基于混沌理论的多媒体信息安全算法研究

论文摘要

随着计算机技术和网络技术的飞速发展,多媒体信息安全问题显得日益重要。由于多媒体数据本身具有高冗余性、数据量大等特点,因此对它的安全保护有着特殊要求,如:高实时性、自认证性和可用性等等。传统密码学对多媒体数据的保护不是十分有效。考虑到传统密码学的不足,近年来,人们开始寻求多媒体信息保护的新方法。其中,基于混沌的加密技术和数字水印技术显示出了其独到的优势,很有可能成为新的多媒体保护的有效手段。本文基于离散混沌的基本理论,对图像、视频等多媒体数据安全算法进行了系统的研究,主要内容包括:（1）在混沌理论方面,从混沌映射的基本特性出发,研究了离散混沌系统中周期化和有限精度等因素引起的混沌动力学退化现象,并从周期点角度证明了一维混沌动力学系统中平凡密钥和拟平凡密钥的“广泛”存在性,提出了相应的改进思路,并在此基础上提出了五种实用的质量较好的数字化混沌密钥流产生的改进方案,包括二进制混沌伪随机序列、N相混沌伪随机数序列及二维混沌密钥矩阵等。论文重点对离散混沌系统中的两类群结构进行了研究和证明,得出了定长混沌二值（或整数）序列对异或运算构成群和混沌一维置换序列和二维置换矩阵对置换变换构成置换群的结论,此结论对以“置乱”和“混迭”为核心的各类混沌加密算法的设计具有一定的理论指导意义。（2）在基于混沌分组密码的加密技术研究方面,针对数字图像加密,提出了一种基于可逆混沌映射的将“置乱”、“替换”和“混迭”等技术相结合的能够有效的抵抗诸如明文攻击、统计分析、差分攻击等攻击的数字图像分组加密改进算法;随后对离散二维Arnold变换的周期性现象进行了深入研究,提出了一种将二维Arnold变换和混沌矩阵置乱双重置乱相结合的周期性改进方案,并在此基础上提出了一种基于二维Arnold变换的空域数字图像加密改进算法;最后将二维可逆混沌映射扩展到了三维,提出了一种基于三维Arnold映射的DCT域彩色图像分组加密算法。实验证明,随着维数的增加,这些算法在加密速度和安全性上均有较大的提高。（3）在基于混沌序列密码的加密技术研究方面,针对MPEG-2视频流加密,提出了两种直接针对压缩后视频流数据的快速实用的改进算法,这些算法利用混沌序列密码良好的随机性和密钥敏感性,在保证了较高安全性的同时,极大的提高了算法的运算速度。随后提出了一种基于混沌的S-盒候选方案,并用其做替换操作,进一步提高了此类算法抵抗线性攻击和差分攻击的能力。（4）在基于混沌的数字水印技术研究方面,针对数字水印的特性要求和不同应用背景,利用混沌序列良好的初值敏感性、随机性、遍历性和庞大的密钥空间,分别提出了一种基于混沌的半脆弱数字水印算法和一种多功能数字水印算法。前者很好的实现了篡改检测和定位,而后者结合多种数字水印技术,较好的实现了完整性认证、篡改检测、版权认证等多种水印功能,同时拓展了混沌在数字水印方面的应用形式。最后论文分析了当前在混沌加密与数字水印研究中存在的问题,并指出了进一步的研究方向。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 基于混沌系统的多媒体信息安全研究现状
• 1.2.1 基于混沌动力学系统的密码序列研究现状
• 1.2.2 基于混沌分组密码的数字图像加密算法研究现状
• 1.2.3 基于混沌序列密码的流数据加密算法研究现状
• 1.2.4 基于混沌系统的数字水印技术研究现状
• 1.3 混沌应用于信息安全领域所需解决的问题
• 1.4 课题研究内容及章节安排
• 1.4.1 本文的主要研究内容
• 1.4.2 论文章节安排
• 第二章 混沌相关理论及密码序列研究
• 2.1 混沌概述
• 2.1.1 混沌定义及其基本特征
• 2.1.2 刻画混沌的主要参数
• 2.1.3 几种典型混沌动力学系统
• 2.2 离散混沌系统的动力学退化问题及平凡密钥现象研究
• 2.2.1 离散混沌系统的动力学退化问题
• 2.2.2 一维混沌动力学系统中的平凡密钥和拟平凡密钥现象
• 2.3 几种离散混沌密码序列候选产生算法设计
• 2.3.1 混沌二进制伪随机序列候选产生算法设计
• 2.3.2 N 相混沌伪随机数序列候选产生算法设计
• 2.3.3 二维混沌密钥矩阵候选算法设计
• 2.4 离散混沌系统中的群结构
• 2.4.1 群的基本定义
• 2.4.2 混沌二值序列对异或运算构成群的理论和实验证明
• 2.4.3 二维混沌置换矩阵对置换变换构成置换群的理论和实验证明
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于混沌分组密码的数字图像加密技术研究
• 3.1 混沌分组密码的一般设计方法
• 3.1.1 混沌映射与传统密码学的联系
• 3.1.2 混沌分组密码设计的可行性及一般设计方法
• 3.2 基于一维可逆混沌映射的数字图像分组加密算法设计
• 3.2.1 一种基于一维混沌映射的数字图像分组加密算法设计
• 3.2.2 算法仿真及测试分析
• 3.3 基于高维可逆混沌映射的数字图像分组加密算法设计
• 3.3.1 基于二维可逆混沌映射的数字图像加密改进算法
• 3.3.2 基于三维可逆混沌映射的数字图像分组加密算法设计
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于混沌序列密码的视频压缩流加密技术研究
• 4.1 基于混沌序列密码的视频流加密一般设计方法
• 4.1.1 视频流加密技术的性能要求
• 4.1.2 混沌序列密码设计的可行性和一般设计方法
• 4.2 基于混沌序列密码的MPEG-2 压缩流直接加密算法设计
• 4.2.1 MPEG-2 编码格式及比特流语义分析
• 4.2.2 一种基于混沌序列密码的改进型CVEA 算法设计
• 4.2.3 一种基于混沌序列密码的压缩码流置乱加密算法设计
• 4.3 一种基于S-盒及混沌序列密码的视频压缩流加密算法设计
• 4.3.1 基于混沌伪随机序列的S-盒候选方案设计
• 4.3.2 总体算法原理
• 4.3.3 实验结果及分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 基于混沌系统的数字水印技术研究
• 5.1 数字水印技术的应用要求及研究现状
• 5.1.1 数字水印技术的应用要求
• 5.1.2 现有典型多媒体数字水印算法分析
• 5.1.3 混沌与多媒体数字水印技术
• 5.2 基于混沌系统的半脆弱水印算法设计
• 5.2.1 脆弱数字水印技术
• 5.2.2 一种基于混沌密钥和 LSB 的彩色图像半脆弱水印算法设计
• 5.2.3 仿真结果及攻击检测
• 5.3 基于混沌系统的多功能数字图像水印算法设计
• 5.3.1 多功能数字水印技术
• 5.3.2 一种基于混沌系统的彩色图像多功能数字水印算法设计
• 5.3.3 算法仿真及攻击检测
• 5.4 本章小结
• 第六章 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录A 论文中涉及的常用计算公式