CN113452688A - 一种基于sm4与sm2算法的图像加密与解密方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于SM4与SM2算法的图像加密与解密方法及装置，该加密方法包括：获取待加密的彩色数字图像进行预处理，将预处理后的数据进行段分割，每段为N字节的数据流，末尾段不足N字节时，采用标识符进行数据填充；将每段数据采用预设模式进行SM4加密，获得相应每段的加密数据；利用SM2对SM4的对称密钥进行非对称加密，得到SM4对称密钥的加密密文；将彩色数字图像对应的加密数据、SM4对称密钥的加密密文、彩色数字图像的长度和宽度，作为加密结果进行存储、传输。该方法可提升其加密的稳定性与安全性，使得非法攻击者难以破解截获的加密图像信息，又能大幅降低计算复杂度，有利于大数据量图像信息的加密维护。

Description

一种基于SM4与SM2算法的图像加密与解密方法及装置
技术领域
本发明属于计算机信息安全技术领域，特别涉及一种基于SM4与SM2算法的图像加密与解密方法。
背景技术
现有的图像加密技术不但加密效率低下，还存在严重的安全隐患。其中一类图像加密算法是通过裁剪、拼接、置乱、分割与重组等对图像进行空间域的简单操作，其安全性能较差，极易被破解。另一类图像加密算法通过复杂加密算法，比如使用压缩加密方法jpeg、熵编码等，使得其计算效率大大降低，同时造成图像数据一定程度的失真，限制了其在医疗、遥感等数据精度敏感度极高领域的应用。
因此，针对现有的图像加密如何提高加密安全性，如何提高加密计算效率，且不易对图像造成失真，成为同行从业人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于SM4与SM2算法的图像加密与解密方法及装置，可解决彩色图像加密安全性低、加密计算效率低且容易造成图像失真的问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
第一方面，本发明实施例提供一种基于SM4与SM2算法的图像加密方法，包括：
获取待加密的彩色数字图像进行预处理；
将预处理后的数据进行段分割，每段为N字节的数据流，末尾段不足N字节时，采用标识符进行数据填充；
将每段数据采用预设模式进行SM4加密，获得相应每段的加密数据；
利用SM2对SM4的对称密钥进行非对称加密，得到所述SM4对称密钥的加密密文；
将所述彩色数字图像对应的加密数据、所述SM4对称密钥的加密密文、所述彩色数字图像的长度和宽度，作为加密结果进行存储、传输。
进一步地，获取待加密的彩色数字图像进行预处理，包括：
获取待加密的彩色数字图像，变换为三个单通道灰度图像；
将所述三个单通道灰度图像从二维数据格式变换为一维数据。
进一步地，将预处理后的数据进行段分割，每段为N字节的数据流，末尾段不足N字节时，采用标识符进行数据填充，包括：
对一维数据进行段分割，分为每段为8、16、24或32字节的数据流，末尾段不足相应字节时，采用标识符进行数据填充。
进一步地，将每段数据采用预设模式进行SM4加密，获得相应每段的加密数据，包括：
将每段数据采用ECB、CBC、CFB、OFB或CTR模式进行SM4加密，获得相应每段的加密数据。
第二方面，本发明实施例还提供一种基于SM4与SM2算法的图像加密装置，包括：
获取预处理模块，用于获取待加密的彩色数字图像进行预处理；
分割填充模块，用于将预处理后的数据进行段分割，每段为N字节的数据流，末尾段不足N字节时，采用标识符进行数据填充；
SM4加密模块，用于将每段数据采用预设模式进行SM4加密，获得相应每段的加密数据；
SM2加密模块，利用SM2对SM4的对称密钥进行非对称加密，得到所述SM4对称密钥的加密密文；
存储传输模块，用于将所述彩色数字图像对应的加密数据、所述SM4对称密钥的加密密文、所述彩色数字图像的长度和宽度，作为加密结果进行存储、传输。
第三方面，本发明实施例还提供一种基于SM4与SM2算法的图像解密方法，包括：
利用SM2的私钥对SM4对称密钥的加密密文进行SM2解密，得到SM4的对称密钥；
利用SM4的对称密钥对彩色数字图像对应的加密数据，进行SM4的预设模式解密运算，得到每段为N字节大小的原始图像数据块；当最后一个数据块存在填充的标识符时，剔除标识符；
