基于Lorenz混沌系统的图像加密研究与实现

摘要

当今社会正处于一个信息和网络飞速发展的时期，由于科技水平和信息技术水平的不断提高，信息和数据的传输变得越来越方便，传输速度也是越来越快。图像作为信息的载体在信息传输中所占的比率逐渐增高，图像中可能携带大量的个人信息和个人隐私，这使得图像信息的安全问题备受关注。因此，如何保证图像在传输过程中的安全性越来越受到人们的关注。
　　随着混沌理论的提出，众多学者将混沌理论与保密通信紧密的结合了起来。混沌系统由于其具有的诸多特性，如初值敏感性、随机性及长期不可预测性等。这些性质都非常符合密码学的特性。因此基于混沌系统提出了很多相关的加密算法，所以本文将混沌系统与图像加密算法相结合，研究与实现混沌系统应用于图像加密的可能性。
　　本文首先是对于典型的混沌系统进行了研究，如一维的Logistic混沌系统、二维的Henon混沌系统以及三维Lorenz混沌系统，分别从吸引子相图、分岔图以及李雅普诺夫指数给出了混沌系统的证明，分析了混沌系统的性质，阐述密码学基本原理，并将混沌与密码学相比较，总结出密码学与混沌的异同点。
　　其次，重点研究了连续的三维Lorenz混沌系统，进行了连续Lorenz混沌系统的离散化方法比较，最终选定欧拉法作为该混沌系统的离散化方法。根据一维和二维的混沌系统，给出了典型的量化方法。经过分析发现并不适用三维Lorenz混沌系统的量化，所以提出了针对Lorenz混沌系统的量化方法。将得到三维Lorenz混沌伪随机序列与之前的一维和二维混沌系统生成的伪随机序列进行性质对比，通过自相关测试、NIST国际标准测试以及BSPD局部周期测试等方法选出随机性质最优的混沌伪随机序列。将性质最优的伪随机序列用于图像加密算法，对于图像加密结果进行全面的安全性测试，针对像素相关性方面的不足，提出了基于K-L变换和Lorenz最优序列的图像加密算法，改进不足之处。
　　最后，在嵌入式ARM平台中设计基于嵌入式QT的图像加密界面，通过移植嵌入式QT库以及嵌入式OpenCV图像处理库，将基于Lorenz混沌系统的图像加密算法在嵌入式ARM平台上实现。

目录

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景与意义

1．2 国内外同类课题研究现状及发展趋势

1．3 本文主要研究内容与结构安排

第2章 混沌理论基础

2．1 混沌的基本理论

2．1．1 混沌的定义

2．1．2 混沌的特性

2．1．3 混沌系统的判断依据

2．2 典型的混沌系统

2．2．1 一维Logistic混沌系统

2．2．2 二维Henon混沌系统

2．2．3 三维Lorenz混沌系统

2．3 混沌与密码学关系

2．3．1 密码学基础

2．3．2 混沌与密码学的异同

2．4 本章小结

第3章 Lorenz系统生成伪随机序列性质研究与比较

3．1 连续Lorenz混沌系统的离散化

3．1．1 基于龙格库塔法的离散化

3．1．2 基于欧拉法的离散化

3．1．3 Lorenz系统三维离散化序列性质比较

3．2 离散化Lorenz混沌序列的量化

3．2．1 典型量化方法

3．2．2 针对Lorenz混沌系统的量化方法提出

3．3 量化后的Lorenz伪随机序列性质测试与比较

3．3．1 自相关测试

3．3．2 NIST测试

3．3．3 BSPD局部周期测试

3．4 本章小结

第4章 基于Lorenz混沌系统的图像加密研究

4．1 数字图像加密概述

4．2 基于Lorenz混沌系统序列的加密算法

4．2．1 算法描述及实现结果

4．2．2 图像加密结果的安全性分析

4．3 基于Lorenz系统最优序列和K-L变换的图像加密算法

4．3．1 算法描述

4．3．2 加密结果安全性分析与比较

4．4 本章小结

第5章 基于嵌入式ARM平台的图像加密显示实现

5．1 嵌入式开发环境概述

5．2 嵌入式开发环境搭建

5．2．1 交叉编译环境搭建

5．2．2 内核及文件系统的移植

5．3 图像加密在嵌入式ARM平台上设计与实现

5．3．1 Linux系统中的QT与OpenCV环境

5．3．2 图像加密系统架构与仿真结果

5．3．3 Qt／Embedded与嵌入式OpenCV库的移植

5．4 基于嵌入ARM平台的图像加解密结果显示

5．5 本章小结

结论

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文

攻读学位期间参加的科研项目

攻读学位期间取得的科研成果

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