guò)DCT變換、Arnold變換進(jìn)行加密，但總結(jié)起來(lái)，主要加密原理有以下兩種形式：
1)利用混沌系統(tǒng)產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列與明文進(jìn)行異或操作，直接改變明文的值，通過(guò)這種方式進(jìn)行加密可使圖像明文轉(zhuǎn)變?yōu)橐幌盗袩o(wú)規(guī)則“噪聲”，能有效防止統(tǒng)計(jì)攻擊；
2)利用偽隨機(jī)序列對(duì)明文進(jìn)行重新排序，通過(guò)這種方式加密能有效地對(duì)圖像進(jìn)行置亂，使加密后的密文圖像具有一定的魯棒性，但由于置亂過(guò)程沒(méi)有改變像素本身的值，因此加密后圖像的顏色直方圖并沒(méi)有改變。結(jié)合醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)量大、同色像素連續(xù)性高的特點(diǎn)，采用異或的方式提出一種新的混沌圖像加密算法。
圖像加密算法創(chuàng)新
醫(yī)學(xué)圖像的特點(diǎn)是兩高一大(高分辨率、高精度、大數(shù)據(jù)量)，這就要求算法具備較高的運(yùn)行效率。對(duì)于混沌系統(tǒng)，通常高維混沌系統(tǒng)產(chǎn)生的加密序列有較高的安全性，但運(yùn)行速度較慢。低維混沌系統(tǒng)產(chǎn)生加密序列速度快，卻容易受到非線性預(yù)測(cè)、相重構(gòu)等方式的攻擊。綜合考慮算法運(yùn)行效率與安全性，本文的算法將采用多個(gè)一維混沌系統(tǒng)混合的方式產(chǎn)生加密序列，并通過(guò)加密序列與圖像進(jìn)行異或操作進(jìn)行加/解密。
醫(yī)學(xué)圖像通常有著大片連續(xù)的區(qū)域存在顏色相同的像素··點(diǎn)，算法若簡(jiǎn)單地采用加密序列與明文異或的方式生成密文，密碼攻擊者容易根據(jù)這片連續(xù)的區(qū)域分析對(duì)應(yīng)密鑰序列的情況。所以加密算法應(yīng)該以某種方式改變這種由于明文而導(dǎo)致密文單一變化的情況，本文算法通過(guò)在加密過(guò)程中加入雙重反饋解決這一問(wèn)題。
圖像加密速度
醫(yī)學(xué)圖像成像精度通常較高，所生成的圖像大小相對(duì)較大，所以算法的加密速度也是一個(gè)關(guān)鍵因素。加密時(shí)間與圖像大小基本成線性關(guān)系，對(duì)大小為3M的醫(yī)學(xué)圖像可在1s內(nèi)完成加密運(yùn)算，符合實(shí)際應(yīng)用需求。
圖像加密算法安全性分析
混沌系統(tǒng)在理論上是一個(gè)無(wú)限周期的偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，但在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)時(shí)，由于計(jì)算機(jī)只能進(jìn)行有限精度的計(jì)算，系統(tǒng)將不可避免地退化為一個(gè)周期函數(shù)，在加密過(guò)程若因周期問(wèn)題產(chǎn)生了重復(fù)的密鑰流，將大大降低算法的安全性。在本算法中，密鑰流是由多個(gè)混沌系統(tǒng)共同產(chǎn)生的，每個(gè)混沌系統(tǒng)在加密時(shí)都會(huì)由一個(gè)流長(zhǎng)度生成點(diǎn)來(lái)決定下一個(gè)混沌系統(tǒng)產(chǎn)生的密鑰長(zhǎng)度。這一個(gè)隨機(jī)生成的加密流長(zhǎng)度取值較小，混沌系統(tǒng)間能緊密地相互作用，攻擊者難以對(duì)其進(jìn)行單一的分析，而且即使算法中的某一混沌系統(tǒng)在加密過(guò)程已經(jīng)到達(dá)周期長(zhǎng)度，只要該系統(tǒng)在進(jìn)行系統(tǒng)切換時(shí)的流長(zhǎng)度決定點(diǎn)沒(méi)有停留在之前周期的同一個(gè)點(diǎn)，整體的密鑰流依然可以看成是非周期的。系統(tǒng)的加密周期由所選的混沌系統(tǒng)共同決定，足以應(yīng)用于大數(shù)據(jù)量的醫(yī)學(xué)圖像加密中。可見(jiàn)算法有著較高的運(yùn)行效率，能滿足在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。
