基于混沌系統(tǒng)的圖像加密算法綜述[文獻(xiàn)綜述]

1、<p>　　本科畢業(yè)論文文獻(xiàn)綜述</p><p><b>　　通信工程</b></p><p>　　基于混沌系統(tǒng)的圖像加密算法綜述</p><p>　　摘要：本文對(duì)基于混沌系統(tǒng)的圖像加密算法做了比較全面的介紹,涵蓋了它的定義,基本特征,幾種具代表性的改進(jìn)算法研究,加密原理和它的發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí),我對(duì)這些算法研究加以總結(jié),提出了自己的一些

2、看法。</p><p>　　關(guān)鍵字：混沌系統(tǒng);定義;基本特征;算法;加密原理;發(fā)展趨勢(shì)</p><p><b>　　1混沌加密的意義</b></p><p>　　如何保證數(shù)字圖像的安全傳輸和確保對(duì)機(jī)密數(shù)字圖像數(shù)據(jù)的授權(quán)訪問(wèn)，一直都是圖像信息處理和傳輸急需解決的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。圖像的數(shù)據(jù)量大、冗余度高、像素間相關(guān)性強(qiáng)等特點(diǎn)使得它的加密有別于文本的加

3、密。為了設(shè)計(jì)出適合圖像特點(diǎn)的加密方案，國(guó)內(nèi)外的研究學(xué)者根據(jù)圖像不同的應(yīng)用范圍和其自身的特點(diǎn)提出了多種加密技術(shù)。基于混沌理論的圖像加密技術(shù)是近年來(lái)才發(fā)展起來(lái)的一種圖像加密技術(shù)，它是把待加密的圖像信息看作是按照某種編碼方式的二進(jìn)制的數(shù)據(jù)流，利用混沌信號(hào)來(lái)對(duì)圖像數(shù)據(jù)流進(jìn)行加密的?；煦缋碚撝赃m合于圖像加密, 這是由混沌序列對(duì)初值的極其敏感性的特點(diǎn)決定的[9],混沌序列越接近隨機(jī)數(shù)則安全性越高，反之則容易被攻破。</p><

4、;p>　　2混沌的定義及基本特征</p><p>　　混沌是指發(fā)生在確定性系統(tǒng)中的貌似隨機(jī)的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，一個(gè)確定性理論描述的系統(tǒng)，其行為卻表現(xiàn)為不確定性,不可重復(fù)、不可預(yù)測(cè)，這就是混沌現(xiàn)象。進(jìn)一步研究表明，混沌是非線性動(dòng)力系統(tǒng)的固有特性，是非線性系統(tǒng)普遍存在的現(xiàn)象。牛頓確定性理論能夠充分處理的多為線性系統(tǒng)，而線性系統(tǒng)大多是由非線性系統(tǒng)簡(jiǎn)化來(lái)的。因此，在現(xiàn)實(shí)生活和實(shí)際工程技術(shù)問(wèn)題中，混沌是無(wú)處不在的。<

5、/p><p>　　混沌現(xiàn)象是在非線性動(dòng)力系統(tǒng)中出現(xiàn)的確定性的、類似隨機(jī)的過(guò)程, 這種過(guò)程既非周期又不收斂, 對(duì)初始值有極其敏感的依賴性, 關(guān)且具有白噪聲的統(tǒng)計(jì)特性。通過(guò)混沌系統(tǒng)對(duì)初始值和結(jié)構(gòu)參數(shù)的敏感依賴性, 可以提供數(shù)量眾多、非相關(guān)、類隨機(jī)而又確定可再生的混沌序列。由于上述特點(diǎn), 混沌可以廣泛應(yīng)用于加密[2]。</p><p><b>　　3混沌加密算法研究</b>&l

6、t;/p><p>　　隨著Internet技術(shù)的飛速發(fā)展,為信息的網(wǎng)上傳播開(kāi)辟了道路,很多信息都可以迅速方便地在網(wǎng)上發(fā)布和傳輸,但這同時(shí)也帶來(lái)了信息安全的隱患問(wèn)題。具統(tǒng)計(jì),全世界幾乎每20秒鐘就有一起黑客入侵事件發(fā)生。由于圖像信息形象、生動(dòng),因而被人類廣為利用,成為人類表達(dá)信息的重要手段之一?，F(xiàn)在,圖像數(shù)據(jù)的擁有者可以在Internet 上發(fā)布和拍賣(mài)他所擁有的圖像數(shù)據(jù),這種方式不但方便快捷,不受地域限制,而且可以為數(shù)

