基于混沌理论的信息加密技术研究

摘要

由于混沌系统具有内随机性、不可预测性、宽带特性、遍历性以及对初始条件和系统参数的极端敏感性等,混沌理论及其应用研究成为世界范围内的具有极大前景的学术研究热点。目前,基于混沌的信息加密技术作为密码学的一个重要研究分支,已逐渐引起学者们的极大研究热情。由于图像数据本身的特点,如数据量大,存在大量的冗余,数据具有二维空间分布的特点,能量分布不均匀等,传统的加密算法不适用于图像加密方面,所以混沌密码技术的发展,为数字图像的加密提供了新的发展方向。此外,混沌控制和混沌同步的研究也取得了可喜的成果,它在保密通信中具有极好的应用前景。
　　本文分别针对基于混沌的图像加密技术和基于混沌同步的保密通信技术进行了研究,主要研究内容如下:
　　首先,提出一种基于整数小波变换的混沌图像加密方法。由于整数小波变换计算复杂度较低,更为重要的是,数字图像的像素灰度值为整数,因此整数小波变换更适合这类信号的处理,所以算法采用整数小波变换对图像进行分解。同时考虑到高频子带包含的图像的信息量较低,而且为了降低算法的计算量,在变换域中对低频系数进行置乱和扩散变换,对高频系数仅采用置乱变换以达到加密的目的。接着对加密后的低频系数和高频系数进行整数小波逆变换得到密文图像。采用常见的一些图像攻击方法,如噪声攻击、剪切攻击、压缩攻击等来检验算法的安全性,并采用峰值信噪比PSNR(Peak Signalto Noise Ratio)作为评价恢复的图像质量的评价标准。
　　其次,构建一个新的时空混沌系统,并且在这个时空混沌系统的基础上设计一个图像加密方案。考虑到NCA映射的优点,用NCA映射定义耦合映像格子中的局部非线性映射,由此得到一个新的时空混沌系统。在图像加密方案中,采用NCA映射控制图像的置乱过程。扩散加密过程分成两部分,首先通过位异或运算对图像进行初级的扩散,接着采用时空混沌序列改变像素的值。通过直方图分析、信息熵分析、相邻像素的相关性分析、差分分析等来检验算法的统计特性,通过敏感性分析和密钥空间分析等检验算法的安全性能。
　　接着,提出一个基于比特级置乱的选择性的彩色图像加密方案。在这个加密系统中,采用的混沌系统为Logistic映射和时空混沌系统,其中Logistic映射生成的混沌序列作为时空混沌系统的初始值。由于比特级的置乱技术对图像来说既能起到置乱加密的作用,又能起到扩散加密的作用,而且置乱算法运算量低,运行速度快,所以提出的加密方案中仅通过比特级的置乱对彩色图像进行加密。由于图像中像素的低位比特携带的图像信息量非常少,因此考虑仅选择性的加密高位的N比特,而低位的8-N比特保持不变。整个置乱过程可以分为两部分,即行置乱和列置乱。同时为了保证算法对明文变化的敏感性,本文并没有采用像素级的扩散方法,而设法把明文图像引入密钥中,这样可以保证明文图像的微小变化可以引起密文图像的巨大变化。
　　最后,对基于外部混沌信号驱动的混沌同步系统进行研究,并将其应用于保密通信方案中。由于在相同的噪声项的驱动下,两个初始值不同的混沌系统最终会实现同步。分别采用连续混沌变量和离散混沌变量对两个Lorenz混沌系统进行驱动,对比其同步效果,并对离散混沌变量驱动系统作进一步的研究,探讨影响因素与同步效果之间的关系。最后把同步方案应用于保密通信中,尝试对音频信号及图像信号进行加密,检测信号恢复效果及系统的鲁棒性。

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第1章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文的研究内容及结构安排

第2章 混沌基础理论

2.1 混沌的定义和特点

2.2 混沌态的判断准则

2.3 几种典型的混沌系统

2.4 小结

第3章 基于整数小波变换的混沌图像加密算法研究

3.1 引言

3.2 常用的混沌图像加密技术

3.3 小波变换

3.4 基于整数小波变换的混沌图像加密算法

3.5 实验结果及分析

3.6 密钥空间分析

3.7 小结

第4章 一种基于新的时空混沌系统的图像加密算法

4.1 引言

4.2 基于NCA映射的时空混沌系统

4.3 基于时空混沌的图像加密方案

4.4 实验结果及分析

4.5 小结

第5章 基于比特级置乱的选择彩色图像加密算法

5.1 引言

5.2 位平面分析

5.3 基于比特级置乱的彩色图像加密方案设计

5.4 实验结果及分析

5.5 小结

第6章 外部混沌信号驱动的混沌同步保密通信系统

6.1 引言

6.2 混沌同步技术

6.3 通过外部混沌信号驱动实现混沌系统同步原理

6.4 实验结果及分析

6.5 离散混沌变量驱动混沌同步系统在保密通信中的应用

6.6 小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