基于数字混沌的图像选择加密算法的研究

摘要

近年来，计算机和互联网技术的迅速发展越来越显著地改变着人们的生活，多媒体就是借助这两项技术而诞生的应用领域。因此，保护多媒体信息的安全成为人们日益关注的问题。加密技术是解决这一问题的重要方法。由于多媒体的数据量比较大，对其全部加密会消耗大量的资源和时间。因此，选择加密成为加密的重要手段。数字图像是多媒体信息的一种，并且其研究成果可推广到其他的多媒体形式中。在图像的传输过程中，根据加密数字图像的目的不同，我们把加密分为保密加密和退化加密。在图像的退化加密中，为了迎合网络中“先试后买”的购买模式，让用户在购买前先可视一部分图像经过退化后的信息，如果用户感兴趣购买后再为其提供在线恢复或离线恢复的解密密钥即可。但根据图像信息自身的特点，发现传统的一些图像加密算法在实际应用中并不适用，有很多的缺陷和不足。近年来，有很多学者提出了一些新的图像退化加密算法，但发现这些算法存在一些缺点和不足。因此，本文提出了一种基于小波变换的图像退化加密算法，它利用小波变换的特点和混沌映射的特点克服以前的不足。图像的保密加密是一种传统的图像加密模式，实现对图像主要内容的安全保护，使加密后的图像信息呈现出一种伪随机状态以防止非法用户的窃取利用。本文中我们结合算术编码的优点、位平面便于选取图像主要信息的特点和混沌映射的优势，我们在改进已有RAC算法的基础上，提出了一种新的图像保密选择加密算法。本文主要研究的是选择加密，加密数字图像的不重要信息可达到图像退化效果，而加密图像的重要信息可达到保密加密效果。
　　本文的主要工作及其贡献主要包括以下几点：
　　1、分别对现有的图像退化选择加密和图像保密选择加密进行深入的研究和分析，阐述了他们各自的原理和特点，但也指出了它们各自在应用中所存在的不足。
　　2、利用小波变换的特点，再结合混沌映射的优势提出了一种基于小波变换的图像退化选择加密算法。它把图像从空间域转换到小波变换的频域中，对小波变换后的高频部分利用混沌映射对其加入混合噪声，以达到图像退化的目的。对退化的实验结果进行退化程度分析和安全性分析。结果表明这种算法能够有效的抵抗各种滤波攻击和平均攻击，且能够达到良好的退化效果以满足网络销售的需求。
　　3、对算术编码及其原理进行综述，并将它和传统的其他编码方式进行比较发现算术编码的优势。从多方面对算术编码进行描述，分析了它用于压缩加密的优势。
　　4、针对Grangetto等人提出的随机算术编码（RAC）的原理进行描述，发现它的不足之处，并对其进行改进。再结合位平面信息分布的特点和混沌映射的优点，提出了一种新的基于算术编码的保密选择加密算法。并对试验结果进行安全性和效率分析，表明该算法能够抵抗现有的各种安全性攻击和其他密码学分析，是一种安全有效的算法。
　　最后对全文进行总结，并指出本文存在的不足之处和今后进一步研究的方向。

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中文摘要

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1 绪论

1.1 数字图像加密技术的研究背景及其意义

1.2 数字图像加密国内外研究的现状

1.3 研究的目的

1.4主要研究内容及其结构

2 数字混沌的理论基础和现有图像选择加密算法分析

2.1 混沌的理论基础

2.2 数字图像的加密模式

2.3 相关的密码学技术介绍

2.4 现有的图像退化选择加密

2.5 本章小结

3 基于小波变换的图像退化选择加密算法设计

3.1 小波变换的背景

3.2 基于噪声的图像退化模型

3.3 噪声序列的生成

3.4 基于小波变换的图像退化的设计及其复原

3.5 图像退化程度分析

3.6 算法安全性分析

3.7 本章小结

4 基于算术编码的选择加密算法

4.1 理论知识

4.2 算术编码的最优化

4.3 算术编码模型

4.4 基于算术编码的选择加密

4.5 本章小结

5 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 后续研究工作的展望

致谢

参考文献