基于超混沌映射的位平面彩色圖像加密算法資料介紹

　　本文將4D Lorenz混沌映射應(yīng)用在彩色圖像加密中，并簡要的分析了4D Lorenz混沌映射的動力學(xué)性質(zhì)，基于這個映射，設(shè)計了一種位平面置亂和擴散的圖像加密算法。在傳統(tǒng)的置亂–擴散結(jié)構(gòu)中，置亂和擴散一般是兩個獨立的部分，本文算法將位平面置亂和擴散同時進行。位平面置亂采用循環(huán)移位，擴散采用異或和取反操作。此外為了提高抵抗已知明文攻擊和選擇明文攻擊的能力，與原文相關(guān)的SHA-256將應(yīng)用在密鑰流產(chǎn)生器中，因此不同的明文將產(chǎn)生完全不同的密鑰流。最后對本文提出的加密算法進行了相關(guān)的性能分析，如密鑰分析、敏感性分析、統(tǒng)計分析等等，基于所有仿真實驗分析，本文所提出的算法，在數(shù)字圖像加密中具有較好的性能。

　　在現(xiàn)代的數(shù)字圖像技術(shù)中，二維彩色數(shù)字圖像扮演著越來越重要的角色。一副二維數(shù)字圖像中攜帶著許多可視化的有意義的數(shù)據(jù)，如果秘密圖像被泄露，落入不法犯罪分子之手，將會造成極大的信息安全問題，因此信息安全問題就顯得非常重要。數(shù)字圖像具有數(shù)據(jù)容量大、冗余度高、相鄰像素之間的相關(guān)性強等固有特征，這些特征使得大部分的傳統(tǒng)文本加密經(jīng)典算法如DES （Data Encryption Standard）、AES （Advanced Encryption Standard）等不再適用圖像加密，研究人員利用不同的技術(shù)開發(fā)了許多圖像加密系統(tǒng)，如DNA 加密，混合圖像加密，利用小波，卷積變換等加密算法，在這些技術(shù)中，混沌理論應(yīng)用的最為廣泛，這是因為混沌映射具有初始狀態(tài)敏感性、不可預(yù)測性和遍歷性，這些性質(zhì)可以在圖像密碼系統(tǒng)中找到相似的性質(zhì)。

　　1989 年，Matthews 首次提出基于混沌系統(tǒng)的加密方案。1997 年，F(xiàn)ridrich 將混沌映射應(yīng)用到圖像加密系統(tǒng)。1998 年，F(xiàn)ridrich 利用2D 混沌系統(tǒng)提出置亂–擴散結(jié)構(gòu)的圖像加密方案，在這種結(jié)構(gòu)下，首先在置換過程中對像素位置進行擾亂，以減少相鄰像素之間的強相關(guān)性。之后，在擴散過程中像素值逐一改變，后一個值與前一個值相關(guān)，前后擴散兩輪，類似雪崩效應(yīng)?，F(xiàn)有的圖像加密算法中，此結(jié)構(gòu)占據(jù)很大部分。首次提出將圖像濾波應(yīng)用在圖像加密算法中，首先基于圖像塊的置亂，擾亂圖像像素的相關(guān)性，然后在擴散過程中，使用它提出的圖像濾波器的方法，對置亂后的圖像進行擴散，最后部分的仿真測試顯示它比一般的圖像加密方案要更優(yōu)良。，采用的是2Dhenon 映射加密圖像，打破了傳統(tǒng)的置亂–擴散結(jié)構(gòu)，它采用兩點式置亂擴散同時進行，大大的提升了密碼系統(tǒng)的速度，并且為了抵抗選擇明文和已知明文攻擊，它采用了根據(jù)明文生成密鑰流的方式，即不同的原圖將會產(chǎn)生完全不同的密鑰流。均采用2D 映射，生成混沌序列，應(yīng)用在加密圖像中，基于級聯(lián)調(diào)制耦合（CMC）模型提出一種新的2D Logistic ICMIC 耦合映射（2D-LICM），比起參數(shù)較少，軌道相對而言較簡單的一維混沌映射，它的效果會更加優(yōu)良，介紹的是一種新的2 維Sine Logistic 模型映射（2D-SLMM），它起源于Sine 映射和Logistic 映射，比起單獨的兩個映射，2D-SLMM 具有較寬的混沌范圍、較好的遍歷性和超混沌特性。與1D 混沌映射相比，它們通常包含一個變量和幾個參數(shù)，并且它們的軌道很簡單，因此它們的參數(shù)和初始值相對而言容易地估計，當這些映射被應(yīng)用在圖像加密系統(tǒng)中，容易被破解。另一方面，高維混沌映射具有更多的變量和參數(shù)，通常表現(xiàn)出良好的超混沌性質(zhì)，更適合于加密。

　　與像素平面置換相比，位平面置換不僅改變像素位置，而且改變像素值，所以它擁有更好的加密效果，同時為了對抗選擇明文和已知明文攻擊，許多加密算法會提取圖像的一些固有特征，如計算漢明距離，圖像的hash 值，圖像的和等等，因此不同的明文，將會得到完全不同的特征。因此，根據(jù)上述分析總結(jié)，本文將利用高維的超混沌Lorenz 系統(tǒng)，產(chǎn)生一系列混沌序列，基于這些序列，設(shè)計了一種位平面同時置亂—擴散的圖像加密算法。位平面置亂采用循環(huán)移位，擴散采用異或和取反操作，并且設(shè)計了一個密鑰產(chǎn)生器，更好的抵抗選擇明文攻擊和已知明文攻擊。

　　本文的結(jié)構(gòu)如下，在第2 節(jié)，介紹超混沌Lorenz 系統(tǒng)，給出了它的混沌吸引子與lyapunov圖形，簡要分析了它的動力學(xué)性質(zhì)。在第3 節(jié)提出基于Lorenz 圖像加密算法。第4 節(jié)，對本文提出的加密算法進行了相關(guān)的性能分析，如密鑰分析、敏感性分析、統(tǒng)計分析等等，基于所有仿真實驗分析，本文所提出的算法，在數(shù)字圖像加密中具有較好的性能。最后在第5 節(jié)給出了本文的總結(jié)。