根据所述加密结果中的彩色数字图像的长度和宽度，将解密后的图像数据恢复成彩色数字图像。
第四方面，本发明实施例还提供一种基于SM4与SM2算法的图像解密装置，包括：
SM2解密模块，用于利用SM2的私钥对SM4对称密钥的加密密文进行SM2解密，得到SM4的对称密钥；
SM4解密模块，利用SM4的对称密钥对彩色数字图像对应的加密数据，进行SM4的预设模式解密运算，得到每段为N字节大小的原始图像数据块；当最后一个数据块存在填充的标识符时，剔除标识符；
恢复模块，根据所述加密结果中的彩色数字图像的长度和宽度，将解密后的图像数据恢复成彩色数字图像。
与现有技术相比，本发明具有优势如下：
本发明实施例提供的基于SM4与SM2算法的图像加密方法，与以往通过置乱、分割等空间域操作相比，能大大提升其加密的稳定性与安全性，使得非法攻击者难以破解截获的加密图像信息；与传统压缩加密方法相比，又能大幅降低计算复杂度，有利于大数据量图像信息的加密维护。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于SM4与SM2算法的图像加密方法流程图；
图2为本发明实施例提供的基于SM4与SM2算法的图像加密装置框图；
图3为本发明实施例提供的基于SM4与SM2算法的图像解密方法流程图；图4为本发明实施例提供的基于SM4与SM2算法的图像解密装置框图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
本发明提供的一种基于SM4与SM2算法的图像加密方法，参照图1，包括：
S10、获取待加密的彩色数字图像进行预处理；
S20、将预处理后的数据进行段分割，每段为N字节的数据流，末尾段不足N字节时，采用标识符进行数据填充；
S30、将每段数据采用预设模式进行SM4加密，获得相应每段的加密数据；
S40、利用SM2对SM4的对称密钥进行非对称加密，得到所述SM4对称密钥的加密密文；
S50、将所述彩色数字图像对应的加密数据、所述SM4对称密钥的加密密文、所述彩色数字图像的长度和宽度，作为加密结果进行存储、传输。
本实施例中，首先对彩色数字图像进行预处理，将其变换成三个单通道灰度图像；然后将灰度图像从二维数据格式变换为一维数据；对一维数据进行段分割，比如分为每段为16字节的数据流，当最后一段数据流字节不足16位时，需要进行数据填充，比如可均填充数字0；当然也可以是8、24或32字节，最后一段不足位数均需要填充；依次作为加密算法的输入数据；然后对每段数据依次进行迭代ECB模式(可选CBC、CFB、OFB、CTR等模式)的SM4加密，得到每段的加密数据；利用SM2对SM4的对称密钥进行非对称加密，得到密钥的加密密文；最后将加密的图像数据、加密的对称密钥、原始图像的长度和宽度进行存储、传输。
上述迭代ECB模式，简单、运算快速，支持并行处理(加密、解密)；CBC模式也支持并行处理，但仅限于解密，明文的重复排列不会反映在密文中。在上述5种模式，一般推荐CBC模式和CTR模式，尤其是CTR模式，不需要填充，代码实现起来很方便。而且加密和解密的方法是一样的，并且可以实现并发分组，效率高，安全性也有保障。
该加密方法与以往通过置乱、分割等空间域操作相比，能大大提升其加密的稳定性与安全性，使得非法攻击者难以破解截获的加密图像信息；与传统压缩加密方法相比，又能大幅降低计算复杂度，有利于大数据量图像信息的加密维护。
进一步地，上述步骤S10中，通常获得的是彩色图像，需要将彩色图像转换成灰度图像，也就是3个通道(RGB)转换成1个通道；并进一步由三个单通道灰度图像从二维数据格式变换为一维数据。本公开实施例对此不做限定，将彩色数字图像转换为灰度图像，并由二维转换为一维数据格式的其他方法均可。
SM4加密的主要步骤包括上述的分组、填充，还包括迭代；而迭代的算法是最为核心的部分，可参考最为著名的Feistel分组加密结构。
影响Feistel结构的因素有如下5个：
(1)块的大小：大的块会提高加密的安全性，但是会降低加密、解密的速度。比较流行的这种方案是64bits(对应8字节)。而128bits(对应16字节)的使用也比较广泛。
(2)密钥的大小：同上。现在流行的是64bits，而128bits正逐渐成为主流。
(3)循环次数(轮次数)：每多进行一轮循环，安全性就会有所提高。现阶段比较流行的是16轮。
