基于离散混沌映射的数字图像加密技术研究与实现

摘要

混沌是上世纪的一个重大的发现，随着人们对混沌认识的不断深入，它已经影响着科学、工程、经济学乃至在哲学的研究领域里，并且对这些领域带来了许多新的挑战。在工程领域中，对混沌的研究主要是如何利用混沌来实现它的价值，就目前来说，工程界中取得比较突出的研究成果是混沌控制与混沌同步。混沌系统的对系统参数的敏感性、拓扑传递性以及运动的轨道遍历性恰恰满足了现代密码学中的扩散、混淆以及系统对密钥依赖性的要求，这也就是混沌与密码学之间有着天然的联系，把混沌理论应用在信息安全领域已经成为当前混沌理论研究的一个热点。目前，很多对数据信息进行加密的算法都是针对于PC级的，对于嵌入式设备来说，其自身的特点限制并不适合应用这些算法对数据信息进行加密。而混沌加密的具有各方面的优点，与此同时，由于图像处理技术与存储技术的不断提高，人们日常生活中使用图片来传递信息也越来越普遍了，将混沌加密算法应用于嵌入式系统的设备中有着其广泛的应用前景。
　　 本文主要的研究内容包括：
　　 (1)构建了嵌入式系统开发的硬件与软件环境。对嵌入式系统平台相关的硬件进行分析，并且移植嵌入式Linux操作系统到实验平台上。其中，包含bootloader、Linux内核、根文件系统以及相应的应用程序。完成基于嵌入式Linux的ARM开发平台的调试工作。同时介绍了嵌入式系统的基本知识、一般的开发流程、嵌入式Linux网络编程以及BMP数字图像的相关知识。
　　 (2)提出了一种改进型Wang-Chen算法，并对其驱动--响应式同步进行了数值仿真。根据改进型Wang-Chen算法，实现了数字图像的序列密码加密、局域网传输和解密，形成一个混沌保密通信系统，给出了基于嵌入式ARM+Linux平台的硬件实现结果。详细地证明Chen-lai算法与Wang-chen算法在理论上是混沌系统并且能够实现同步。由于Wang-Chen算法本身是很难同步的，但在Wang-Chen算法的基础上，提出了一种离散时间系统单变量反控制与同步的方法，并将该方法运用于混沌序列密码数字图像加密中。
　　 (3)根据上述所提的改进型Wang-Chen算法，利用C语言对加密算法进行编程，经过在PC上安装的交叉编译工具对所编写的C程序进行交叉编译生成ARM-Linux平台能够运行的可执行文件，并且下载到平台上运行与调试，最终完成加密算法的改进以及对实验结果的安全性测试与评价。