基于一維復(fù)合混沌映射的數(shù)字圖像加密算法研究.pdf

1、隨著通信和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，信息的安全傳輸問(wèn)題受到越來(lái)越多的關(guān)注，而加密是一種保證信息安全傳輸?shù)挠行侄巍Ｓ捎趫D像自身數(shù)據(jù)量大、相關(guān)性強(qiáng)和冗余度高等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的加密方法并不適合圖像加密，因而需要尋求新的解決途徑?；煦缋碚摰恼Q生和發(fā)展為圖像加密的研究帶來(lái)了希望。對(duì)初始條件的高度敏感性、各態(tài)歷經(jīng)性和偽隨機(jī)性等是混沌現(xiàn)象的典型特征，其恰好與密碼學(xué)的基本要求即混淆和擴(kuò)散相一致。因而自上世紀(jì)90年代混沌理論被引入到圖像加密中以來(lái)，混沌圖像

2、加密技術(shù)獲得了蓬勃發(fā)展。
　　圖像加密中使用的混沌系統(tǒng)有連續(xù)與離散、高維與低維之分。一維離散混沌映射具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)、軟硬件易于實(shí)現(xiàn)和運(yùn)行速度快等優(yōu)勢(shì)，因而對(duì)于一維混沌映射的動(dòng)力學(xué)特性及其應(yīng)用研究具有現(xiàn)實(shí)的意義和廣泛的應(yīng)用前景。本文以一維混沌映射電路實(shí)現(xiàn)及其動(dòng)力學(xué)特性改進(jìn)為基礎(chǔ)，以圖像加密應(yīng)用為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了帳篷映射和以其為基礎(chǔ)的混沌脈沖序列發(fā)生器電路，根據(jù)三個(gè)一維映射的串并聯(lián)混合構(gòu)造了一維復(fù)合混沌系統(tǒng)，并基于一維復(fù)合混沌映射提出了幾

3、種混沌圖像加密改進(jìn)方法。論文的主要工作如下：
　　1.基于帳篷映射的混沌脈沖序列發(fā)生器。
　　針對(duì)目前混沌脈沖序列電路產(chǎn)生的脈沖序列參數(shù)不易控制以及脈沖序列產(chǎn)生電路本身需要外部信號(hào)控制的缺陷，以帳篷映射的電壓模式實(shí)現(xiàn)為基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)練和巧妙的設(shè)計(jì)構(gòu)造了一種基于帳篷映射的混沌脈沖序列發(fā)生器的電路。該電路用更少的元器件實(shí)現(xiàn)了帳篷映射功能，產(chǎn)生的脈沖序列的時(shí)間間隔可通過(guò)改變電路中的可變電子元件來(lái)控制。利用電路產(chǎn)生的兩個(gè)混沌映射即帳篷

4、映射和脈沖時(shí)間間隔映射來(lái)對(duì)圖像進(jìn)行加密，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了一維混沌映射在圖像加密中的可行性。
　　2.基于1DSPCM和兩級(jí)整體置換圖像加密改進(jìn)算法。
　　通過(guò)三個(gè)簡(jiǎn)單的一維映射按照先串聯(lián)后并聯(lián)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一維復(fù)合混沌系統(tǒng)1DSPCM(1D Serial then-Parallel Chaotic Map)，選擇帳篷映射、邏輯斯蒂映射和正弦映射作為種子產(chǎn)生了一種一維復(fù)合混沌映射，較現(xiàn)有的一維混沌映射，該復(fù)合映射具有更大的密鑰空間

5、和李雅普諾夫指數(shù)。結(jié)合像素級(jí)和比特級(jí)的置亂，基于1DSPCM提出了兩級(jí)整體置換的圖像加密改進(jìn)算法。先在比特平面選擇每個(gè)像素的最高位，對(duì)這些最高位組成的序列進(jìn)行整體置換，在此基礎(chǔ)上對(duì)所有像素進(jìn)行整體置換。為了抵抗選擇明文攻擊，擴(kuò)散過(guò)程采用了依賴明文的擴(kuò)散密鑰。仿真結(jié)果表明該算法具有較大的密鑰空間和抗統(tǒng)計(jì)分析攻擊的能力，并在安全性和效率方面可取得很好的折中。
　　3.基于Fibonacci-Lucas變換和雙向擴(kuò)散的快速圖像加密算法。

6、
　　針對(duì)現(xiàn)有的置亂過(guò)程中每輪操作模式不變的缺陷，利用 Fibonacci-Lucas變換所構(gòu)成的變換集來(lái)對(duì)圖像進(jìn)行置亂操作。通過(guò)三個(gè)簡(jiǎn)單的一維映射，按照先并聯(lián)后串聯(lián)的次序，設(shè)計(jì)了一維復(fù)合混沌系統(tǒng)1DPSCM(1D Parallel then- Serial Chaotic Map)。根據(jù)混沌映射迭代序列和明文圖像來(lái)確定每輪置亂的變換核，可以有效改善 Fibonacci-Lucas變換的周期性導(dǎo)致的安全性降低的情形。擴(kuò)散階段采用了

7、雙向擴(kuò)散策略，在獲得相當(dāng)?shù)腘PCR和UACI的情況下，該擴(kuò)散結(jié)構(gòu)較常規(guī)的擴(kuò)散結(jié)構(gòu)而言具有更高的時(shí)間效率。該方法不僅擁有較大的密鑰空間并能有效抵抗差分攻擊、統(tǒng)計(jì)攻擊、選擇明文攻擊、噪聲攻擊和裁剪攻擊，同時(shí)提高了加密效率。
　　4.基于一維復(fù)合混沌映射和壓縮感知的聯(lián)合圖像壓縮加密算法。
　　通過(guò)在1DPSCM中合理選擇三個(gè)混沌映射得到了一個(gè)具有較大密鑰空間而且分布較均勻的一維復(fù)合混沌映射。結(jié)合壓縮感知理論提出了一種聯(lián)合圖像壓縮加