(4)子密钥的生成算法：生成算法越复杂，则会使得密码被破译的难度增强，即，信息会越安全。
(5)轮函数的复杂度：轮函数越复杂，则安全性越高。
实施例2：
本发明实施例还提供一种基于SM4与SM2算法的图像加密装置，参照图2所示，包括：
获取预处理模块21，用于获取待加密的彩色数字图像进行预处理，
分割填充模块22，用于将预处理后的数据进行段分割，每段为N字节的数据流，末尾段不足N字节时，采用标识符进行数据填充；
SM4加密模块23，用于将每段数据采用预设模式进行SM4加密，获得相应每段的加密数据；
SM2加密模块24，利用SM2对SM4的对称密钥进行非对称加密，得到所述SM4对称密钥的加密密文；
存储传输模块25，用于将所述彩色数字图像对应的加密数据、所述SM4对称密钥的加密密文、所述彩色数字图像的长度和宽度，作为加密结果进行存储、传输。
该加密装置，也能大大提升其加密的稳定性与安全性，使得非法攻击者难以破解截获的加密图像信息；与传统压缩加密方法相比，又能大幅降低计算复杂度，有利于大数据量图像信息的加密维护。
实施例3：
本发明实施例还提供一种基于SM4与SM2算法的图像解密方法，参照图3所示，包括：
S100、获取如上述实施例1加密方法的加密结果；利用SM2的私钥对SM4对称密钥的加密密文进行SM2解密，得到SM4的对称密钥；
S200、利用SM4的对称密钥对彩色数字图像对应的加密数据，进行SM4的预设模式解密运算，得到每段为N字节大小的原始图像数据块；当最后一个数据块存在填充的标识符时，剔除标识符；
S300、根据所述加密结果中的彩色数字图像的长度和宽度，将解密后的图像数据恢复成彩色数字图像。
本实施例解密过程为：首先利用私钥对加密的密钥进行SM2解密，得到SM4的对称密钥；比如加密时采用ECB模式，分割每段为16字节；那么利用解密的对称密钥对加密的图像数据进行SM4的ECB模式解密运算，得到每个16字节大小的原始图像数据块，当最后一个数据块存在标识符，比如0时，则同时去除最后一个数据块的填充数据；根据图像的长度和宽度数据将解密后的图像数据从一维变换为二维数据，得到单通道的灰度图像；然后将三个单通道灰度图像恢复成原始三通道彩色图像。
其中，步骤S200中，可进行ECB、CBC、CFB、OFB或CTR模式解密运算，得到每段为8、16、24或32字节大小的原始图像数据块。模式、字节数均与加密方法加密时采用的模式、分割每段的字节大小相关。
步骤S300中，将解密后的图像数据恢复成彩色数字图像，是指将解密后的图像从一维变换为二维数据，得到单通道的灰度图像；将三个单通道灰度图像恢复成原始三通道彩色图像。其中恢复的过程即是实施例1中预处理的逆过程,对此不做过多赘述。
实施例4：
本发明实施例还提供一种基于SM4与SM2算法的图像解密装置，参照图4所示，包括：
SM2解密模块41，用于获取如上述任一项加密方法的加密结果；利用SM2的私钥对SM4对称密钥的加密密文进行SM2解密，得到SM4的对称密钥；
SM4解密模块42，利用SM4的对称密钥对彩色数字图像对应的加密数据，进行SM4的预设模式解密运算，得到每段为N字节大小的原始图像数据块；当最后一个数据块存在填充的标识符时，剔除标识符；
恢复模块43，根据所述加密结果中的彩色数字图像的长度和宽度，将解密后的图像数据恢复成彩色数字图像。
综上，结合上述实施例1和3来说，涉及加密和解密的过程：
加密过程为：首先对彩色数字图像进行预处理，将其变换成三个单通道灰度图像；然后将灰度图像从二维数据格式变换为一维数据；对一维数据进行段分割，比如分为每段为16字节的数据流，同时进行数据填充，依次作为加密算法的输入数据；然后对每段数据依次进行ECB模式(可选CBC、CFB、OFB、CTR等模式)的SM4加密，得到每段的加密数据；利用SM2对SM4的对称密钥进行非对称加密，得到密钥的加密密文；最后将加密的图像数据、加密的对称密钥、原始图像的长度和宽度进行存储、传输。
解密过程为：首先利用私钥对加密的密钥进行SM2解密，得到SM4的对称密钥；利用解密的对称密钥对加密的图像数据进行SM4的ECB模式解密运算，得到每个16字节大小的原始图像数据块，同时去除最后一个数据块的填充数据；根据图像的长度和宽度数据将解密后的图像数据从一维变换为二维数据，得到单通道的灰度图像；然后将三个单通道灰度图像恢复成原始三通道彩色图像。
