基于混沌理论的数字图像加密算法研究

论文摘要

近年来,随着计算机网络的快速发展,如何保证信息的安全传输成为了一个重要的研究课题。作为信息的载体——数字图像的加密技术成为了一项实用而又亟待快速发展的关键技术。混沌动力学系统是非线性动力学中一类确定性系统,它与密码学之间具有许多对应的特征。在传统密码学的安全性受威胁的情况下,混沌系统产生的混沌序列所具有的复杂性、对初值和系统参数的敏感性、类随机性、不可预测性等优良特性为图像加密技术的研究提供新的思路和发展方向。本文首先介绍了混沌理论以及密码学的基本知识,并分析了它们之间的共同点及差异。接着,总结了基于混沌系统进行图像加密的几种主要方法,以及混沌密码设计的一般思路。然后,分别对图像加密的三个重要环节:伪随机序列发生器、置乱算法以及图像加密方案构建中存在的一些不足进行了考察和分析,并针对这些不足进行了方案的重新设计,分别提出了基于奇偶量化法的混沌序列发生器、双随机置乱算法以及在这二者的基础上构建了一个新的图像加密系统。同时,采用各种性能评价标准对量化的二值序列的随机性、置乱算法的置乱程度以及加密算法的安全性进行了衡量并与传统的方法所得的结果进行了比较。本论文的研究结果表明:基于奇偶量化法所获得的二值序列具有良好的均衡性,游程性,自相关和互相关特性。它与传统的阈值量化法和中间多比特量化法相比,安全性有了很大的提高。新提出的双随机置乱算法较传统的基于混沌序列排序置乱的算法不仅具有更好的置乱效果,还具有更高的安全性。新设计的图像加密系统通过从图像中Hash出一个参数作为密钥的一部分,很好的解决扩散性与鲁棒性之间的矛盾。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 混沌图像加密技术国内外研究现状
• 1.3 论文的研究目的和意义
• 1.4 论文的主要贡献和结构安排
• 第2章 混沌和密码学的基本原理
• 2.1 混沌理论基础
• 2.1.1 混沌的起源及其发展
• 2.1.2 混沌的基本特性
• 2.1.3 典型的混沌映射
• 2.2 密码学的基本情况
• 2.2.1 密码学的基本概念
• 2.2.2 密码体制的分类
• 2.2.3 密码分析方法
• 2.3 混沌理论与密码学的关系
• 2.4 本章小结
• 第3章 混沌与图像加密系统
• 3.1 数字图像加密技术
• 3.1.1 图像加密的置乱技术
• 3.1.2 图像加密的扩散技术
• 3.2 基于混沌加密的几种主要方法
• 3.3 混沌密码设计的一般步骤
• 3.4 图像加密系统的基本要求
• 3.5 本章小结
• 第4章 混沌伪随机序列发生器的设计与实现
• 4.1 混沌序列加密概述
• 4.2 混沌序列的产生方法
• 4.2.1 阈值量化法
• 4.2.2 中间多比特量化法
• 4.3 基于奇偶量化法的混沌序列发生器的方案设计
• 4.4 奇偶量化序列密码的仿真结果和性能分析
• 4.4.1 均衡性分析
• 4.4.2 游程特性
• 4.4.3 自相关和互相关分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 双随机置乱算法的设计与实现
• 5.1 混沌序列置乱的研究现状
• 5.2 双随机置乱算法的设计与实现
• 5.3 实验仿真结果
• 5.4 置乱性能分析
• 5.4.1 不动点
• 5.4.2 自然序
• 5.4.3 置乱移动平均距离
• 5.5 计算量分析
• 5.6 本章小结
• 第6章 基于双随机置乱算法的图像加密系统设计
• 6.1 图像加密系统总体框架设计
• 6.2 实验仿真结果
• 6.3 安全性分析
• 6.4 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的论文
• 个人简介