基于混沌系统的彩色图像加密算法研究

• 作 者: 李阳
• 发表日期: 2013年期
• 关键词: 彩色图像加密 混沌系统 置乱 扩散 安全性分析

数字图像是一种重要的多媒体信息形式，它所传递的信息具有直观、形象、生动的特点。随着互联网技术的进步和多媒体技术的发展，数字图像在网络上广泛传播，成为当今信息表达的主要方式之一。相应的，如何在开放的网络环境中实现数字图像的安全传输，成为当前信息安全领域的一个研究热点。由于数字图像具有信息量大、相邻像素关联性强、信息冗余度高等特点，传统加密算法并不适合用于图像的加密。混沌系统由于具有对初始值和参数的极端敏感性、遍历性、伪随机等优良特性，非常适合用于数字图像的加密。与传统图像加密算法相比，基于混沌系统的图像加密算法在处理大量数据、降低图像冗余信息等方面具有独特的优势。因此，基于混沌系统的图像加密技术得到了广泛研究。针对目前的研究现状，本文采用算法设计和仿真验证相结合的方法，利用高维混沌系统、超混沌系统、时空混沌系统和分数阶混沌系统，设计了高效安全的数字图像密码系统，并从密钥空间、密钥敏感性、直方图、相邻像素相关性以及差分攻击等方面验证这些密码系统的安全性。本文主要工作如下：首先，基于一个新的三维混沌系统，提出了一种彩色图像加密算法。该算法在扩散过程中通过结合使用异或、加法、取余等多种运算方式，提高了密码系统扩散过程的复杂度，确保了加密算法的安全性。其次，提出了一种基于超混沌系统的彩色图像加密算法。首先对明文图像进行局部像素间随机置乱，再进行全局置乱，最后利用混沌密钥改变置乱后图像的像素值。分析表明，仅需少数几轮置乱扩散循环，即可获得理想的加密效果。仿真实验表明该算法加密效果理想，安全性高，时间开销少。最后，基于时空混沌系统和分数阶混沌系统，提出了一种鲁棒的彩色图像加密算法。本算法首先对图像进行洗牌操作，然后借助280位的外部密钥来产生混沌系统的参数和初始值以产生混沌序列，最后利用时空混沌序列对明文图像进行置乱处理，利用分数阶混沌序列对置乱图像进行扩散处理。实验仿真表明，算法具有良好的加密效果，并且对常见图像处理操作，如噪声、裁剪、旋转等，具有较强的鲁棒性。