专利名称：小波图像的快速加密方法及快速加密器的制作方法
技术领域：
本发明是一种用于信息安全传输的方法和装置，尤其是图像信息安全传输中的加密方法及快速加密器。
背景技术：
由于计算机计算能力不断的提高以及基于Internet的分布式计算的发展，对密钥长度只有56bit的DES算法构成了巨大的威胁，因此，1997年4月15日美国国家标准技术研究所(NIST)发起征集高级加密标准(AES)算法的活动，并于2000年10月2日公布Rijndael作为美国新一代的数据加密标准，旨在保护政府及其他组织的敏感、非机密信息的传输。
Rijndael算法是一种数据块长度为128bits，密钥长度可变的迭代分组密码，密钥块长度可分别为128、192或256bits。由于Rijndael算法源自Square算法，其结构具有很强灵活性，易于扩展。
多媒体尤其是视频信息的处理和传输已经成为今后信息技术发展的一个重要方向，多媒体通信逐渐成为人们之间信息交流的重要手段。人们通过网络交流各种信息，进行网上贸易等。因此，信息的安全与保密显得越来越重要，技术的发展也对信息保护提出了更高的要求。一般普适性的算法对码流进行加密，算法只要求输入二进制比特流，而并不关心比特流的意义；这种加密算法的优点在于对任何数据极大的应用，每个比特的加密必然使算法的实现效率降低。
但对于多媒体信息，尤其是图像信息，传统的加密技术将其作为普通数据流进行加密，而不考虑多媒体数据的特点，有一定的局限性。
基于DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理器)的专用图像压缩加密器，市面上还没出现，在国内外也是一种空白。
发明内容
技术问题本发明的目的是提供一种具有抗攻击能力强、计算量小、处理速度快等特点的小波图像的快速加密方法及快速加密器。
技术方案本发明的小波图像的快速加密器，由DSP模块、FLASH模块、电源管理模块、时钟模块所组成，其中DSP模块的“D0～D15、A0～A15”端分别接FLASH模块的“D0～D15、A0～A15”端，DSP模块(1)的“DS#”端接FLASH模块的“CE#”端，DSP模块的“RW#、MSTRB#”端通过“逻辑门电路M”接FLASH模块的“WE#”端，DSP模块的“MSTRB#、XF”端通过“放大器F、逻辑门电路M”接FLASH模块的“OE#”端；时钟模块的“CVdd、DVdd、RST#”端分别接电源管理模块的“1OUT、2OUT、1RESET#”端；电源管理模块的“1RESET#”端接FLASH模块的“RST#”端；DSP模块的“McBSP0 BDR0”端为128bit密钥的输入端，DSP模块(1)的“McBSP1 BDR1”端为待加密的图像的输入端，DSP模块的“BDX1”端为已加密的图像的输出端。
本发明的实现步骤为1.将预编好的128bit的密钥输入加密器；2.将待压缩加密的图象数据流输入加密器；3.对图像进行二维离散小波变换处理(2-D Discrete Wavelet Transform)，将图像分解为低频分量及高频细节分量；4.将低频分量的小波系数由浮点数转化为定点数；5.将低频分量的小波系数按128bit为单元，划分为若干分组；6.利用AES(Advanced Encryption Standard，高级加密算法)算法依次对这些分组进行加密；7.将加密后的低频分量小波系数由定点数转化为浮点数；8.将低频分量和高频分量的小波系数变换回压缩图像文件；9.经过压缩和加密的图像数据流通过DSP串行口输出加密器。
一幅256×256像素图像进行小波分解后，小波系数共有65536个，而只需加密其中低频分量的256个系数(8192bit)即可达到加密的效果。
有益效果采用本方案对多幅图像进行了试验，一幅256×256像素图像进行小波分解后，小波系数共有65536个，而只需加密其中低频分量的256个系数(8192bit)即可达到加密的效果。从加密后的重新合成的图像来看，对低频分量系数的加密极大地破坏了原始图像，从而达到图像加密效果。若不知密钥，也就无法对图像进行解密。
