基于保实分数离散余弦变换和混沌的图像加密

摘要

信息化的浪潮下,互联网技术的飞速发展虽然为人们带来了极大便利,但也带来了不容忽视的安全隐患问题。图像因其生动直观的特点,成为目前表达信息的一个重要手段,同时也是人们最愿接受和使用的一种表达方式。因此,如何保证图像信息在网络中的安全交互,防止非法接收者对图像的恶意破坏,成为研究的热点。图像加密技术能够有效地将有意义的明文图像转换成无法识别且杂乱无章的密文图像,从而达到保护图像信息安全性的目的。分数阶变换因具有分数阶敏感性被引入到图像加密领域,目前,已提出一系列基于分数阶变换的数字图像加密算法。然而,大部分基于分数阶变换的图像加密系统的输出都是复值图像,即同时包含了振幅信息和相位信息,非常不利于图像的显示、传输和存储。除此之外,分数阶的敏感性较弱,同时分数阶的周期性也限制了加密系统的密钥空间。为了解决这一问题,本文将保实分数离散余弦变换引入图像加密领域。作为一种保实变换,保实分数离散余弦变换保证了实值输入、实值输出。同时,引入新的参数——产生序列(Generating Sequence,GS)当作密钥使用,扩大了加密算法的密钥空间,从而提高了算法的安全性。本文具体研究工作概况如下:
　　1、提出了基于保实分数离散余弦变换的图像加密算法。该加密算法的重要意义是充分利用了保实分数离散余弦变换的保实性与去相关性,即加密后的图像是实值的,而且足够混乱,相邻像素的相关性较低。加密过程中,对于引入的GS序列,使用2D Logistic映射控制产生,这样,混沌映射的初值和系统参数高度敏感性提供了高安全性。计算机仿真结果表明,该加密算法能够有效地实现图像的加密和解密,虽然分数阶的敏感度不高,但混沌映射的密钥空间就足以满足加密系统的安全性要求,而且该加密算法具有良好的鲁棒性。
　　2、提出了基于YCbCr颜色空间和保实分数离散余弦变换的单通道彩色图像加密算法。彩图图像在YCbCr空间,相对于其他两个分量,人眼对Y分量较敏感。结合频谱切割技术,按比例对三个分量的离散余弦谱进行切割,并拼接成一个分量,然后对其实施保实分数离散余弦变换。为了克服加密系统的线性性质带来的安全隐患,增加加密系统的破译难度,引入混沌置乱,实现图像的双重加密。加密系统的输出结果不再是彩色图像,而是一幅灰度图像。数值仿真结果表明该加密算法能够有效地实现彩色图像的单通道加密,同时具有较强的抗攻击能力,密钥灵敏度高。除此之外,该加密算法还可以实现三幅灰度图像的加密。
　　3、提出了基于保实分数离散余弦变换和置乱的三彩色图像加密算法。在加密过程中,首先将三幅RGB彩色图像转换成索引图像,将三幅索引图像作为一幅彩色图像的三个分量来进行加密。加密阶段主要包括了三个步骤:循环移位置乱、保实分数离散余弦变换和Arnold变换。其中保实分数离散余弦变换是关键步骤,也决定了加密系统的安全性能和加密系统的输出结果。空间置乱和保实分数离散余弦变换相结合,使得该加密算法是一种同时具有像素位置保密性和像素值保密性的加密算法。数值仿真验证了该加密系统的安全性能和鲁棒性。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 引言

1.1 研究背景及意义

1.2 主要研究内容及成果

1.3 论文组织结构

第2章 数字图像加密技术

2.1 数字图像

2.2 图像信息的特点

2.3 数字图像加密算法的评价标准

2.4 典型的数字图像加密算法及其研究进展

2.5 本章小结

第3章 保实分数离散余弦变换理论

3.1 DCT概论

3.2 FrDCT的定义

3.3 一维FrDCT案例

3.4 本章小结

第4章 基于保实分数离散余弦变换的图像加密

4.1 GS序列的产生

4.2 加密算法

4.3 数值仿真

4.4 分析与讨论

4.5 总结

第5章 基于YCbCr颜色空间和保实分数离散余弦变换的单通道彩色图像加密

5.1 加密原理

5.2 数值仿真

5.3 分析与讨论

5.4 三幅图像加密

5.5 本章小结

第6章 基于保实分数离散余弦变换和置乱的三彩色图像加密

6.1 加密原理

6.2 数值仿真

6.3 性能分析

6.4 本章小结

第7章 总结与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

致谢

附录 期刊Optik的关于论文[3]的接收函

攻读学位期间的研究成果