基于混沌的图像信息安全算法研究

论文摘要

基于计算机和网络的信息交换为多媒体数字作品的使用、传播提供了便利的途径,然而数字作品极易被非法复制和篡改的特性,使得数字作品的信息加密和版权保护成为迫切需要解决的问题。由于图像信息的数据量大、冗余度高,已给传统密码提出了挑战,而混沌密码在多媒体信息的加密上体现了强大的优势。论文首先研究了混沌理论的基础知识和用于图像信息安全的混沌动力系统。然后,着重研究了基于混沌的身份标识Hash加密算法、用于图像信息版权保护的小波域彩色图像水印算法和基于混沌的彩色图像加密算法,取得了以下主要创新成果:1、研究了混沌理论及其在图像信息安全中的应用。弄清了混沌现象的基本特征和混沌的主要度量特征,深入研究了常用于图像信息安全的一维、二维和三维混沌映射及其特征,并讨论了图像信息安全对混沌系统的客观要求,为图像信息安全技术中进行混沌系统的评判、设计和选择提供了理论依据。2、设计了基于混沌的身份标识加密算法。针对图像信息安全保护中的用户身份标识的加密问题,设计了高安全、低复杂性的混沌加密的Hash函数;针对可识别明文到可识别密文的映射需求问题,进一步设计了排序基础上的多对一加密映射;针对由可识别明文到认证证书与加密过程中需要生成密钥序列的需求问题,设计了具有明文依赖性和自相关性特点的认证证书构建函数。加密过程具有随机和不确定性,而对给定输入加密生成的密文却具有唯一确定性。加密生成的证书是不可破译的。3、设计了基于混沌与小波的彩色数字图像盲水印算法。针对图像版权保护问题,研究了问题所涉及到的信息隐藏与数字水印技术,指出了信息隐藏技术应该解决的主要问题;研究了图像数字水印技术的实现方法,明确提出了数字水印技术的通用模型和数字水印技术的性能指标;概括了数字水印的种类,指出了数字水印技术中水印域的选取策略。最后,设计了一种将随机机制引入到在小波变换域通过混沌映射和统计方法实现水印的嵌入与提取的算法,解决了低通滤波及裁剪等几何攻击使水印丢失的问题,提高了水印的鲁棒性与抗几何攻击的能力。4、设计了彩色数字图像的混沌加密算法。设计了一种基于遍历矩阵的图像遍历算法,将二维图像变为混乱的一维向量,解决了传统遍历矩阵不能处理非方阵图像的问题;设计了恰当的非线性混

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出及研究意义
• 1.1.1 问题的提出
• 1.1.2 研究的意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 信息安全技术的研究现状和动向
• 1.2.2 图像信息安全技术的研究现状和动向
• 1.3 本文的研究目的和研究内容
• 1.3.1 本文的研究目的
• 1.3.2 本文的主要研究内容
• 1.4 本文的组织结构
• 2 混沌理论与图像信息安全
• 2.1 混沌的定义
• 2.1.1 混沌概念及其沿革
• 2.1.2 与混沌相关的几个概念
• 2.2 混沌现象的基本特征
• 2.3 混沌的主要度量特征
• 2.3.1 随机性
• 2.3.2 分维性
• 2.3.3 正的Lyapunov 指数
• 2.3.4 连续的功率谱
• 2.3.5 测度普适性
• 2.4 混沌系统的应用
• 2.4.1 混沌系统在信息安全技术中的应用
• 2.4.2 混沌在优化计算中的应用
• 2.5 用于图像信息安全的混沌映射
• 2.5.1 一维混沌映射
• 2.5.2 二维混沌映射
• 2.5.3 三维混沌映射
• 2.5.4 用于图像信息安全的混沌系统的客观要求
• 2.6 本章小结
• 3 基于混沌的身份标识加密
• 3.1 身份标识加密的应用需求
• 3.2 混沌映射
• 3.2.1 映射定义
• 3.2.2 混沌映射的统计特性分析
• 3.3 用于明文加密的Hash 函数H1（P,x0）
• 3.4 身份标识的加密认证算法
• 3.4.1 映射身份标识为可识别字符串的Hash 函数H2（I,x0）
• 3.4.2 基于身份标识的证书构建算法H3（I,x0）
• 3.5 算法有效性分析
• 3.5.1 复杂性分析
• 3.5.2 安全性分析
• 3.6 本章小结
• 4 基于混沌的数字水印技术
• 4.1 信息隐藏与数字水印概述
• 4.1.1 信息隐藏技术解决的问题
• 4.1.2 从掩密术到数字水印的发展
• 4.2 图像数字水印的技术实现
• 4.2.1 数字水印技术通用模型
• 4.2.2 数字水印技术的性能指标
• 4.2.3 数字水印的种类
• 4.2.4 水印攻击及防范措施
• 4.2.5 水印域的选取
• 4.2.6 混沌与鲁棒水印
• 4.3 彩色图像小波域盲水印算法
• 4.3.1 水印嵌入算法
• 4.3.2 水印抽取算法
• 4.3.3 实验结果与分析
• 4.4 本章小结
• 5 基于混沌的图像加密技术
• 5.1 加密系统概述
• 5.1.1 传统密码学基础
• 5.1.2 传统密码技术与分类
• 5.1.3 加密系统的安全性与密文攻击方式
• 5.2 传统的图像加密技术
• 5.3 混沌图像加密技术
• 5.3.1 已有的研究成果与现状分析
• 5.3.2 混沌图像密码系统的优越性
• 5.3.3 混沌图像密码系统加密模型
• 5.3.4 置乱加密算法
• 5.3.5 值变换与扩散加密算法
• 5.3.6 密钥生成算法
• 5.3.7 混沌密码的设计原则
• 5.4 基于混沌的彩色图像加密技术
• 5.4.1 概述
• 5.4.2 用遍历和混沌系统实现位置置换
• 5.4.3 混沌动力系统与扩散算法
• 5.4.4 密钥变换算法
• 5.4.5 含S-盒代数运算的混沌加密术
• 5.4.6 加密实验效果与安全性分析
• 5.5 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 本文主要工作及结论
• 6.1.1 本文主要工作及创新点
• 6.1.2 研究工作的自我评价
• 6.2 后续研究工作的展望
• 6.2.1 关于网络与信息安全的理论和技术
• 6.2.2 关于图像加密的的进一步思考
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录
• B 作者在攻读博士学位期间参加的科研项目