本发明以DSP作为图像压缩和加密的专用加密器，采用Rijndael算法作为对压缩的图像的低频小波系数进行加密，具有攻击能力强、计算量小、处理速度快等特点，取得了较好的结果。将该算法移植到普通的DSP硬件平台上(该平台以TMS320VC5402为核心，包括外围的基本的数据输入输出通道)，并结合DSPs的存储器特点，以及使用相应支持软件提供的代码优化器，对算法进行综合优化，图像压缩和加解密的速度得到了很大的提高。
本发明是一种运行在普通DSP硬件平台上的小波图像的快速加密器，实现对图像的小波压缩和加密，具有抗攻击能力强、计算量小、处理速度快等特点。
我们在TMS320VC5402硬件平台上实现了小波图像压缩并加密的算法，并且对算法的进行不同层次的优化，使得加密器的运算速度的到了大幅度的提高。
图1是加密器组成模块图。其中有DSP模块1、FLASH模块2、电源管理模块3及时钟模块4。
图2是小波图像的快速加密器加密流程框图。
图3是小波图像的快速加密器左半部分的电路原理图。图4是小波图像的快速加密器右半部分的电路原理图。
具体实施例方式
本发明的小波图像的快速加密器由DSP模块1、FLASH模块2、电源管理模块3、时钟模块4所组成，其中DSP模块1的“D0～D15、A0～A15”端分别接FLASH模块2的“D0～D15、A0～A15”端，DSP模块1的“DS#”端接FLASH模块2的“CE#”端，DSP模块1的“RW#、MSTRB#”端通过“逻辑门电路M”接FLASH模块2的“WE#”端，DSP模块1的“MSTRB#、XF”端通过“放大器F、逻辑门电路M”接FLASH模块2的“OE#”端；时钟模块4的“CVdd、DVdd、RST#”端分别接电源管理模块3的“1OUT、2OUT、1RESET#”端；电源管理模块3的“1RESET#”端接FLASH模块2的“RST#”端；DSP模块1的“McBSP0 BDR0”端为128bit密钥的输入端，DSP模块1的“McBSP1 BDR1”端为待加密的图像的输入端，DSP模块1的“ BDX1”端为已加密的图像的输出端。
组成该加密器的器件列表如下
在TMS320VC5402上加解密算法的实现以及代码的优化TMS320VC5402中有两种片内存储器双寻址存储器(DARAM)和单寻址存储器。双寻址存储器的特点是允许CPU在单个周期内对其访问两次。单寻址存储器有两种形式(1)单寻址读/写存储器(SARAM)，(2)单寻址只读存储器(ROM或DROM)，CPU可以在单个周期内对每个存储单元访问一次。这两种存储器均可映射到程序空间和数据空间。另外，TMS320VC5402可以外挂片外存储器，但CPU对片外存储单元访问一次，至少要两个周期。与片外存储器相比，片内存储器具有不需要插入等待状态、成本和功耗低等优点。
与之相配套，TI公司提供了相应的代码开发集成环境--Code ComposerStudio(CCS)，它将代码生成工具和调试工具集成在一起，可以提供处理器信息和监视程序性能。CCS能在一个控制窗口内使用所有的工具。
CCS自带有代码优化器Optimizer，它能够对包含在CCS Project里面的所有源代码进行4个不同层次的优化寄存器(Register)级优化、局部变量(Local)级优化、全局变量(Global)级优化、文件(FILE)级优化，这4个层次的优化范围和程度是逐步扩展和深化的。
我们在TMS320VC5402硬件平台上实现了小波图像压缩并加密的算法，并且对算法的进行不同层次的优化，使得加密器的运算速度的到了一定提高。小波图像的快速加密器，可以通过随机发生器产生密钥或者通过串行口McBSP将预编好的密钥灌入加密器，然后，数据流(图像数据)通过DSP的串口构成的双向通道进入加密器，在美国德州仪器公司的TMS320C5402 DSP芯片上实现图像的小波压缩和加密或解密运算。
本发明的实现步骤为1).通过串行口将预编好的密钥灌入加密器；2).图像数据流通过DSP的串口构成的双向通道进入加密器；3).对图像进行二维离散小波变换处理，将图像分解为低频分量及高频细节分量；4).将低频分量的小波系数由浮点数转化为定点数；5).将低频分量的小波系数按128bit为单元划分为若干分组；6).利用AES算法依次对这些分组进行加密；7).将加密后的低频分量小波系数由定点数转化为浮点数；8).将低频分量和高频分量的小波系数组合生成压缩图像文件；9).经过压缩和加密的图像数据流通过DSP的串口输出加密器。
