基于混沌系统的自适应图像加密算法的研究与实现

摘要

在互联网飞速发展的今天，信息丰富的、直观的图像得到越来越广泛的应用，相比较于文本，图像更容易被人们所接受。传统的文本加密算法已经有很成熟的理论研究和实际应用价值，如何保护数据量大、高冗余度的图像的安全性，成为密码学研究的热门课题。
　　本文总结了现有的图像加密技术及其性能要求与评价指标，混沌系统的特性及其与图像加密技术的关系，研究了基于自适应结构的空域和变换域的图像加密技术，主要内容如下：
　　①对图像加密基础进行汇总，包括密码学基础，图像加密的思想、设计原则、评价指标。详细概述了混沌的定义、特征、判断准则，对常见的混沌密码系统进行总结并指出存在的问题和解决方案。
　　②分析了混沌与密码学的关系，对现有的基于混沌系统的图像加密技术进行分类汇总，指出它们的优点、缺点、适应情况。
　　③设计了基于混沌的自适应空域图像加密算法。首先，对任意大小的灰度或彩色图像进行1轮扩展的Arnold置乱，把置乱后的图像分成2x2子块。其次，用左上角子块的像素灰度值和Chebyshev混沌映射构造与右上角子块等大的矩阵，用该矩阵对右上角子块进行像素灰度值替换。最后，按顺时针对每个子块进行加密，直到左上角子块加密完毕，一轮加密过程便结束。本文给出了详细的加密和解密过程，并通过仿真实验论证了该算法的相关性能。
　　④设计了一种自适应的变换域图像加密算法。首先，对输入的灰度或彩色图像进行预处理，使得图像的大小满足自适应结构的要求，并对处理后的规则图像进行级的二维离散小波变换。其次，使用Logistic映射生成与规则图像等大的矩阵，用该矩阵的子矩阵对各级小波系数矩阵进行自适应排列。最后，对置乱后的系数矩阵进行二维离散逆小波变换得到置乱后的图像。本文分析了小波变换尺度和排列次数对加密结果的影响，并对比了自适应的空域和变换域算法的优缺点。
　　最后是全文的总结，并提出了论文的不足以及今后进一步研究改进的方向。

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目录

1 绪论

1.1研究背景与课题意义

1.2国内外研究现状

1.3本文的结构及主要工作

2 密码学和混沌理论概述

2.1密码学的基本原理

2.2混沌系统的基本原理

2.3本章小结

3 图像加密技术

3.1图像加密基础

3.2图像加密的衡量指标

3.3现有图像加密技术分析

3.4图像的灰度值扩散结构

3.5小波变换的基本理论[38]

3.6本章小结

4 自适应的空域图像加密算法

4.1加密方案

4.2图像分块

4.3加密过程

4.4解密过程

4.5应用于彩色图像加密

4.6安全性分析

4.7本章小结

5 自适应的变换域图像加密算法

5.1加密方案

5.2加密过程

5.3解密过程

5.4应用于彩色图像加密

5.5安全性分析

5.6本章小结

6 全文总结与展望

致谢

参考文献

附 录