數字圖像密碼算法詳解——基于C、C#與MATLAB ( 簡體 字) |
| 作者：張勇 | 類別：1. -> 教材 -> 數位影像處理
2. -> 安全 -> 加密與解密
3. -> 程式設計 -> C -> C
4. -> 工程繪圖與工程計算 -> Matlab |
| 譯者： |
| 出版社：清華大學出版社 |  3dWoo書號： 51028
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NT售價： 295 元 |
| 出版日：5/1/2019 |
| 頁數：265 |
| 光碟數：0 |
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| 印刷：黑白印刷 | 語系： ( 簡體 版 ) |
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| ISBN：9787302525950 |
| 作者序 | 譯者序 | 前言 | 內容簡介 | 目錄 | 序 |
| (簡體書上所述之下載連結耗時費功, 恕不適用在台灣, 若讀者需要請自行嘗試, 恕不保證) |
| 作者序： |
| 譯者序： |
前言：1977年，美國國家標準局，即現在的美國國家標準與技術研究院(NIST)發布了數據加密標準(DES)，這是地球上第一個用于文本信息加密的標準(為美國政府服務)。由于DES的密鑰長度僅為56位，20世紀末的個人計算機已經可以在有限的時間內借助窮舉密鑰方法破譯DES。于是2002年，NIST發布了高級加密標準(AES)取代DES。AES的密鑰長度可以取128位、192位或256位，至今仍然為文本信息的加密標準。
然而，在數字圖像加密方面，全球仍然沒有一個標準密碼算法，同時也沒有衡量圖像密碼算法優劣的一系列標準指標。有些學者認為基于文本數據的AES算法不適合于數字圖像加密，由于數字圖像具有數據量巨大、信息冗余度大、相鄰像素點相關性強等特點，AES用于數字圖像加密可能存在加密速度慢、加密效果差的缺點。事實上，這種觀點忽視了AES的強大數據加密能力。本書首先從DES和AES算法的闡述開始，詳細分析了這兩種數據加密算法應用于圖像加密時的性能特點； 然后以基于AES的圖像密碼算法的性能為比較基準，研究了3種基于混沌系統的圖像密碼算法。
全書內容共分為7章。
第1章首先回顧了圖像密碼技術的研究歷程，按時間順序，從Shannon關于保密通信的杰作開始，一直闡述到本書截稿時圖像密碼算法的最新研究成果； 然后展示了本書使用的灰度圖像以及3個軟件平臺，即MATLAB、Eclipse C和Visual Studio。其中，Eclipse C用于C語言開發，第2章的DES使用了C語言； 而Visual Studio用于C#語言開發，全部章節的圖像密碼算法均使用了C#語言。
第2章首先詳細介紹了DES算法結構及其實現方法，然后介紹了TDES（三重數據加密標準）算法及其在圖像加密方面的應用技術，并給出了MATLAB、C語言和C#語言工程。一般地，由于MATLAB庫函數豐富，所以MATLAB常用于圖像密碼算法快速實現，但是，MATLAB程序是解釋執行的(MATLAB庫函數除外)，故MATLAB程序不能用于客觀地評價圖像密碼算法的執行效率； C語言是比較圖像密碼算法執行速度的最佳語言，但是C語言程序調試復雜且圖形界面設計難度大； C#語言的執行效率較C語言稍差，但是基于面向對象技術，程序健壯，本書借助C#語言評價圖像密碼算法效率。
第3章首先深入分析了AES算法的實現技術，并設計了其MATLAB和C#實現代碼，接著，基于AES設計了兩種圖像密碼系統，即AES拟S和AES拟D。AES拟S系統是基于CBC模式使用AES加密大數據的標準結構。AES拟D系統包含兩個AES拟S系統，實現了圖像分塊的雙向加密處理。此外，附錄B介紹了優化的AES圖像加密MATLAB代碼。