一幅256×256像素图像进行小波分解后，小波系数共有65536个，而只需加密其中低频分量的256个系数(8192bit)即可达到加密的效果。
采用本发明的方法对多幅图像进行了试验，以一幅256×256像素的图像为例作上述处理，先用二维离散小波变换将图像分解为低频分量及高频细节分量，然后将低频分量的小波系数(由于是浮点数无法进行位操作，先将其转化为定点数)按128bit为单元划分为若干分组，最后利用AES算法依次对这些分组进行加密。
从加密后的重新合成的图像来看，对低频分量系数的加密极大地破坏了原始图像，从而达到图像加密效果。若不知密钥，也就无法对图像进行解密。同时可以看出，小波分解的级数越高，加密低频分量的效果越差，这是因为未加密的其他分量上保留了更多的高频细节信息，增加加密的分组数，可以增强加密的效果，但是也加大了加密的运算量。
小波图像加密算法性能分析常用于图像数据压缩的客观评价标准是用峰值信噪比PSNR，对像素数为N×N的图像定义为 其中 分别是N×N图像的第(m，n)个像素的灰度值和经压缩解压后的灰度值。我们对一幅512×512像素的LENNA图像进行编码，得到如下结果
未加密的图像和加密的图像相比，其微弱的PSNR下降来源于加密时小波系数浮点数和定点数之间的转化失真，加解密算法本身对信息是无损的。
权利要求
1.一种小波图像的快速加密器，其特征在于该加密器由DSP模块(1)、FLASH模块(2)、电源管理模块(3)、时钟模块(4)所组成，其中DSP模块(1)的“D0～D15、A0～A15”端分别接FLASH模块(2)的“D0～D15、A0～A15”端，DSP模块(1)的“DS#”端接FLASH模块(2)的“CE#”端，DSP模块(1)的“RW#、MSTRB#”端通过“逻辑门电路M”接FLASH模块(2)的“WE#”端，DSP模块(1)的“MSTRB#、XF”端通过“放大器F、逻辑门电路M”接FLASH模块(2)的“OE#”端；时钟模块(4)的“CVdd、DVdd、RST#”端分别接电源管理模块(3)的“1OUT、2OUT、1RESET#”端；电源管理模块(3)的“1RESET#”端接FLASH模块(2)的“RST#”端；DSP模块(1)的“McBSP0 BDR0”端为128bit密钥的输入端，DSP模块(1)的“McBSP1 BDR1”端为待加密的图像的输入端，DSP模块(1)的“BDX1”端为已加密的图像的输出端。
2.一种应用于权利要求1所述的小波图像的快速加密器的加密方法，其特征在于其步骤为1)通过串行口将预编好的密钥灌入加密器；2)图像数据流通过DSP的串口构成的双向通道进入加密器；3)对图像进行二维离散小波变换处理，将图像分解为低频分量及高频细节分量；4)将低频分量的小波系数由浮点数转化为定点数；5)将低频分量的小波系数按128bit为单元划分为若干分组；6)利用AES算法依次对这些分组进行加密；7)将加密后的低频分量小波系数由定点数转化为浮点数；8)将低频分量和高频分量的小波系数组合生成压缩图像文件；9)经过压缩和加密的图像数据流通过DSP的串口输出加密器。
全文摘要
小波图像的快速加密方法及快速加密器是一种用于信息安全传输的方法和装置，该加密器由DSP模块1、FLASH模块2、电源管理模块3、时钟模块4所组成，其加密方法为1)通过串行口将预编好的密钥灌入加密器；2)图像数据流通过DSP的串口构成的双向通道进入加密器；3)将图像分解为低频分量及高频细节分量；4)将低频分量的小波系数由浮点数转化为定点数；5)将低频分量的小波系数按128bit为单元划分为若干分组；6)利用AES算法依次对这些分组进行加密；7)将加密后的低频分量小波系数由定点数转化为浮点数；8)将低频分量和高频分量的小波系数组合生成压缩图像文件；9)经过压缩和加密的图像数据流通过DSP的串口输出加密器。
文档编号G06F17/10GK1527249SQ0315833
公开日2004年9月8日 申请日期2003年9月25日 优先权日2003年9月25日
发明者吴蒙, 杨宁健, 王梅, 吴 蒙 申请人:南京邮电学院