基于混沌系统的数字图像加密算法研究

发布时间：2020-04-18 05:11

【摘要】：在互联网及大数据时代,基于混沌的数字图像加密算法研究已成为当前信息安全领域的研究热点之一。数字图像相对于传统文本数据具有数据量大、冗余度高等特点,传统的DES、AES和RSA等方法难以满足数字图像加密的要求。混沌因其初值敏感性和内在随机性与密码学的混淆、扩散概念非常吻合,混沌图像加密研究因此得到迅猛发展。本文主要针对混沌图像加密开展以下研究工作:针对密匙对明文图像的依赖性,提出一种基于位平面和改进Logistic映射的图像加密算法。该算法将经过置乱的明文图像的低4位Bit位矩阵作为改进Logistic映射的控制参数,增强密匙对明文图像的依赖性,具有显著的一次一密特性。并针对蕴含的图像信息量不同的Bit位,设计了不同强度的加密算法,提高算法的效率。针对图像加密的扩散方式,提出一种基于超混沌系统和分块求模的图像加密算法。该算法利用超混沌系统迭代生成混沌序列,围绕加密像素分割出随机大小的图像块,对块内像素值进行整体求模运算,得到加密后像素灰度值,有效扩大了扩散范围、增强了扩散的随机性。针对图像加密系统中混沌系统的选择与构建,提出一种基于高阶jerk系统的多方向多涡卷(Multiple-direction Multi-scroll,MDMS)混沌吸引子的混沌系统参数化模型。并通过平衡点、李雅普诺夫指数分析及MATLAB数值仿真,论证了该混沌系统的动力学特性,并给出确定系统参数的有效方法。最后利用饱和函数确定的6阶4D网格混沌系统,设计了一种图像加密算法,验证了该混沌参数化模型在保密通信领域中应用的可行性和安全性。
【图文】：

数字图像,图像加密,基本结构

1.2 基于混沌系统的图像加密研究现状图像加密是在密码学的基础上发展起来的，继承了密码学的加密/解密基本结构，如图1-1所示。由于加密对象—数字图像—的独特的数据特征对加密算法和评价标准提出了新的要求。数字图像可定义为一个二维函数f x ,y ，其中x ,y是空间坐标，f是坐标 x ,y 处的强度，且x , y ,f都是有限的离散数值。由此定义可得出在空域中数字图像可以用像素的坐标位置和像素灰度值这两种信息来描述，因此基于空域的数字图像加密算法也是围绕这两种信息设计的，当前数字图像加密主要方法有图像像素位置置乱、图像像素值替换或二者相结合[7]。当人们发现混沌的初值敏感性、内在随机性、长期不可预测性等典型特征恰恰与密码学的典型要求相吻合时，掀起了混沌图像加密研究的热潮，已取得众多研究成果。图1-1 图像加密/解密基本结构 Figure 1-1 Basic architecture of image encryption/decryption 文献[8-10]指出了混沌加密技术具有优势。文献[8]比较了基于RSA和基于混沌系统设计的移动自组网(MANET)身份认证方案的性能，在相同环境下，通过AODV、AOMDV和DSR等底层路由协议测试基于RSA方法和基于混沌系统方法的端到端延迟

序列,混沌系统,涡卷,图像加密

第五章基于多翼多涡卷混沌系统的图像加密算法。本章对混沌系统的选择、模型进行了研究，提出了一种基于高阶 jerk 系统的多方向多涡卷(MDMS)混引子的混沌系统模型通过引入具有参数可控的阶跃函数序列、饱和函数序列滞函数序列等非线性函数，，确定相关参数的取值范围，即可得到不同类型的向多涡卷混沌系统。并给出了有效确定系统参数的方法，通过分析系统的点稳定性、李雅普诺夫指数及 MATLAB 数值仿真，论证了提出的混沌系统沌动力学特性。并将该混沌模型应用于图像加密中，通过抗差分攻击分析和特性分析，结果表明该参数模型确定的系统对图像明文和密匙都非常敏感，像加密应用中具有可靠的安全性能。第六章总结和展望。对本文的主要研究工作进行了总结，指出其中的不足，并对进一步的研究工作指出了方向。本文组织结构如图 1-2 所示：
【学位授予单位】：湖北民族大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O415.5;TP309.7

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