混沌數(shù)字圖像加密技術(shù)研究.pdf

1、　　近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及通信技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字信息被廣泛地應(yīng)用到社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中。由于數(shù)字圖像具有直觀、形象及生動(dòng)等特點(diǎn)，從而成為了數(shù)字信息中應(yīng)用最為廣泛，也最為重要的一種信息表達(dá)形式。正因?yàn)槿绱?，?shù)字圖像的安全問題成為了人們關(guān)注的焦點(diǎn)之一。而圖像加密正是解決圖像安全的關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)也是數(shù)字水印和信息隱藏等應(yīng)用中不可或缺的一項(xiàng)重要技術(shù)。因此，研究圖像加密具有很高的理論和現(xiàn)實(shí)意義。
　　論文以混沌理論和特性為基礎(chǔ)，首先對(duì)

2、幾類典型的基于混沌理論圖像加密算法的安全性進(jìn)行了深入細(xì)致的分析研究，然后在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)新的圖像加密方案。本論文的主要工作及貢獻(xiàn)包括以下幾個(gè)方面：
　　1. 提出一種基于偽隨機(jī)置亂的改進(jìn)圖像加密算法
　　對(duì)一種基于偽隨機(jī)置亂的圖像加密算法進(jìn)行安全性分析，算法屬于一類基于“置亂—擴(kuò)散”模式的圖像加密算法。首先，該算法對(duì)于任何明文矩陣，只要矩陣內(nèi)的元素相同，密文矩陣就是全零陣，接收方無法正確地解密出原始圖像；其次，當(dāng)明文矩陣為

3、全零陣時(shí)，密文矩陣也是全零陣，那么，攻擊者根本無需破譯就能夠得到明文圖像，因?yàn)槊魑木仃嚲褪敲芪木仃嚕辉俅?，?dāng)控制參數(shù)相對(duì)較小時(shí)，從加密圖像中就能夠看出原始圖像的輪廓，從而抵御不了統(tǒng)計(jì)攻擊；最后，當(dāng)循環(huán)參數(shù)為?時(shí)，每個(gè)明文像素值只能影響?個(gè)密文像素值，而與其它的像素值無關(guān)，滿足不了 Shannon 提出的密碼設(shè)計(jì)中對(duì)擴(kuò)散和混亂的要求。針對(duì)這類算法存在的一些問題，考慮到圖像置亂算法的四個(gè)原則，我們提出一種基于偽隨機(jī)置亂的改進(jìn)圖像加密算法，并

4、通過統(tǒng)計(jì)分析、差分分析、相關(guān)性分析、密鑰敏感性測(cè)試及信息熵分析等驗(yàn)證了算法安全性。
　　2. 提出一種新的超混沌圖像加密算法
　　很多加密算法在面臨選擇明文攻擊和選擇密文攻擊時(shí)會(huì)表現(xiàn)出弱抗攻擊性，通常有效解決這個(gè)問題的方式是使用類似分組鏈接模式進(jìn)行串行加密，但是并行運(yùn)算對(duì)數(shù)據(jù)量較大的圖像加密應(yīng)用更加有利，鑒于并行計(jì)算可以大大提高運(yùn)算速度，針對(duì)目前串并共存的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，我們提出一種新的超混沌圖像加密算法，不僅能夠有效解

5、決弱抗攻擊性問題，還能夠支持并行運(yùn)算以及串行操作兩種加密模式，進(jìn)一步提高了算法實(shí)用性。理論研究和仿真結(jié)果表明，該算法不僅能夠有效地避免選擇明文攻擊和選擇密文攻擊，而且具有較好的統(tǒng)計(jì)特性及差分特性。
　　3. 提出一種基于離散小波變換的分組圖像加密算法
　　提出一種基于離散小波變換的分組圖像加密算法，算法利用小波變換對(duì)原始圖像進(jìn)行預(yù)處理，通過置亂低頻子帶圖像，使頻域內(nèi)每一個(gè)點(diǎn)的變換快速地影響到空間域整個(gè)數(shù)據(jù)集合，減少所需的

6、混沌序列，提高加密效率。然后根據(jù)數(shù)字圖像的要求，按照有損變換或者無損變換方式對(duì)預(yù)處理過的圖像進(jìn)行分組，使用 Logistic 映射產(chǎn)生隨機(jī)序列并轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制密鑰流，一部分密鑰流用于分組的置亂，而另外一部分密鑰流則用于分組的替代，其中任意兩組密鑰流之間的迭代間隔由分組控制產(chǎn)生以抵御選擇密文攻擊及選擇明文攻擊。理論研究和仿真結(jié)果表明，算法能夠較好地隱藏明文的統(tǒng)計(jì)特性，并且加密效率得到很大提高，同時(shí)能夠有效地防止選擇密文攻擊、利用統(tǒng)計(jì)及差分分

7、析方法攻擊。
　　4. 提出一種基于離散 2D-Logistic 映射的自適應(yīng)并行加密算法
　　利用空間混沌在變量空間中能夠進(jìn)行多個(gè)方向的位置置亂和擴(kuò)散，我們提出一種基于離散 2D-Logistic 映射的自適應(yīng)并行加密算法。首先，根據(jù)用戶密鑰生成二進(jìn)制序列1 2 3... n
　　b b b b ，其中二進(jìn)制序列取值 0 和 1 代表了兩種處理器分配形式，二進(jìn)制序列個(gè)數(shù)n 代表了循環(huán)次數(shù)；然后，利用離散 2D-

8、Logistic 混沌系統(tǒng)產(chǎn)生兩維偽隨機(jī)序列矩陣，根據(jù)二進(jìn)制序列的取值及個(gè)數(shù)對(duì)圖像矩陣及偽隨機(jī)序列矩陣進(jìn)行自適應(yīng)分塊。矩陣塊之間并行操作，加解密速度快，適用于實(shí)時(shí)通信，而矩陣塊之內(nèi)利用偽隨機(jī)序列矩陣分塊產(chǎn)生遍歷矩陣，對(duì)圖像矩陣分塊進(jìn)行像素置亂以降低像素相關(guān)性，然后使用類似分組連接方式進(jìn)行替代過程實(shí)現(xiàn)充分?jǐn)U散，直到n 次循環(huán)結(jié)束。該算法不僅滿足圖像加密并行算法的三個(gè)要求，而且能夠滿足人們對(duì)實(shí)時(shí)通信的要求。最后，算法安全性通過理論分析及仿真