7、據(jù)擁有者節(jié)約大量的費(fèi)用。但這同時(shí)也為不法分子利用網(wǎng)絡(luò)獲取未授權(quán)數(shù)據(jù)提供了渠道。圖像發(fā)行者為了保護(hù)自身的利益,就需要可靠的圖像數(shù)據(jù)加密技術(shù)[7]。</p><p>　　我經(jīng)過(guò)上網(wǎng)查找,發(fā)現(xiàn)目前比較主流的圖像加密方法都是基于混沌系統(tǒng)的,但由于混沌系統(tǒng)在某些方面還尚存在不足,所以有好多學(xué)者對(duì)此提出了基于混沌系統(tǒng)的經(jīng)過(guò)改進(jìn)的圖像加密方算法[8]:</p><p>　　3.1 Chen 混沌系統(tǒng)和L

8、iu 混沌系統(tǒng)異結(jié)構(gòu)同步算法研究</p><p>　　為簡(jiǎn)化混沌系統(tǒng)異結(jié)構(gòu)同步方法, 基于Lyapunov 穩(wěn)定性理論, 結(jié)合反饋控制和自適應(yīng)控制方法,提出了Chen混沌系統(tǒng)與Liu混沌系統(tǒng)異結(jié)構(gòu)混沌系統(tǒng)自適應(yīng)同步新方法。采用Matlab進(jìn)行數(shù)值仿真,表明該同步控制方法的可行性。同時(shí)設(shè)計(jì)了混沌系統(tǒng)異結(jié)構(gòu)同步電路,利用Multisim2001電子仿真工作平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了該理論方案,其實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果吻合,從實(shí)驗(yàn)的

9、角度證實(shí)了這種控制混沌的方案是可行有效的[1]。該方法簡(jiǎn)單且適用性強(qiáng),可用于其他混沌系統(tǒng)間的同步,工程上易于實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　3.2 基于復(fù)合混沌系統(tǒng)的數(shù)字圖像加密方法研究</p><p>　　此方法將兩套Logistic映射組合起來(lái)構(gòu)成參數(shù)變化的雙Logistic映射復(fù)合混沌系統(tǒng),系統(tǒng)中的Logistic映射相互控制對(duì)方的􀀁參數(shù),并產(chǎn)生兩個(gè)混沌序列。然后用其中

10、一個(gè)混沌序列對(duì)圖像矩陣進(jìn)行置亂,另一個(gè)混沌序列用于對(duì)圖像信息進(jìn)行異或加密[2]。計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果表明,該加密方法具有良好的加密效果,具有可行性,算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)潔, 有較強(qiáng)的抗攻擊和抗噪聲力。</p><p>　　3.3 基于混沌系統(tǒng)和極化恒等式的數(shù)字圖像加密算法</p><p>　　混沌系統(tǒng)具有初值敏感性，參數(shù)敏感性和類隨機(jī)性等特性。將圖像分成大小為8×8的圖像子塊，利用經(jīng)典的Logi

11、stic方程產(chǎn)生的混沌序列并對(duì)其排序生成匹配模板來(lái)改變圖像子塊的位置，然后利用極化恒等式內(nèi)積分解加密算法改變圖像像素的值。因此，基于混沌系統(tǒng)和極化恒等式的數(shù)字圖像加密算法使圖像的像素的位置和值都發(fā)生了變化，實(shí)現(xiàn)了圖像的混淆和擴(kuò)散[3]。仿真實(shí)驗(yàn)表明該方法進(jìn)行圖像加密具有可行性和安全性。</p><p>　　3.4 基于混沌系統(tǒng)和人類視覺(jué)掩蓋的圖像水印算法</p><p>　　該算法利用陳氏

12、混沌系統(tǒng)產(chǎn)生水印,將其嵌入到圖像子塊的DCT次低頻系數(shù)中去,然后根據(jù)噪聲敏感度進(jìn)行視覺(jué)掩蓋,從而在不減少水印魯棒性的同時(shí)保證了其不可見(jiàn)性[4]。實(shí)驗(yàn)表明,采用該算法實(shí)現(xiàn)的水印對(duì)常見(jiàn)的圖像處理和幾何變換具有很好的魯棒性。</p><p>　　3.5 基于三維混沌系統(tǒng)的圖像加密算法</p><p>　　該算法利用三維混沌序列的坐標(biāo)分量分別產(chǎn)生置換序列和二值序列,在對(duì)待加密圖像進(jìn)行預(yù)處理的基礎(chǔ)上

