基于混沌的数字图像加密技术研究与应用

论文摘要

数字图像,因其存储方便、传输快捷等优势已成为图像载体的主要形式,并广泛应用于个人电子相册、医学图像传输、军用图像传输等场合。然而,由于网络环境的开放性、复杂性、多变性,使得数字图像面临着诸多威胁,具有强安全性的数字图像加密算法成为研究者关注的焦点。基于混沌的数字图像加密算法很好地继承了混沌系统初值敏感、伪随机、遍历性及短周期等性质。算法密钥空间大且对初始密钥敏感,能达到对图像充分扩散与置乱的效果。在诸多关键应用领域中,混沌图像加密算法为数字图像的安全存储和传输提供了保障。文章在详细介绍混沌理论与数字图像加密技术的基础之上,研究了两个混沌图像加密算法的安全性,并以彩色数字图像和灰度数字图像为研究对象,设计了相应的混沌图像加密算法,给出了算法的应用方案。主要完成了以下三个方面的工作:(1)在已知图像条件下,分析了两个算法的安全性。指出仅仅改变像素的位置,即进行有限的置乱,并不能很好地提高算法抵抗已知图像攻击的能力;混沌映射自身的缺陷与密钥生成算法的不合理也会降低算法抵抗已知图像攻击的能力。(2)设计了一个混沌彩色图像加密算法和一个混沌灰度图像加密算法。在基于双混沌系统的彩色图像加密算法中,增加了基于Logistic映射的像素值代替变换,以提高算法抵抗已知图像攻击的性能;该算法简便易行,加密速度快,适合具有大数据量彩色图像的安全保护。在带扰动的混沌灰度图像加密算法中,将三维Lorenz映射与三维猫映射结合,通过对系统进行适当地扰动来对图像进行加解密变换;为了提高安全性,该算法牺牲了一些效率,因而更适合数据量相对较小的灰度图像。分析及仿真结果表明,上述两个算法可以有效地克服一些混沌加密算法不能抵御已知/选择明文攻击的缺陷。(3)提出了两个混沌图像加密算法的应用方案。在嵌入式应用方案中,设计了一个基于双混沌系统的彩色图像加密算法的嵌入式加密系统;在Matlab/Simulink中设计了算法加解密模块的仿真模型,并阐述了模块的嵌入式集成方案。在水印图像预处理应用方案中,基于已有数字图像版权保护系统,对其水印信息预处理模块进行了扩充,设计了水印信息预处理系统的基本模型及其工作流程,并结合Matlab/GUI进行了系统的设计与实现。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 数字图像加密技术研究现状
• 1.2.1 经典数字图像加密技术
• 1.2.2 数字图像加密评价标准
• 1.3 研究内容及论文结构
• 第二章 混沌理论及数字图像加密算法基础
• 2.1 混沌的基本理论
• 2.1.1 混沌的定义
• 2.1.2 混沌的特性与判别
• 2.1.3 常见的混沌动力学系统
• 2.2 基于混沌的数字图像加密算法
• 2.2.1 算法的分类
• 2.2.2 算法的分析
• 2.3 应用与仿真基础
• 2.3.1 混沌图像加密算法的应用
• 2.3.2 仿真工具
• 2.4 本章小结
• 第三章 混沌图像加密算法的安全性分析
• 3.1 对一个高维混沌图像加密算法的攻击
• 3.1.1 基于Lorenz 三维超混沌系统的图像加密算法
• 3.1.2 算法的安全性分析
• 3.1.3 等效密钥求解算法
• 3.1.4 仿真实验
• 3.2 对一个基于改进的混沌猫映射图像加密算法的安全性分析
• 3.2.1 基于改进的混沌猫映射图像加密算法
• 3.2.2 算法的安全性分析
• 3.2.3 等效密钥求解算法
• 3.3 本章小结
• 第四章 抗已知图像攻击的混沌图像加密算法设计
• 4.1 基于双混沌系统的彩色图像加密算法
• 4.1.1 混沌序列的产生
• 4.1.2 混沌加/解密流程
• 4.1.3 实验结果及分析
• 4.2 带扰动的高维混沌系统图像加密算法
• 4.2.1 有限精度改善方案
• 4.2.2 带扰动的高维混沌图像加密算法
• 4.2.3 实验结果及分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 混沌图像加密算法的应用
• 5.1 双混沌彩色图像加密算法的嵌入式应用
• 5.1.1 图像加密模块的嵌入式系统集成
• 5.1.2 图像加密模块的具体设计
• 5.1.3 图像加解密控制程序设计
• 5.2 混沌图像加密在数字版权保护系统中的应用
• 5.2.1 数字版权保护系统
• 5.2.2 水印信息预处理
• 5.2.3 各模块在GUI 中的功能实现
• 5.2.4 水印图像预处理运行结果
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 下一步展望
• 参考文献
• 作者简历 攻读硕士学位期间完成的主要工作
• 致谢