個人本科期間項目筆記（1）：醫學圖像加密算法研究
（A Hybrid Chaotic Encryption Algorithm for Securing DICOM Images）
注：大二時期進入圖像處理和信息安全課題組學習圖像加密時，常看夏冰加密軟件技術博客，以下所有鏈接都源於此.
基礎知識：
一、淺析幾種圖像加密技術
項目採用的圖像加密技術：基於混沌的圖像加密技術
1.把待加密的圖像信息看做是按照某種編碼方式的二進制的數據流 ，利用混沌信號來對圖像數據流進行加密的 。
2.混沌之所以適合於圖像加密 ，這是與它自身的有些動力學特點密切相關的 。
採用的原因：早期的圖像加密方法主要基於現有的數據加密技術，如DES、AES等。然而，由於圖像本身的固有特性，這些方法的效率和抗攻擊能力都較弱。近年來，基於混沌的圖像加密方法越來越受到重視。與傳統的非混沌圖像加密相比，基於混沌的圖像加密具有密鑰空間大、速度快、易於實現等優點。
二、基於多混沌系統的醫學圖像加密算法
項目採用的針對醫學圖像的加密原理：利用混沌系統產生的僞隨機序列與明文進行異或操作 詳解XOR 運算加密
（可能考察）圖像文件加密與普通文件加密的不同之處在於，圖像相鄰像素之間通常存在着比較大的相關性，對圖像加密不僅要使圖像變得不可識別，還要儘可能地減小相鄰像素之間的相關性。目前國內外提出的各種混沌圖像加密算法，總結起來，主要加密原理有以下兩種形式：
1)利用混沌系統產生的僞隨機序列與明文進行異或操作，直接改變明文的值；
2）利用僞隨機序列對明文進行置亂，但由於置亂過程沒有改變像素本身的值，因此加密後圖像的顏色直方圖並沒有改變。（針對醫學圖像，不好）
結合醫學圖像數據量大、同色像素連續性高的特點，本項目採用異或的方式提出一種新的雙混沌圖像加密算法。
三、圖像加密技術的基本原理和評價標準
圖像加密系統的組成：
對於任何一個圖像加密系統，不管形如何複雜，是基於什麼加密的原理，實現的加密算法如何不同，其基本組成部分是相同的，主要包括4個部分：
1、待加密的數字圖像，成爲明圖M。
2、加密後形成的數字圖像，成爲密C。
3、加密M=Ek1©、解密算法M =Ek2（C）。
4、用於加密解密的鑰匙，稱爲密鑰K1，K2。
四、Logistic映射、Chebyshev映射
項目模型：Logistic映射和Chebyshev映射：兩種廣泛使用的用於加密的經典混沌映射。
Logistic映射是典型的非線性混沌函數，具有複雜的混沌行爲；
Chebyshev映射對其初始條件非常敏感，可以產生長期的不可預測的混沌序列。
基於混沌的圖像加密最流行步驟的主要包括三個步驟:
(i)生成密鑰作爲混沌系統的初始條件，
(ii)生成混沌序列，
(iii)使用混沌序列對像素進行XOR操作。
四、讀取並可視化DICOM圖像
方法：VTK進行讀取，然後用OpenCV處理：
要注意在使用VTK讀取的時候，要記得轉換數據類型，在轉到OpenCV上，就可以使用OpenCV顯示並處理，最後寫入（保存）。
項目細節：
一、研究結果：提出了一種新的基於混合混沌映射的DICOM圖像加密算法。
二、主要創新點：
1.雙混沌交叉擴散，使得相鄰像素間的相關性非常弱；
2.由於前一個像素和當前像素之間的異或操作，初始條件敏感性非常強；
3.它是非常有效的，具有更少的加密時間。
三、算法流程概括：
1.對兩個初始密鑰的多次迭代；
2.根據圖像像素點的奇偶位置的不同，將迭代後的初始密鑰，交換混沌映射再次迭代多次；
3.然後將迭代後的密鑰與當前像素點進行異或，並將異或後的像素值與相鄰的前一位置的像素值進行異或，並將結果爲當前的像素值；
4.依次遍歷下去，直到遍歷完整張圖像。
四、實驗配置：VS2012,OPENCV2.4
五、實驗結果與分析：
1.直方圖分析：加密後的圖像具有良好的均勻分佈，能夠有效抵抗統計攻擊。
2.像素相關性分析：這些圖像的垂直、水平和對角方向上相鄰像素之間的相關係數近乎爲0。
3.密鑰敏感性分析：將正確密鑰做較小改變，正確密鑰與錯誤密鑰相差10^15倍，解密後的圖像和原始圖像差別很大。
4.差分攻擊：評價算法抗差分攻擊敏感性的兩個重要指標是像素變化率(NPCR)和統一平均變化率(UACI)。一般情況下，數值越大，說明算法越靈敏、越好。
5.時間分析：對於不同的醫學影像，加密一張512×512的醫學影像，加密時間爲3ms左右，解密所需時間大約爲30ms。