13、,先應(yīng)用混沌置換序列對(duì)預(yù)處理的結(jié)果圖像進(jìn)行基于灰度值位序列的置換操作,然后再應(yīng)用產(chǎn)生的二值序列對(duì)結(jié)果圖像的灰度值位序列進(jìn)行位異或加密運(yùn)算[5]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,這種算法具有良好的安全性和加密效果。</p><p>　　3.6 基于LDC復(fù)合混沌的圖像加密算法</p><p>　　算法通過(guò)利用Lorenz、Duffing2和Chens三個(gè)三維混沌系統(tǒng)產(chǎn)生三個(gè)復(fù)合混沌系統(tǒng)來(lái)提高混沌系統(tǒng)的安全性,

14、并對(duì)三個(gè)混沌系統(tǒng)都進(jìn)行了改進(jìn),使其產(chǎn)生的混沌序列具有0,1分布均勻和較好的圖像直方圖特性。</p><p>　　雖然，基于LDC復(fù)合混沌的圖像加密算法有很好的加密效果，但是密鑰數(shù)目較多，為了安全起見(jiàn)，一般每個(gè)密鑰都是很復(fù)雜的數(shù)，而且一般圖像加密算法的文獻(xiàn)都沒(méi)有解決密鑰的管理問(wèn)題，因此在管理和傳輸時(shí)，密鑰的安全性得不到保證，而密鑰安全性直接關(guān)系到圖像加密算法的安全性，為了保證密鑰的安全性，可以采用公認(rèn)為安全性很高的

15、RSA加密算法對(duì)密鑰進(jìn)行加密處理[9]。</p><p>　　3.7 基于混沌系統(tǒng)的數(shù)字圖像隱藏技術(shù)</p><p>　　該技術(shù)利用混沌系統(tǒng)對(duì)圖像進(jìn)行置亂加密,再利用混沌序列通過(guò)迭代混合將多幅圖像隱藏于一幅圖像之中[10]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,該方法簡(jiǎn)單易行,具有很好的安全性。</p><p><b>　　4混沌加密原理</b></p>

16、<p>　　混沌理論在數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域的保密通信劃為四大類:混沌擴(kuò)頻、混沌鍵控、混沌參數(shù)調(diào)制、混沌掩蓋[6]?；煦鐓?shù)調(diào)制技術(shù)因成熟簡(jiǎn)單而得到廣泛使用,利用調(diào)制技術(shù)和混沌映射方法可得到圖像信號(hào)的混沌加密原理如圖1所示:</p><p>　　圖1 基于混沌映射的混沌加密系統(tǒng)框圖</p><p>　　圖1中s(n) 表示輸入的原始信號(hào)的小波變換序列,e(n)表示要傳輸?shù)浇邮斩说囊鸭用艿?/p>

17、信息信號(hào)序列,s^(n)表示最終的響應(yīng)序列即恢復(fù)的信息信號(hào)序列。</p><p>　　5混沌加密的發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　混沌加密是近年來(lái)興起的一個(gè)研究課題，基于混沌理論的保密通信、信息加密和信息隱藏技術(shù)的研究已成為國(guó)際非線性科學(xué)和信息科學(xué)兩個(gè)領(lǐng)域交叉融合的熱門(mén)前沿課題之一，也是國(guó)際上高科技研究的一個(gè)新領(lǐng)域，基于混沌理論的密碼學(xué)近來(lái)成為很熱門(mén)的科學(xué)。對(duì)于數(shù)字圖像來(lái)說(shuō)，具有其特別的一面

18、就是數(shù)字圖像具有數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)相關(guān)度高等特點(diǎn)，用傳統(tǒng)的加密方式對(duì)圖像加密時(shí)存在效率低的缺點(diǎn)；而新型的混沌加密方式為圖像加密提供了一種新的有效途徑[11]。</p><p>　　混沌現(xiàn)象是在非線性動(dòng)力系統(tǒng)中出現(xiàn)的確定性、類似隨機(jī)的過(guò)程，這種過(guò)程既非周期又非收斂，并且對(duì)初值具有極其敏感的依賴性，混沌系統(tǒng)所具有的這些基本特性恰好能夠滿足保密通信及密碼學(xué)的基本要求。圖像加密過(guò)程就是通過(guò)加密系統(tǒng)把原始的圖像信息(明文)，按

19、照加密算法變換成與明文完全不同的數(shù)字信息(密文)的過(guò)程[12]。</p><p>　　盡管已有許多混沌加密方案提出，但混沌密碼學(xué)的理論還未完全成熟，目前大部分混沌加密系統(tǒng)都采用自然的混沌系統(tǒng)，它們不一定能夠具有嚴(yán)格密碼學(xué)意義上的保密性。</p><p>　　混沌密碼學(xué)的研究仍然是一個(gè)新的具有挑戰(zhàn)性的前沿課題，探討混沌加密機(jī)制、如何充分利用混沌系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字圖像加密和大量的已有研究成果、混沌密

