混沌加密及其在指纹图像加密中的应用研究

摘要

计算机和互联网是二十世纪最重要的发明,随着计算机和互联网技术的迅速发展和应用,人类迅速跨入了信息时代。人们在互联网上共享和传播的信息随着网络带宽的迅速增长,由最初的文字信息为主发展为以图片和视频为主。互联网给我们带来便利的同时也给信息安全带来新的挑战,传统的物理隔离这样的信息安全措施在互联网时代变得越来越难以实现。为确保信息安全,必须从物理到应用各个层面开展系统的信息安全防护。加密作为信息安全的最后一道屏障,能够在信息被未经授权的第三方获取后仍然确保信息不被泄露。它作为保护私有信息安全最有效的技术手段在互联网时代显得越来越重要。
　　混沌加密是混沌理论和密码学理论的有机结合,是近年来密码学研究的一个新方向和研究热点。由于混沌独有的特性,使其在数字图像加密领域更是表现出了独特优势,很多学者提出了基于混沌的图像加密方案。生物特征识别技术是近年来信息技术领域的一个研究热点,它基于人固有的生理特征或是行为特征来实现个体识别。指纹是生物特征识别中应用最为广泛的生理特征,它在考勤签到、公安、海关、社保等多个领域有着广泛的应用。如何保护指纹图像的信息安全,避免指纹信息的泄露是我们不得不面对的一个问题。
　　本论文在基于目前混沌密码学特别是混沌图像加密已经取得的研究成果的基础上,致力于研究和设计适合指纹图像加密的混沌加密方案。本论文完成的工作主要包括以下几方面:
　　①对密码学基础理论和混沌理论基础作了较详细的论述。介绍了密码学基础知识、常见密码分析方式和常见的几类密码。对比混沌理论和密码学关系,介绍了常用的混沌加密方法。
　　②简要介绍图像傅里叶变换基础知识,分析总结混沌图像加密、指纹图像预处理及识别、指纹图像加密等技术的研究进展。
　　③对已提出的彩色图像混沌加密算法进行了分析和改进,首先分析其在初值设置、明文敏感性等方面的不足;然后利用选择明文方式对该算法进行了有效攻击,最后通过调整初值设置、将明文特性引入混沌初值、两轮加密处理等方式对算法加以改进。
　　④分析了已有的基于多涡卷混沌吸引子的二值指纹图像加密算法,指出其密钥空间、明文敏感性等方面的不足;设计了一种基于时空混沌的伪随机序列发生器,并将其用于设计了一个二值指纹图像的混沌加密算法。
　　⑤设计了一个基于Logistic映射的灰度指纹图像的混沌加密算法,该算法将指纹图像自身的特征引入混沌映射初值,具有更好的明文敏感性表现。将灰度指纹图像进行快速傅里叶变换,设计了在频域空间上混沌指纹图像加密算法。该算法除具有较好的安全性以外,还具有良好的抗干扰能力。
　　最后总结全文,并指出今后进一步的研究方向。

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目录

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 主要研究内容及成果

1.3 论文组织结构

2 混沌密码学基础

2.1 密码学基础

2.2 常用密码体制

2.3 混沌与密码学的关系

2.4 混沌密码学的研究概况

2.5 混沌密码学存在的问题及发展前景

2.6 本章小结

3 图像处理及混沌图像加密基础

3.1 图像傅里叶变换

3.2 指纹图像应用基础

3.3 混沌图像加密

3.4 指纹图像混沌加密技术

3.5 本章小结

4 一种彩色图像混沌加密算法分析和改进

4.1 加密算法简介

4.2 对算法的分析

4.3 加密算法的破解

4.4 算法改进

4.5 仿真实验及安全性分析

4.6 本章小结

5 二值指纹图像混沌加密算法研究

5.1 基于多涡卷混沌吸引子的二值指纹图像加密算法简介

5.2 多涡卷混沌加密的分析

5.3 一种基于时空混沌的伪随机数发生器

5.4 基于时空混沌的二值指纹图像加密

5.5.仿真实验

5.6 安全性分析

5.7 本章小结

6 灰度指纹图像混沌加密算法研究

6.1 灰度指纹图像的混沌加密

6.2 基于傅里叶变换和混沌的灰度指纹图像加密算法

6.3 算法的仿真实验

6.4 算法安全性分析

6.5 加密算法存在的不足

6.6 本章小结

7 总结与展望

致谢

参考文献

附录