第4章在第3章的基礎上，即以基于AES的圖像密碼系統(AES拟S和AES拟D系統)為例，從圖像加密/解密速度、密鑰空間、信息熵、統計特性(包括相關性分析與直方圖分析)和敏感性分析(包括密鑰敏感性分析、明文敏感性分析和密文敏感性分析)等方面討論圖像密碼系統的性能評價方法，并在本書使用的計算機配置下給出“優秀最低速度標準”和“合格最低速度標準”的定義方法及其數值，以衡量圖像密碼系統的加密/解密速度。
第5章研究了一種典型的明文關聯的圖像密碼系統（PRIC），其由兩個明文無關的擴散模塊和一個明文關聯的置亂模塊組成，采用了“擴散—置亂—擴散”的系統結構。通過設計PRIC系統的MATLAB程序和C#程序，詳細分析了PRIC的安全性能，并得出PRIC是一款優秀的圖像密碼系統的結論。
第6章研究了一種加密算法與解密算法共享的新型圖像密碼系統EADASIC。在EADASIC系統中，加密算法(含密碼發生器)與解密算法(含密碼發生器)完全相同，因此，EADASIC系統輸入為明文圖像和密鑰時，輸出為密文圖像； 而輸入為密文圖像和密鑰時，輸出為還原后的明文圖像。在詳細介紹EADASIC系統結構和算法的基礎上，設計了其MATLAB程序和C#程序，并詳細分析了其安全性能。仿真結果表明，EADASIC系統(含密碼發生器)的執行速度高于“優秀最低速度標準”，而EADASIC系統(不含密碼發生器)的執行速度超過了30Mb/s。EADASIC系統是一種高速圖像密碼系統。
第7章介紹了一種重要的新型圖像密碼系統，即融合了公鑰和私鑰的新型圖像密碼系統PKPKCIC，現有的圖像密碼系統大都隸屬于對稱密碼系統，即通信雙方共享相同的私鑰(即私密鑰)，加密處理和解密處理均由私鑰出發生成密碼矩陣，然后進行加密和解密處理。一般地，通信雙方約定的私鑰將在一定時間內持續使用，這使得已知/選擇明文或已知/選擇密文攻擊成為可能。融合公鑰與私鑰的新型圖像密碼系統中，每次加密使用不同的公鑰，公鑰與密文一起通過公共信道發送到接收方，公鑰借助私鑰生成密碼矩陣，密文圖像對公鑰極其敏感，從而可以挫敗各種被動攻擊，或者說，使得各種密碼分析方法的效率與窮舉密鑰方法相當。在詳細介紹PKPKCIC系統算法的基礎上，設計了其實現的MATLAB程序和C#程序，詳細分析了其安全性能(包括公鑰敏感性分析)，證實了PKPKCIC系統是一種優秀的圖像密碼系統。
本書是《混沌數字圖像加密》(清華大學出版社，2016)的姊妹篇。在《混沌數字圖像加密》中詳細闡述了分級密鑰圖像密碼算法、明文關聯圖像密碼算法、明文關聯置亂加密算法、加密與解密共享密碼算法等，且算法均基于MATLAB語言實現。本書第5章基于《混沌數字圖像加密》第5.3節的圖像密碼算法，并基于C#語言進行了算法實現。本書第6章和第7章是全新的圖像密碼算法。值得一提的是，本書使用的具體的混沌系統只是代表，可以選用任何能產生優秀偽隨機序列的混沌系統替代本書中算法使用的混沌系統(密碼發生器算法需要做相應的調整)。此外，書中的MATLAB程序、C語言工程和C#程序都是完整的代碼呈現，本書使用巧妙的方法組織各個程序，使其成為一個層層獨立可運行又逐層關聯疊加完整的工程。
需要強調的是： 全書仿真使用的計算機配置為Intel Core i7拟4720HQ四核處理器(主頻為2.60GHz)、32GB DDR3L 1600MHz內存、128GB SSD固態硬盤、Windows 10(64位)操作系統，使用的軟件包括Eclipse C/C++(MinGW編譯器)、Visual Studio 2017(社區版)、MATLAB R2016a(版本號： 9.0.0.341360，64位)、Mathematica 11、Word 2017、Visio 2017和福昕PDF閱讀器等。書中的算法均由MATLAB和C#語言實現，針對DES密碼算法設計了C語言的實現代碼，由于篇幅所限，書中的C#項目僅包含算法的加密與解密處理部分(算法性能分析可參考MATLAB代碼)。感謝這些優秀的數學軟件、程序設計軟件和文檔編輯軟件。數學家C.Moler的Experiments with MATLAB和程序設計大師P.Deitel、H.Deitel父子的Visual C# 2012 How to Program對作者也有很大的幫助。
