基于改进超混沌系统的数字图像加密算法研究

发布时间：2020-10-11 15:02

　　 随着计算机和通信技术的不断发展,信息的表达形式不再是单纯的文字信息,还有表格、语音、图像和视频等各类多媒体信息。数字图像由于具有直观、形象、信息量大、像素之间相关性强和后处理能力强等优点,成为这些信息传输媒介中最重要的角色之一。但是,人们在享受数字图像所带来便捷生活的同时,也面临着信息被未经授权者偷窃、伪造和利用的风险。因此,如何保障传输过程中数字图像信息的安全性和完整性,已成为当下信息安全技术领域的研究热点。传统信息加密算法都只针对文本信息进行加密,而数字图像不同于普通文本数据,具有信息量大、冗余度高、相邻像素之间相关性强以及实时性高等特点。此外,由于传统加密算法需要耗费大量的计算处理时间,加密效率低下,同时又存在加密效果不理想、安全性能较低等问题,已不能满足目前数字图像加密的需求。基于以上问题,本文利用混沌系统的类随机性、遍历性、不可重复以及长期不可预测等动力学特征,将混沌系统应用于数字图像加密。混沌系统的运动轨迹具有非常复杂的动力学特性,对初始条件和控制参数极其敏感,其生成变量的时间序列在二维中是伪随机的,而且加密时对于明文图像数据的尺寸也没有要求。此外,混沌序列生成速度快,对加密大数据量的图像信息更为有利。本文首先基于已有的混沌系统,构建出了两个新颖的结构相对简单的四维超混沌系统,并详细分析了该系统的动力学特性。然后,基于这两个超混沌系统,设计了一种与明文相关和层级密钥的数字图像加密算法。主要工作如下:(1)构建了两个新的四维超混沌系统。基于两种不同的三维自治混沌系统,通过非线性项的改造和反馈控制,构建出两个新的四维超混沌系统。分别从耗散性、相图、时域图、Lyapunov(李雅普诺夫)指数(谱)、分岔图以及Poincaré(庞加莱)截面等多方面对其动力学特性进行了研究与分析;并着重对系统参数改变所引起的Lyapunov指数谱进行详细研究和阐述。与传统的超混沌系统相比,这两个新的超混沌系统的结构更加简单,产生相同长度混沌序列所耗费的计算资源更少,非常适合于数字图像加密领域。(2)提出一种基于明文相关和层级密钥的数字图像加密算法。首先,利用混沌系统对初始条件极其敏感的特点,在层级密钥加密体系中,将构建的第一个四维超混沌系统设置为第一级混沌系统,并将其初始值作为系统密钥。将构建的第二个四维超混沌系统作为第二级混沌系统。其次,第一级混沌系统通过迭代产生混沌序列,并与原始明文图像相结合,进而形成第二级混沌系统的初始值密钥。然后,将第二级混沌系统迭代所产生的混沌序列应用于原始明文图像像素的置乱和扩散运算中,得到最终的密文图像。本文利用密钥空间、密钥敏感性、灰度直方图、相邻像素相关性、差分攻击、抗噪声攻击和信息熵等图像加密评价准则对算法进行分析与验证。实验结果证明,该加密方案安全可靠。其加密系统结构复杂,密钥空间足够大,对初始密钥敏感性强,并具有较为理想的抗攻击能力。
【学位单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP391.41;TP309.7;O415.5
【部分图文】：

(e) (f)图 3.1 新四维超混沌系统 I 的相图。 (a) 平面相图；(b) 平面相图； (c)平面相图； (d) 平面相图； (e) 平面相图； (f)平面相图。从上述新四维超混沌系统 I 模型的相图，可以直观地看到系统至少在一个平面（或环面）上发生收缩和发散，表现在吸引子上的相图具有更为复杂的折叠和跳跃行为，说明了此系统具有更强的不稳定性。3.2.3 时域图新四维超混沌 I 的状态变量 和 的时域图如图 3.2 所示。

20(b) 3.2 新四维超混沌系统 I 的时域图。 (a) 方向时域图； (b) 方向时域图。Lyapunov 指数（谱） 时，该系统的四个 Lyapunov 指数分别。此时，该系统 Lyapunov 指数是大于 0 的，而且所有的 Lyapunov 指数之和为负。因此是超混沌系统。该系统的 Lyapunov 维数为(3-

学硕士学位论文 基于改进超混沌系统的数字图像加密算法研显然，该系统是分数维，由此可知系统是混沌系统。为了进一步了解新四维超混沌系统 I 复杂的动力学特性，通过实验仿真该系统的 Lyapunov 指数谱图，并观察系统各个参数的变化情况所引起的系状态的变化。令式(3-3)的参数 不变，仅仅改变系统参数 的值，系统的 Lyapunov 指数谱图如图 3.3 所示。随着 的值变化，系统unov 指数也在随之改变。当 时， ，统处于混沌状态；当 时， ，此在很宽的范围内处于超混沌状态；当 时，，此时系统又回到混沌状态。
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本文编号：2836751