卫星图像的三维可逆映射加密算法研究

摘要

军事或商业卫星图像涉及国家机密、军事安全和公司利益等，不希望被未经授权者查看或篡改，因此必须保证卫星图像在存储和传输过程中的安全性。但是传统的图像加密方法存在效率低、密钥空间小、安全性低等问题，因此研究新型实用的针对卫星图像特点的加密算法具有重要意义。
　　为了解决常规加密算法只能进行二维图像置乱的问题，本文提出了一种基于混沌拉伸和折叠思想的三维可逆映射集合图像加密算法，同时实现置乱和替代运算。为了提高算法置乱和扩散效率，本文首先将图像的二维矩阵扩展到三维位矩阵以，进而提出了图像的数据矩阵变换算法、拉伸、折叠和替代算法。然后将该算法按设定的规则组合，构成可逆映射集合，并设计相应的密钥方案，根据密钥完成对图像数据矩阵的混淆和扩散。为解决加密算法计算复杂度高的问题，对算法进行了优化。最后，对提出的加密算法进行加密、解密仿真实验，并分析相应的安全性能指标，结果表明本加密算法具有密钥空间大、安全性能高等特点。
　　为了解决加密算法对密钥和明文变化的敏感度问题，增加密钥空间，本文研究一种基于三维离散混沌序列的图像加密算法。首先，利用混沌系统对初始值和参数的敏感性以及内在随机性等特点，设计基于混沌映射的伪随机序列产生器，测试结果表明产生的伪随机序列具有良好的密码学特性，可用于构造高安全性的图像加密算法。其次，利用伪随机序列对图像数据进行逐位加密，改变明文图像像素值。所设计的加密算法的密钥与明文密切相关，在加密过程中，利用明文信息不断更新密钥值，再根据密钥值选择不同的伪随机子序列，从而有效地提高了加密算法对明文变化的敏感性。最后，测试了加密算法的安全性能，仿真结果表明该加密算法具有对密钥和明文敏感度高、扩散性能好等特点。
　　为了解决数字混沌映射在有限精度下存在动力学退化的问题，并且提高加密算法的实用性和快速性，本文研究了一种基于多组混沌系统同步的图像加密算法。首先，研究利用驱动响应法控制Chua混沌电路和Lorenz系统同步的问题，并设计两组混沌系统同步的硬件电路。其次，在发送端，将明文图像映射为二进制位流，并通过采样脉冲和阈值控制方法将主混沌系统的状态信号变换为二进制密钥序列，再根据密钥序列对明文图像位流进行加密得到密文信息。最后，利用混沌同步驱动信号掩盖密文信息并将其传输至接收端。在接收端，利用同步状态信号从同步驱动信号中抽取密文信息，并通过解密算法恢复明文图像。对提出的加密算法进行了仿真实验，并分析了加密算法的安全性，结果表明，该图像加密系统能有效避免混沌动力学退化问题，具有较强的实用性。
　　为了简化算法复杂度、节约存储空间、缩短加密和传输时间，本文研究一种基于Contourlet变换的混沌图像加密算法。首先，研究基于小波的Contourlet变换(WBCT)，WBCT变换可将数字图像变换为低频和高频子带系数矩阵。本文利用低频子带包含原图像的基本信息这一特性，提出一种局部加密算法，仅加密WBCT变换系数矩阵的最低频子带和变换系数的符号，以提高加密效率。其次，利用多涡卷混沌产生器构造伪随机密钥序列，再利用伪随机序列对最低频系数及符号位矩阵进行扩散和混淆完成加密。再次，根据类SPIHT算法对高频和加密后的低频系数矩阵进行压缩编码，输出加密的压缩数据流。最后，设计无线图像监控系统的硬件和软件，利用提出的压缩图像加密算法保证监控图像的安全性。
　　本文研究了一类卫星图像加密算法，仿真和实验结果表明提出的三维可逆映射加密算法具有置乱和替代空间大、密钥空间大、对密钥和明文变化敏感度高、无信息损失等优点，能够有效保证卫星图像在存储和传输过程中的安全性。

目录

卫星图像的三维可逆映射加密算法研究

RESEARCH ON 3D INVERTIBLE MAP BASEDIMAGE ENCRYPTION ALGORITHM OFSATELITE IMAGE

摘 要

Abstract

Contents

第 1 章 绪论

1.1 研究目的和意义

1.2 国内外研究综述

1.3 主要研究内容

第 2 章 三维可逆映射集合图像加密算法

2.1 引言

2.2 一种新的置乱和替代图像加密思想

2.3 可逆映射集合图像加密算法设计

2.4 仿真结果与安全性分析

2.5 本章小结

第 3 章 基于三维离散混沌序列的图像加密算法

3.1 引言

3.2 混沌图像加密算法的理论基础

3.3 图像加密算法设计

3.4 仿真结果及分析

3.5 本章小结

第 4 章 基于多组混沌系统同步的图像加密算法

4.1 引言

4.2 混沌同步安全通信系统

4.3 基于多组混沌系统同步的图像加密算法

4.4 实验结果与安全性分析

4.5 本章小结

第 5 章 基于Contourlet变换的混沌图像加密算法

5.1 引言

5.2 图像压缩算法

5.3 基于Contourlet变换的图像加密算法设计

5.4 仿真结果及分析

5.5 图像加密算法的实验验证

5.6 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢

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