基于空间域的混沌图像加密算法研究

论文摘要

近年来,随着网络带宽和计算机处理能力的不断提升,人们越来越倾向于通过网络共享和传播数字图像,它给人们带来种种便利的同时,也对图像信息安全与保密工作提出了进一步的要求.因此,如何对将要发送的图像进行安全可靠的加密处理已经成为当前众多学者研究的课题.将传统的加密标准直接应用到图像加密存在一定的缺陷,鉴于数字图像自身所具有的特殊性,国内外学者提出了许多图像加密方案.在这些方案中,基于混沌理论与小波变换理论的图像加密方案表现出了良好的加密特性.利用超混沌系统和提升小波变换所具有的优良特性,对数字图像进行加密,使得其加密安全性和效率得到了提高,因此将其应用于图像加密中,加密效果将更好.本文以前人的研究工作为基础,利用超混沌理论和提升小波理论在空间域上对图像加密展开了深入的研究,主要取得如下成果:(1)一种基于位平面置乱和多混沌系统组合的图像加密方案的研究.首先利用具有复杂动力学特性的二维Logistic混沌系统和四维Chen超混沌系统分别产生一组伪随机整数序列,其次将其中一组序列作为广义Arnold映射的参数序列,另一组序列作为换序置乱序列,然后将灰度图像分级(位平面分解),对每个位平面图像分别进行广义Arnold变换和换序置乱,最后将置乱后的所有位平面图像合成灰度图像,从而实现对数字图像的加密.通过Matlab仿真,实验结果表明该加密方案不仅改进了单一混沌映射的退化问题,而且有效地改善了明文的统计特性以及抵抗已知明文和选择明文等各种攻击的能力,并具有密钥空间大,对密钥和明文高度敏感的优点.(2)一种基于提升小波变换的超混沌图像加密方案的研究.首先将图像进行整数提升小波变换,根据自适应排列置乱算法对提升小波变换后的低频子带系数进行调整置乱,然后由两个二维超混沌系统生成混沌序列并进行预处理,同时构造双混合反馈系统,最后利用双混合反馈系统对小波重构后的图像进行像素灰度值替代加密.仿真结果表明,该加密方案弥补了图像经传统小波变换后不能无失真重构的缺陷,并克服了单一的低维混沌系统保密性不高的缺点,在密钥空间和抵抗各种攻击方法上均有较好的改进,具有较高的安全性和实用性.

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 研究内容与结构安排
• 第二章 小波分析基本理论
• 2.1 引言
• 2.2 小波变换简介
• 2.2.1 连续小波变换
• 2.2.2 离散小波变换
• 2.2.3 多分辨分析
• 2.2.4 Mallat分解与重构算法
• 2.3 提升小波变换概述
• 2.3.1 提升小波变换基本原理
• 2.3.2 提升格式的频域表示
• 2.3.3 提升格式的Mallat 算法
• 2.3.4 提升格式的算法描述
• 2.3.5 整数小波变换
• 2.4 本章小结
• 第三章 一种位平面置乱和多混沌系统组合的图像加密方案
• 3.1 引言
• 3.2 图像分级基本原理
• 3.2.1 位平面的概念
• 3.2.2 位平面的分解与重构
• 3.3 Arnold 变换基本原理
• 3.4 混沌基本原理
• 3.4.1 混沌的定义
• 3.4.2 Logistic 混沌模型
• 3.4.3 常见的高维混沌动力模型
• 3.5 基于位平面的图像加密方案
• 3.5.1 整数序列的生成
• 3.5.2 广义Arnold 变换的参数生成
• 3.5.3 图像加密方案设计
• 3.6 数值仿真结果与安全性分析
• 3.6.1 密钥空间分析
• 3.6.2 相邻像素的相关性分析
• 3.6.3 密文分布特性分析
• 3.6.4 密钥敏感性测试
• 3.6.5 差分攻击分析
• 3.7 本章小结
• 第四章 一种基于提升小波变换的超混沌图像加密方案
• 4.1 引言
• 4.2 二维超混沌动力模型
• 4.3 基于超混沌的图像加密/解密方案
• 4.3.1 加密方案设计
• 4.3.2 解密方案设计
• 4.4 仿真试验结果及其分析
• 4.4.1 密钥空间分析
• 4.4.2 差分攻击分析
• 4.4.3 相邻像素的相关性分析
• 4.4.4 直方图分析
• 4.4.5 密钥敏感性分析
• 4.4.6 信息熵分析
• 4.4.7 峰值信噪比分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 本文总结
• 5.2 未来展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者在攻读硕士期间主要研究成果