本发明实施例提供的加密和解密算法，与以往通过置乱、分割等空间域操作加密相比，能大大提升其加密的稳定性与安全性，使得非法攻击者难以破解截获的加密图像信息；另外，与传统压缩加密方法相比，又能大幅降低计算复杂度，有利于大数据量图像信息的加密维护，不会造成图像数据的失真，可在医疗、遥感等数据精度敏感度极高领域中应用。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种基于SM4与SM2算法的图像加密方法，其特征在于，包括：
获取待加密的彩色数字图像进行预处理；
将预处理后的数据进行段分割，每段为N字节的数据流，末尾段不足N字节时，采用标识符进行数据填充；
将每段数据采用预设模式进行SM4加密，获得相应每段的加密数据；
利用SM2对SM4的对称密钥进行非对称加密，得到所述SM4对称密钥的加密密文；
将所述彩色数字图像对应的加密数据、所述SM4对称密钥的加密密文、所述彩色数字图像的长度和宽度，作为加密结果进行存储、传输。
2.根据权利要求1所述的一种基于SM4与SM2算法的图像加密方法，其特征在于，获取待加密的彩色数字图像进行预处理，包括：
获取待加密的彩色数字图像，变换为三个单通道灰度图像；
将所述三个单通道灰度图像从二维数据格式变换为一维数据。
3.根据权利要求2所述的一种基于SM4与SM2算法的图像加密方法，其特征在于，将预处理后的数据进行段分割，每段为N字节的数据流，末尾段不足N字节时，采用标识符进行数据填充，包括：
对一维数据进行段分割，分为每段为8、16、24或32字节的数据流，末尾段不足相应字节时，采用标识符进行数据填充。
4.根据权利要求3所述的一种基于SM4与SM2算法的图像加密方法，其特征在于，将每段数据采用预设模式进行SM4加密，获得相应每段的加密数据，包括：
将每段数据采用ECB、CBC、CFB、OFB或CTR模式进行SM4加密，获得相应每段的加密数据。
5.一种基于SM4与SM2算法的图像加密装置，其特征在于，包括：
获取预处理模块，用于获取待加密的彩色数字图像进行预处理；
分割填充模块，用于将预处理后的数据进行段分割，每段为N字节的数据流，末尾段不足N字节时，采用标识符进行数据填充；
SM4加密模块，用于将每段数据采用预设模式进行SM4加密，获得相应每段的加密数据；
SM2加密模块，利用SM2对SM4的对称密钥进行非对称加密，得到所述SM4对称密钥的加密密文；
存储传输模块，用于将所述彩色数字图像对应的加密数据、所述SM4对称密钥的加密密文、所述彩色数字图像的长度和宽度，作为加密结果进行存储、传输。
6.一种基于SM4与SM2算法的图像解密方法，其特征在于，包括：
利用SM2的私钥对SM4对称密钥的加密密文进行SM2解密，得到SM4的对称密钥；
利用SM4的对称密钥对彩色数字图像对应的加密数据，进行SM4的预设模式解密运算，得到每段为N字节大小的原始图像数据块；当最后一个数据块存在填充的标识符时，剔除标识符；
根据所述加密结果中的彩色数字图像的长度和宽度，将解密后的图像数据恢复成彩色数字图像。
7.根据权利要求6所述的一种基于SM4与SM2算法的图像解密方法，其特征在于，进行SM4的预设模式解密运算，得到每段为N字节大小的原始图像数据块；包括：
进行SM4的ECB、CBC、CFB、OFB或CTR模式解密运算，得到每段为8、16、24或32字节大小的原始图像数据块。
8.根据权利要求7所述的一种基于SM4与SM2算法的图像解密方法，其特征在于，将解密后的图像数据恢复成彩色数字图像，包括：
将解密后的图像从一维变换为二维数据，得到单通道的灰度图像；
将三个单通道灰度图像恢复成原始三通道彩色图像。
9.一种基于SM4与SM2算法的图像解密装置，其特征在于，包括：
SM2解密模块，用于利用SM2的私钥对SM4对称密钥的加密密文进行SM2解密，得到SM4的对称密钥；
SM4解密模块，利用SM4的对称密钥对彩色数字图像对应的加密数据，进行SM4的预设模式解密运算，得到每段为N字节大小的原始图像数据块；当最后一个数据块存在填充的标识符时，剔除标识符；
恢复模块，根据所述加密结果中的彩色数字图像的长度和宽度，将解密后的图像数据恢复成彩色数字图像。
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