基于混沌浮点运算的医学图像加密方法与FPGA实现
2023年电子技术应用第1期
庞宇1，魏东1，王俊超2
1.重庆邮电大学 光电信息感测与信息传输实验室 重庆400065；2.重庆大学 微电子与通信工程学院，重庆400044
摘要： 针对医学图像数据在互联网传输中的高机密性需求，提出一种基于Logistic混沌浮点数运算的加密方法用于医学图像加密。在该加密方法中，结合双精度浮点运算设计了基于Logistic混沌的伪随机数序列发生器（PRNG），并采用硬件描述语言 Verilog对PRNG进行了硬件描述。在Altera公司Cyclone IV系列DE2-115开发平台上实现了加密方法综合设计。从密钥敏感性测试、直方图分析、相关性检验、信息熵处理等密码学角度分析了加密算法的安全性。通过将文中提出的图像加密算法与现有的一些图像加密算法进行比较，发现经过该加密算法加密后图像具有对密钥敏感、相关系数小、信息熵高等特点。此外，基于FPGA的硬件加密系统加密稳定性高，实时性好。
中图分类号：TP309
文献标志码：A
DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.222975
中文引用格式： 庞宇，魏东，王俊超. 基于混沌浮点运算的医学图像加密方法与FPGA实现[J]. 电子技术应用，2023，49(1)：135-140.
英文引用格式： Pang Yu，Wei Dong，Wang Junchao. A medical image encryption method based on chaos floating-point operation and its realization by FPGA[J]. Application of Electronic Technique，2023，49(1)：135-140.
文献标志码：A
DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.222975
中文引用格式： 庞宇，魏东，王俊超. 基于混沌浮点运算的医学图像加密方法与FPGA实现[J]. 电子技术应用，2023，49(1)：135-140.
英文引用格式： Pang Yu，Wei Dong，Wang Junchao. A medical image encryption method based on chaos floating-point operation and its realization by FPGA[J]. Application of Electronic Technique，2023，49(1)：135-140.
A medical image encryption method based on chaos floating-point operation and its realization by FPGA
Pang Yu1，Wei Dong1，Wang Junchao2
1.Photoelectronic Information Sensing and Transmission Technology Laboratory，Chongqing University of Posts and Telecommunications，Chongqing 400065，China；2.School of Microelectronics and Communication Engineering，Chongqing University，Chongqing 400044，China)
Abstract： Aiming at the high confidentiality requirement of medical image data transmission in the Internet, an encryption method based on Logistic chaotic floating point number operation is proposed for medical image encryption. In this encryption method, PRNG based on Logistic chaos was designed with double-precision floating-point operations and described by the Verilog . The comprehensive design of encryption method is realized on the development platform of Cyclone IV series DE2-115 of Altera Corporation. The security of encryption algorithm is analyzed from the cryptographic perspectives such as key sensitivity test, histogram analysis, correlation test, information entropy processing, etc. By comparing with some existing image encryption algorithms, it is found that the image encrypted by this encryption algorithm has the characteristics of being sensitive to keys, small correlation coefficient and high information entropy. In addition, the FPGA-based hardware encryption system has high encryption stability and good real-time performance.
Key words : image encryption；chaos map；floating point arithmetic；PRNG；FPGA
0 引言
目前，互联网技术的快速发展使电子医疗变得便捷可行和普遍流行。电子医疗提供了一种基于互联网系统的远程、在线就医技术。患者可以联系专家医生进行在线诊断。在线就医过程中，一些涉及患者隐私的医学图像数据需要通过互联网存储和传输，在此过程中可能会面临数据泄露问题。而数据加密是避免医学图像数据泄露、保护隐私的最佳方法。与普通图像相比，医学图像具有的冗余、数据量大、像素相关性大等特点[1-2]，使得类似于AES等传统的加密技术对医学图像这类特殊格式数据的加密效率低下[3]。医学图像加密算法不仅需要很高的安全性，还需要可观的加密速度。
基于混沌算法的伪随机数生成器（Pseudo Random Number Generator , PRNG）生成的伪随机序列对初始值极度敏感、周期长、密钥空间大，与其他数据序列相比在安全性上具有明显的优势，用于医学图像加密具有很可观的加密效果[4]。除了算法严格性外，一种有效的加密系统实现技术可保证加密的速度得到提升。而硬件实现的方式在能够满足应用实时性的同时又可以防止运行算法的攻击[5]。现场可编程逻辑器件（Field -Programmable Gate Array ，FPGA）以其高并行、可定制、能重构、低成本等特点十分适合于混沌加密算法的硬件实现[6]。
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作者信息：
庞宇1，魏东1，王俊超2
（1.重庆邮电大学 光电信息感测与信息传输实验室 重庆400065；2.重庆大学 微电子与通信工程学院，重庆400044）
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