基于混沌和比特级置乱的并行图像加密算法
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温万里，游林
（杭州电子科技大学通信工程学院，浙江杭州 310018）
摘 要：文章提出一种基于混沌和比特级置乱的并行图像加密算法——CBLP 算法。该算法主要包
含3种基本运算：像素位置置换、比特旋转（BR）以及像素值异或（XOR）运算，其中位置置换用于
置乱像素位置，BR 和XOR 运算用于扩散图像的像素值。另外，为充分利用当前异构处理平台的计算
资源以大幅提升算法的执行效率，文章在NIVIDIA GeForce GTX 580 GPU 上使用OpenCL 技术并行实
现了该算法。实验结果和数值分析表明，CBLP 算法具有较高的加密效率和良好的安全性，可以有效地
应用于实际加密当中，具有较高的应用价值。
关键词：图像加密；异构并行计算；OpenCL ；混沌映射
中图分类号：TP309 文献标识码： A 文章编号：1671-1122（2014）04-0040-06
A Parallel Image Encryption Algorithm based on Chaotic and Bit Level Permutation
WEN Wan-li, YOU Lin
(School of Communication Engineering, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou Zhejiang 310018, China )Abstract: This paper proposes a parallel image encryption algorithm based on chaotic and bit level permutation
(CBLP). The CBLP algorithm includes the pixel position permutation operation, bit rotation and XOR operation, and
therefore the image is confused by the pixel position permutation and diffused by the bit rotation and XOR operation.
In order to take full advantage of the heterogeneous processing platform to enhance the efficiency of the algorithm
substantially, an OpenCL-based implementation of the algorithm with NVIDIA's GeForce GTX 580 GPU device has
been shown in this paper. Comparing to the implementation on CPU, the CBLP algorithm has the high encryption
efficiency and the high security, and can be used effectively in practical encryption operation.
Key words: image encryption; heterogeneous parallel computing; OpenCL; chaotic map
基于混沌和比特级置乱的并行图像加密算法
0引言
近年来，数字图像加密技术得到了空前的发展，各种各样的图像加密算法层出不穷。这些算法的出现极大丰富了图像加密技术的内容，在数字多媒体安全保护方面体现了极大的应用价值[1-4]。但是，当前的绝大多数图像加密算法都是基于CPU 开发的[1-3]，没有考虑到图像加密的可并行性，因而只能在CPU上串行执行。这样导致的直接后果就是开发出来的图像加密算法不能满足人们在实时图像加密中对加密速度的要求，因而无法得到普及和推广。对于实时图像传输，若加密算法的运行速度很慢，即使这些算法的安全性很高，也不具有实用价值。因此，如何设计一种高效、安全的图像加密算法是图像加密技术遇到的一个重要挑战。
当今计算机系统通常包含高度并行的CPU、GPU 和其他类型的处理器，因此如何充分、合理利用这些异构处理平台的优势变得非常重要[5]。开放计算语言（OpenCL ）作为面向异构系统的工业标准，其表现出的强大的异构并行计算能力得到人们的广泛关注[6,7]。使用OpenCL 可以编写能访问所有可用编程资源的应用程序，包括CPU、GPU 和其他处理器等。收稿日期： 2014-01-24
基金项目： 国家自然科学基金[61272045]、浙江省自然科学基金[R1090138]
作者简介： 温万里（1987-），男，安徽，硕士研究生，主要研究方向：信息安全与密码学；游林（1966-），男，江西，教授，博士，主要研究方向：密码学与信息安全。
doi ：10.3969/j.issn.1671-1122.2014.04.008