20、碼安全性如何評(píng)價(jià)、克服有限精度的效應(yīng)等問(wèn)題還需要深入細(xì)致的研究。</p><p><b>　　6結(jié)束語(yǔ)</b></p><p>　　本文只是對(duì)混沌加密在數(shù)字圖像通信中的應(yīng)用做了一些初步探討，這里主要談?wù)勎铱赐晁形墨I(xiàn)后自己的一些研究體會(huì)和看法：</p><p>　　1）混沌理論需要深入地研究。由于混沌系統(tǒng)可以提供具有良好隨機(jī)性、相關(guān)性和復(fù)雜性的

21、類隨機(jī)序列，因此特別適合于信息加密領(lǐng)域。如何將混沌理論與傳統(tǒng)分組密碼學(xué)結(jié)合起來(lái)，探討新的混沌密碼加密體制，是目前混沌加密領(lǐng)域中的又一前沿性課題。要想使混沌密碼能夠像傳統(tǒng)密碼那樣被廣泛接受、認(rèn)可和使用，有一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題需要解決，就是混沌密碼安全性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的建立。目前還沒(méi)有形成一致的觀點(diǎn)，整體上缺乏系統(tǒng)的理論分析。</p><p>　　2）混沌保密通信的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題的還需研究。目前混沌通信雖然取得了不少成果，但都處于實(shí)驗(yàn)室

22、階段，離實(shí)際應(yīng)用還有一段距離，其中還有許多問(wèn)題需要解決，如信道噪聲干擾問(wèn)題，傳輸速率問(wèn)題，混沌電路的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題等等需進(jìn)一步研究。</p><p>　　3）必須持之以恒地堅(jiān)持和加強(qiáng)混沌加密的基礎(chǔ)理論研究</p><p>　　4）以實(shí)際應(yīng)用驅(qū)動(dòng)混沌加密理論與技術(shù)的研究。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p&

23、gt;　　[1] 張若洵, 李蘭中。Chen 混沌系統(tǒng)和Liu 混沌系統(tǒng)異結(jié)構(gòu)同步 [J]。河北北方學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，8，24（4）：13～16。 </p><p>　　[2] 趙雪峰，殷國(guó)富。 基于復(fù)合混沌系統(tǒng)的數(shù)字圖像加密方法研究 [J]。計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2006，4，26（4）：827～829。 </p><p>　　[3] 周文杰，馮嘉禮?；诨煦缦到y(tǒng)和極化恒等式的數(shù)字

24、圖像加密算法 [J]。電腦知識(shí)與技術(shù)，2009,7,19(5):5271～5273。</p><p>　　[4] 關(guān)治洪，魯帆?；诨煦缦到y(tǒng)和人類視覺(jué)掩蓋的圖像水印算法 [J]。華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)( 自然科學(xué)版)，2005，5，33（5）：36～38。</p><p>　　[5] 張雪鋒，范九倫。 基于三維混沌系統(tǒng)的圖像加密算法[J]。計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用2007，43（34）：49～51。&l

25、t;/p><p>　　[6] 江景濤, 胡彩旗, 李福榮 數(shù)字圖像混沌加密系統(tǒng)性能分析 [J] 。青島農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,24(3):207～210</p><p>　　[7]李昌剛,韓正之 圖像加密技術(shù)綜述[J]。計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展 , 2002, 10, 39(10): 1318～1324</p><p>　　[8] 張雪鋒，范九倫。 一種改進(jìn)的基

26、于混沌系統(tǒng)的數(shù)字圖像加密算法 [J] 。 計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2007,4,24(4):184～186</p><p>　　[9] 楊夷梅，楊玉軍。一種基于混沌理論的圖像加密算法 [J] 。計(jì)算機(jī)安全,2009,2:25～28</p><p>　　[10] 張雪鋒，范九倫。一種基于混沌系統(tǒng)的數(shù)字圖像隱藏技術(shù) [J] 。計(jì)算機(jī)工程, 2007, 2, 33(4):134～136</p>

27、;<p>　　[11] Tiegang Gao, Zengqiang Chen。 A new image encryption algorithm based on hyper-chaos [J] 。 Physics Letters A, 2007,7:394～400</p><p>　　[12] Shujun Li, Xuan Zheng。 ON THE SECURITY OF AN IMAGE