基于AES的遥感图像加密算法matlab仿真

1.程序功能描述
       通过AES算法对遥感图像进行加密和解密，分析加解密处理后图像的直方图，相关性，熵，解密后图像质量等。

2.测试软件版本以及运行结果展示
MATLAB2022A版本运行

3.核心程序
 

Image_RGB           = rgb2gray(I);
Image_RGB           = imresize(Image_RGB,[256,256]);
 
figure;
subplot(131);
imshow(Image_RGB,[]);
title(['原图']);
 
 
[rr,cc] = size(Image_RGB);
 
for i = 1:rr/16
    for j = 1:cc
        M_data2{i,j} = Image_RGB(16*(i-1)+1:16*i , j);
    end
end
 
%设置密钥
key_hex = {'00' '01' '02' '03' '04' '05' '06' '07' '08' '09' '0a' '0b' '0c' '0d' '0e' '0f'};
%AES初始化
 
[SBOX,invSBOX,w,polys,invpolys] = func_AES_parameter(key_hex); 
 
%加密处理
for i = 1:rr/16
    for j = 1:cc
        images_AES{i,j} = func_AES(double(M_data2{i,j}),w,SBOX,polys,1);
    end
end
 
%显示加密后的图像
for i = 1:rr/16
    for j = 1:cc
        tmp                           = (images_AES{i,j})';
        iamges_aes(16*(i-1)+1:16*i,j) = double(tmp);
    end
end
 
subplot(132);
imshow(iamges_aes,[]);
title(['加密图']);
[rr,cc] = size(Image_RGB);
%解密处理
for i = 1:rr/16
    for j = 1:cc
        images_deAES{i,j} = func_invAES(images_AES{i,j},w,invSBOX,invpolys,1);
    end
end 
%显示解密后的图像
for i = 1:rr/16
    for j = 1:cc
        tmp                             = (images_deAES{i,j})';
        iamges_deaes(16*(i-1)+1:16*i,j) = double(tmp);
    end
end
 
subplot(133);
imshow(iamges_deaes,[]);
title(['解密图']);
 
 
PSNR = psnr(uint8(Image_RGB), uint8(iamges_deaes))

4.本算法原理
       随着遥感技术的不断发展，遥感图像在军事、环境监测、资源勘探等领域发挥着越来越重要的作用。然而，由于遥感图像通常包含大量敏感信息，如地理坐标、军事设施等，因此对其进行安全有效的加密成为了一个至关重要的问题。高级加密标准（Advanced Encryption Standard，AES）作为一种广泛应用的对称加密算法，具有加密速度快、安全性高的特点，非常适合用于遥感图像的加密。

4.1 AES 加密算法概述
       AES 是一种分组密码算法，它将明文分成固定长度的分组，然后对每个分组进行加密。AES 的分组长度可以是 128 位、192 位或 256 位，密钥长度也可以是 128 位、192 位或 256 位。AES 算法主要由以下几个部分组成：

字节替换（SubBytes）

行移位（ShiftRows）

列混合（MixColumns）

轮密钥加（AddRoundKey）

AES 加密算法通常进行多轮迭代，每一轮都包括上述四个操作。在最后一轮中，不进行列混合操作。

4.2 基于 AES 的遥感图像加密算法原理
将遥感图像转换为二维矩阵形式。假设图像的大小为 M×N，将其表示为一个 M×N 的矩阵 I。然后，对矩阵 I 进行灰度化处理，将其转换为灰度图像。灰度化处理可以采用加权平均法，即对于彩色图像的每个像素点，根据其 RGB 分量的值计算出一个灰度值。设像素点的 RGB 分量分别为 R、G、B，则灰度值 Gray = 0.299R + 0.587G + 0.114B。最后，将灰度图像的像素值进行归一化处理，使其取值范围在[0, 1]之间。归一化处理可以采用公式：Gray_norm = Gray / 255。

AES 加密过程

密钥生成：选择一个合适的密钥长度，如 128 位或 256 位。使用密钥生成算法生成一个密钥 K。

分组处理：将预处理后的图像矩阵 I 按照 AES 的分组长度进行分组。如果图像的大小不是分组长度的整数倍，则需要进行填充处理，使图像的大小能够被分组长度整除。

轮密钥扩展：根据密钥 K，使用轮密钥扩展算法生成多个轮密钥。轮密钥的数量取决于 AES 的加密轮数和密钥长度。

加密迭代：对每个图像分组进行多轮加密迭代。每一轮加密包括以下四个步骤：

字节替换（SubBytes）：使用一个 S 盒（Substitution Box）对每个字节进行替换操作。S 盒是一个 16×16 的矩阵，它将输入的字节映射为另一个字节。设输入字节为 x，则替换后的字节为 S[x]。

行移位（ShiftRows）：将矩阵的每一行进行循环移位操作。第 0 行不进行移位，第 1 行循环左移 1 个字节，第 2 行循环左移 2 个字节，第 3 行循环左移 3 个字节。

列混合（MixColumns）：对矩阵的每一列进行线性变换操作。设矩阵的一列向量为 [s0, s1, s2, s3]，则经过列混合后的向量为 [s'0, s'1, s'2, s'3]，其中：

s'0 = (2s0 + 3s1 + 1s2 + 1s3) mod 256
s'1 = (1s0 + 2s1 + 3s2 + 1s3) mod 256
s'2 = (1s0 + 1s1 + 2s2 + 3s3) mod 256
s'3 = (3s0 + 1s1 + 1s2 + 2s3) mod 256

轮密钥加（AddRoundKey）：将当前轮的轮密钥与矩阵进行异或操作。设矩阵为 A，轮密钥为 K，则异或后的矩阵为 A ⊕ K。