【图像加密】基于AES实现图像加解密附Matlab代码

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🔥 内容介绍

随着信息技术的飞速发展和数字图像在各个领域的广泛应用，图像数据的安全问题日益凸显。图像作为一种重要的信息载体，其保密性、完整性和可用性至关重要。为了保护图像数据免遭未经授权的访问、篡改或窃取，图像加密技术应运而生。图像加密旨在将原始图像数据变换为一种无法直接理解的形式，只有通过解密算法才能恢复原始图像。本文将深入探讨基于高级加密标准（Advanced Encryption Standard, AES）的图像加解密实现，阐述AES算法的基本原理，分析图像加密的具体步骤，并对安全性问题进行细致的考量。

AES算法概述：分组密码的基石

AES算法是一种对称分组密码算法，由美国国家标准与技术研究院（NIST）于2001年正式发布，旨在取代数据加密标准（Data Encryption Standard, DES），成为新的数据加密标准。AES算法基于Rijndael算法设计，具有高度的安全性、效率和灵活性，被广泛应用于各种加密应用中，包括数据存储、网络通信以及图像加密等领域。

AES算法的基本原理是将明文数据分成固定大小的块（128位），然后通过一系列的加密变换，将每个明文块转换为密文块。AES支持三种密钥长度：128位、192位和256位，分别对应AES-128、AES-192和AES-256。密钥长度的选择直接影响加密的安全性，密钥越长，破解难度越大。

AES算法的加密过程主要包含以下四个步骤：

1. SubBytes（字节替换）：

    将状态矩阵中的每个字节通过查找S盒进行替换。S盒是一个预定义的查找表，用于提供非线性变换，增强算法的抗攻击能力。

2. ShiftRows（行移位）：

    对状态矩阵的每一行进行循环左移。第一行不移动，第二行循环左移1个字节，第三行循环左移2个字节，第四行循环左移3个字节。该步骤的作用是扩散，使状态矩阵中的信息在不同行之间传播。

3. MixColumns（列混淆）：

    对状态矩阵的每一列进行矩阵乘法运算。该步骤的作用是进一步扩散，使状态矩阵中的信息在不同列之间传播。MixColumns操作涉及到有限域GF(2⁸)上的多项式运算。

4. AddRoundKey（轮密钥加）：

    将状态矩阵与轮密钥进行异或运算。轮密钥由主密钥通过密钥扩展算法生成，每一轮使用不同的轮密钥。该步骤将密钥信息注入到加密过程中，使加密过程与密钥紧密相关。

以上四个步骤构成一轮加密变换，AES算法需要进行多轮加密变换才能完成完整的加密过程。轮数取决于密钥长度：AES-128需要进行10轮，AES-192需要进行12轮，AES-256需要进行14轮。解密过程是加密过程的逆过程，需要进行逆字节替换、逆行移位、逆列混淆和轮密钥加等操作。

基于AES算法的图像加解密实现

将AES算法应用于图像加密需要进行一定的适配。首先，需要将图像数据转换为字节流，并将其分割成固定大小的块（例如，128位）。然后，利用AES算法对每个数据块进行加密。由于图像数据通常包含冗余信息，直接使用AES加密可能会导致一定的统计规律泄露，从而降低安全性。因此，在图像加密之前，通常需要对图像数据进行预处理，例如，置乱、扩散等操作，以增强加密效果。

以下是一种常见的基于AES算法的图像加解密实现步骤：

1. 预处理：

    对原始图像进行预处理，例如，将彩色图像转换为灰度图像，或者将图像进行分块置乱，打乱像素的位置，以消除像素之间的相关性。

2. 密钥生成：

    根据选择的AES算法（AES-128、AES-192或AES-256），生成相应的密钥。密钥的安全性至关重要，应采用安全的密钥生成方法，例如，随机数生成器，并妥善保管密钥。

3. 图像分块：

    将预处理后的图像数据分割成固定大小的块（例如，128位），作为AES算法的明文输入。如果最后一个块的数据长度不足128位，则需要进行填充，例如，采用PKCS7填充方法。

4. AES加密：

    对每个数据块进行AES加密，生成相应的密文块。

5. 图像合成：

    将加密后的密文块按顺序组合成加密后的图像。

6. 解密：

    解密过程是加密过程的逆过程。首先，将加密后的图像数据分割成固定大小的块，然后利用AES算法对每个密文块进行解密，生成相应的明文块。

7. 后处理：

    将解密后的明文块按顺序组合成原始图像数据。如果加密过程中进行了填充，则需要在解密后进行去除填充操作。如果加密过程中进行了预处理，则需要进行相应的逆预处理操作，以恢复原始图像。

⛳️ 运行结果

🔗 参考文献

[1] 吴斌.CCSDS图像压缩和AES加密算法研究及其FPGA实现[D].大连理工大学,2006.DOI:10.7666/d.y1030426.

[2] 孙冰.基于GPGPU的高效AES彩色数字图像加密技术的研究与实现[D].电子科技大学[2025-04-05].DOI:CNKI:CDMD:2.2010.233283.

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