基于混沌理论和密文扩散的数字图像加密算法研究

摘要

随着科技日新月异的进步发展，互联网技术每天都在改变我们的生活，人们之间信息的交流变得越来越方便，但这同时也带来隐患，在信息的传输过程中，重要信息被窃取屡见不鲜，所以对信息的加密保护变得非常重要。本论文围绕着图像加密这个主题，开展的主要工作和研究结果如下:
　　(1)主要阐述了密码学的基本知识，混沌系统的基本理论，典型的图像加密算法，攻击密码系统的手段以及衡量加密算法性能的指标。
　　(2)改进了一种基于比特位替换和密文扩散的灰度图像加密算法。原算法只有比特位替换过程和异或操作，并不能满足图像加密中的扩散原则，并且线性的异或操作不能有效抵抗选择明文攻击，故在原算法的基础上增加对中间密文图像的扩散加密过程和取模运算，将明文中改变一个像素值后产生的影响，扩散到密文中的其它像素值。经过仿真测试和性能分析，表明改进算法相比于原算法，有更大的密钥空间，像素间相关性更低，抗差分攻击能力更强。
　　(3)提出了一种基于混沌系统的比特位替换和密文扩散的彩色图像加密算法。先将彩色图像分为三个独立的灰度图像，分别为红(R)、绿(G)、蓝(B)颜色通道的图像，每个独立的原始灰度图像先与混沌系统产生的序列进行比特位替换，然后对三个加密图像进行密文交错扩散操作，再使用改进算法中提到的扩散加密方法，完成对每个中间密文图像的加密。在分别获得三个通道图像的密文后，将各通道的密文图像合并，从而获得最终的密文图像。经过仿真测试，所设计的彩色图像加密算法具有密钥空间大，密钥敏感性强，密文图像的像素间相关性低等优点，并且抗差分攻击能力强。
　　(4)提出了一种基于比特位平面联合置乱和密文扩散的彩色图像加密算法。彩色图像分为三个通道的图像后，对每个通道图像采用比特位平面分解，每个通道图像分为八个比特位平面，将各个通道图像分解后顺序对应的位平面按照列合并，得到八个合并后的平面，分别对这八个合并后的平面进行全局置乱，然后将其分解为前、中、后三部分，对得到的24个比特位平面交换排列顺序，将交换顺序的位平面重新合并为三个图像。对得到的三个中间密文图像按照像素对的方式分组，联合进行密文扩散操作，每个密文图像扩散加密后，合并得到最终的加密图像。经过仿真测试，本章的算法具有加解密速度快、安全性高的特点，在抗统计分析攻击、差分攻击等方面表现突出。
　　本文结合扩散思想所提出的加密灰度图像的改进算法，取得了较好的加密效果，并且以此为基础，提出的两种彩色图像加密算法，经过实践证明，均表现出良好的加密性能。这些算法具有理论研究意义和一定的实用价值。

目录

声明

摘要

第—章绪论

1．1 课题研究背景

1．2 国内外研究现状

1．3 本文的结构安排

第二章 基本知识

2．1 密码学

2．1．1 密码学概述

2．1．2 密码系统

2．1．3 密码系统分类

2．1．4 攻击密码系统的方法

2．2 混沌系统

2．2．1 混沌的定义

2．2．2 混沌系统的特性

2．2．3 混沌运动的特征

2．2．4 常见的混沌系统

2．2．5 混沌序列的改进

2．3 图像加密方法

2．3．1 图像加密概述

2．3．2 图像加密方法分类

2．3．3 图像的位平面分解

2．3．4 几种常见的加密方式的比较

2．4 本章小结

第三章 改进的基于比特位替换和密文扩散的图像加密算法

3．1 采用的混沌系统

3．2 加密算法

3．2．1 算法流程图

3．2．2 产生置乱序列

3．2．3 图像的位平面分解

3．2．4 比特位替换

3．2．5 密文扩散操作

3．3 解密过程

3．4 仿真实验结果及加密性能分析

3．4．1 仿真实验结果

3．4．2 加密性能分析

3．5 本章小结

第四章 基于混沌系统的比特位替换和密文扩散的彩色图像加密算法

4．1 采用的混沌系统

4．2 加密算法

4．2．1 算法流程图

4．2．2 彩色图像分解

4．2．3 置乱过程

4．2．4 异或加密

4．2．5 比特位替换

4．2．6 密文扩散

4．3 解密过程

4．4 仿真实验结果及加密性能分析

4．4．1 仿真实验结果

4．4．2 加密性能分析

4．5 本章小结

第五章 基于比特位平面联合置乱和密文扩散的彩色图像加密算法

5．1 使用的混沌系统

5．2 加密过程

5．2．1 加密流程图

5．2．2 比特位平面的置乱

5．2．3 密文联合扩散

5．2．4 各通道密文合并

5．3 解密过程

5．4 仿真实验结果与性能分析

5．5 本章小结

第六章 总结和展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