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、隨著通信和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，信息的安全傳輸問題受到越來越多的關(guān)注，而加密是一種保證信息安全傳輸?shù)挠行侄?。由于圖像自身數(shù)據(jù)量大、相關(guān)性強和冗余度高等特點，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了希望。對初始條件的高度敏感性、各態(tài)歷經(jīng)性和偽隨機性等是混沌現(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散相一致。因而自上世紀90年代混沌理論被引入到圖像加密中以來，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單的結(jié)構(gòu)、軟硬件易于實現(xiàn)和運行速度快等優(yōu)勢，因而對于一維混沌映射的動力學(xué)特性及其應(yīng)用研究具有現(xiàn)實的意義和廣泛的應(yīng)用前景。本文以一維混沌映射電路實現(xiàn)及其動力學(xué)特性改進為基礎(chǔ)，以圖像加密應(yīng)用為目標，設(shè)計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控制的缺陷，以帳篷映射的電壓模式實現(xiàn)為基礎(chǔ)，經(jīng)過簡練和巧妙的設(shè)計構(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現(xiàn)了帳篷映射功能，產(chǎn)生的脈沖序列的時間間隔可通過改變電路中的可變電子元件來控制。利用電路產(chǎn)生的兩個混沌映射即帳篷

4、映射和脈沖時間間隔映射來對圖像進行加密，實驗結(jié)果驗證了一維混沌映射在圖像加密中的可行性。
　　2.基于1DSPCM和兩級整體置換圖像加密改進算法。
　　通過三個簡單的一維映射按照先串聯(lián)后并聯(lián)的結(jié)構(gòu)設(shè)計了一維復(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)合像素級和比特級的置亂，基于1DSPCM提出了兩級整體置換的圖像加密改進算法。先在比特平面選擇每個像素的最高位，對這些最高位組成的序列進行整體置換，在此基礎(chǔ)上對所有像素進行整體置換。為了抵抗選擇明文攻擊，擴散過程采用了依賴明文的擴散密鑰。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變換和雙向擴散的快速圖像加密算法。

6、
　　針對現(xiàn)有的置亂過程中每輪操作模式不變的缺陷，利用 Fibonacci-Lucas變換所構(gòu)成的變換集來對圖像進行置亂操作。通過三個簡單的一維映射，按照先并聯(lián)后串聯(lián)的次序，設(shè)計了一維復(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。擴散階段采用了

7、雙向擴散策略，在獲得相當?shù)腘PCR和UACI的情況下，該擴散結(jié)構(gòu)較常規(guī)的擴散結(jié)構(gòu)而言具有更高的時間效率。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)計攻擊、選擇明文攻擊、噪聲攻擊和裁剪攻擊，同時提高了加密效率。
　　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。
　　通過在1DPSCM中合理選擇三個混沌映射得到了一個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