基于混沌理论的彩色图像加密算法研究

论文摘要

随着网络技术的飞速发展,大量的数字图像信息正在以不同的形式在网络上传输,既给我们带来了方便快捷的信息获取方式,也给我们带来了信息安全的隐患:敏感信息可能轻易地被窃取、篡改、非法复制和传播等。如何保护图像信息的安全已经成为各界广为关注的问题。由于混沌系统具有伪随机性、确定性和对初始条件的极端敏感等特性,将其与数字图像加密技术相结合,可以构造出非常好的图像加密系统。本文围绕混沌理论在数字图像加密中的应用这一课题,进行了较为广泛而深入的研究。首先,对混沌的基本原理、密码学基础和混沌图像加密技术理论进行研究,分析了混沌应用于密码学的优势,揭示了本课题研究的目的和价值。其次,在分析现有混沌加密方法的基础上,针对现有的加密算法大多是直接对灰度图像进行加密,提出了基于广义Arnold变换的彩色图像加密算法。将二维Arnold变换进行推广,并加入以Lorenz混沌系统产生的序列来构造广义Arnold变换的控制参数的思想,提高了算法的安全性。该算法密钥空间大,具有良好的密钥敏感性、图像恢复性。最后,针对低维混沌系统密钥空间小,使用单一混沌系统的加密算法安全性不高,提出了基于耦合混沌系统的彩色图像加密算法。该算法以预处理后的图像数据作为Logistic映射的初始值来生成置乱矩阵,由Lorenz系统产生的混沌序列对图像进行像素值替代操作。保证了加密算法对明文的变化具有敏感性,提高了算法安全性。该算法具有良好的安全性,非常适合数据量大、实时性要求高的图像加密。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 混沌密码学发展现状
• 1.2.2 基于混沌的图像加密技术研究现状
• 1.3 论文的研究内容和组织结构
• 第2章 基本原理概述
• 2.1 混沌的基本原理
• 2.1.1 混沌的概念及定义
• 2.1.2 混沌的特征
• 2.1.3 混沌的判别方法
• 2.1.4 几种典型的混沌系统
• 2.2 密码学理论基础
• 2.2.1 密码学的基本概念
• 2.2.2 密码体制分类
• 2.2.3 序列密码
• 2.2.4 密码分析
• 2.3 混沌图像加密技术
• 2.3.1 混沌图像加密技术方法分类
• 2.3.2 混沌图像加密技术存在的问题
• 2.4 本章 小结
• 第3章 基于广义Arnold 变换的彩色图像加密算法的研究
• 3.1 引言
• 3.2 Arnold 变换及推广
• 3.3 加密算法设计
• 3.3.1 Lorenz 系统与控制参数序列的生成
• 3.3.2 位置置乱过程
• 3.3.3 像素替代过程
• 3.3.4 加密算法步骤
• 3.4 实验仿真
• 3.5 算法安全性分析
• 3.5.1 密钥空间分析
• 3.5.2 密钥敏感性测试
• 3.5.3 邻近像素值相关性分析
• 3.5.4 直方图比较
• 3.6 本章 小结
• 第4章 基于耦合混沌系统的彩色图像加密算法
• 4.1 引言
• 4.2 混沌序列的研究
• 4.2.1 Logistic 映射的性能分析
• 4.2.2 混沌序列的生成方法
• 4.3 加密算法设计
• 4.3.1 对原始图像进行预处理
• 4.3.2 置乱矩阵的生成
• 4.3.3 像素替代过程
• 4.3.4 加密算法步骤
• 4.4 实验仿真
• 4.5 算法安全性分析
• 4.5.1 密钥空间分析
• 4.5.2 密钥敏感性测试
• 4.5.3 稳定性分析
• 4.5.4 置乱度分析
• 4.5.5 直方图比较
• 4.6 本章 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介