本著作由國家自然科學基金(編號： 61762043，61562035，61702238)、江西省自然科學基金(編號： 20161BAB202058)和江西省教育廳科學技術研究項目(編號： GJJ160426)資助出版，特此真摯鳴謝。
特別感謝江西財經大學羅良清教授、江西財經大學鐘元生教授、南昌大學周南潤教授、華東交通大學湯鵬志教授、江西財經大學黨建武教授、廣東海洋大學葉國棟教授、湘潭大學李澄清教授，以及我的兩位授業恩師洪時中教授與陳天麒教授，對我科研工作的指導和對本書出版的大力支持。我的兩位授業恩師雖已退休多年，仍然時刻關注著科技發展和學術動態，是我從事科研工作的巨大精神支柱。感謝我的愛人賈曉天老師在煩瑣的資料整理上為我節約了大量時間； 感謝同事廖漢程博士、胡冬萍博士、唐穎軍博士和吳文華副教授等在科研工作上的共識、討論與支持； 感謝清華大學出版社趙凱編輯的細致工作。
本書在回顧圖像密碼技術研究領域時引用了大量同行專家、學者的文獻，這些參考文獻均為該研究領域中頗有影響力且備受關注的研究成果，但是限于篇幅，相信仍有大量重要的文獻資料被疏漏(特別是中文文獻資料)，敬請同行專家、學者諒解。
由于作者水平和能力有限，且該研究領域飛速發展，書中難免有不妥之處，懇請同行專家、學者和讀者朋友批評指正。
張勇于江西財經大學楓林園
2019年1月 |
內容簡介：系統地研究了新型數字圖像密碼系統及其安全性能分析，闡述了基于DES與AES的圖像密碼算法和基于混沌系統的明文關聯圖像密碼算法的MATLAB和C#語言實現技術及其安全性能。深入探討了DES和AES算法實現及其數字圖像加密應用技術；從加密/解密速度、密鑰空間、信息熵、統計特性和敏感性分析等方面研究了圖像密碼系統的性能分析方法；闡述了明文關聯的圖像密碼系統的實現算法與性能分析；討論了加密算法與解密算法相同的統一圖像密碼系統的設計方法與性能分析；詮釋了融合公鑰與私鑰的數字圖像密碼算法及其性能評價體系。 |
目錄：第1章緒論
1.1圖像加密的研究進展
1.2準備工作
1.2.1常用的灰度圖像
1.2.2MATLABR2016a數學軟件
1.2.3EclipseC集成開發環境
1.2.4VisualStudio2017集成開發環境
1.3本章小結
第2章數據加密標準
2.1DES算法
2.1.1DES加密算法
2.1.2DES解密算法
2.2TDES算法
2.2.1TDES圖像密碼系統
2.2.2TDESMATLAB程序
2.2.3TDESC程序
2.2.4TDESC#程序
2.3本章小結
第3章高級加密標準
3.1AES算法
3.1.1AES加密算法
3.1.2AES密鑰擴展算法
3.1.3AES解密算法
3.2AES圖像密碼系統
3.2.1AESMATLAB程序
3.2.2AES圖像加密MATLAB程序
3.2.3AESC#程序
3.3本章小結
第4章圖像密碼系統安全性能分析
4.1加密/解密速度
4.2密鑰空間
4.3信息熵
4.4統計特性
4.4.1相關性分析
4.4.2直方圖分析
4.5敏感性分析
4.5.1密鑰敏感性分析
4.5.2明文敏感性分析
4.5.3密文敏感性分析
4.6本章小結
第5章明文關聯的數字圖像加密算法
5.1PRIC
5.2PRICMATLAB程序
5.3PRICC#程序
5.4PRIC性能分析
5.5本章小結
第6章加密算法與解密算法共享圖像密碼系統
6.1EADASIC系統
6.2EADASICMATLAB程序
6.3EADASICC#程序
6.4EADASIC系統性能分析
6.5本章小結
第7章融合公鑰與私鑰的數字圖像密碼算法
7.1PKPKCIC系統
7.2PKPKCICMATLAB程序
7.3PKPKCICC#程序
7.4PKPKCIC系統性能分析
7.5本章小結
附錄程序代碼與數據
參考文獻 |
| 序： |
