基于混沌映射的对称图像加密系统研究

作     者：黄林青 

作者单位：广东工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：蔡述庭

授予年度：2019年

学科分类：0839[工学-网络空间安全] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 081201[工学-计算机系统结构] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 

主      题：图像加密 混沌系统 明文关联 置乱 扩散 选择明文/密文攻击 

摘      要：在信息化时代,数字图像由于具有强直观性、携带信息量大等特点成为信息传递的重要媒介。随着互联网技术的飞速发展,大量携带敏感信息的数字图像在公共信道上传输,同时带来的图像传输的安全问题变得越来越重要,特别是与医疗,军事或商业事务有关的数字图像。近年来,由于混沌系统的独有特性,基于混沌的数字图像加密系统研究成为信息安全领域的研究热点。但是,现有的基于混沌的数字图像加密系统大多存在如未能有效抵抗选择明文/密文攻击,加密效率低等缺陷。本文围绕着克服现有数字图像加密系统的缺点,对设计出具有高效率,高安全度的数字图像加密系统进行研究。本文共提出三个新的基于混沌映射的数字图像加密系统,这些系统均为明文关联,且文中给出了三个系统的详尽实验分析,实验结果证明,三个系统均能达到高的安全性与高效率。第一个系统为基于比特级置乱的对称明文关联彩色图像加密系统。与类似研究相比,本算法提出了一种与明文相关的随机访问比特级置换机制(PRRABPM)。该机制用于置换阶段,同时对彩色图像的RGB颜色分量进行置乱,使这三个分量相互作用。此外,随机访问比特级置换机制操作中使用的密钥流以巧妙的方式极其依赖于明文图像,这使得加密系统对密钥和原始图像极度敏感。因此,所提出的加密系统可以有效地抵抗所选择的明文和所选择的密文攻击。第二个系统为使用明文关联置乱-扩散的简单彩色图像加密系统。在置换阶段,猫映射的参数值由明文图像产生。这意味着不同的待加密明文图像对应于不同的参数,所以,置换阶段与明文图像有关。在扩散阶段,第一加密像素的值由秘密密钥和猫映射的参数确定。此外,我们使用先前加密的像素来加密当前的加密像素。因此,扩散阶段也与明文图像有关,故其可以实现高密钥敏感性和明文敏感性以有效地抵抗选择/已知明文攻击或差分攻击。另外,仅对原始图像进行一轮明文相关的置换和扩散操作便得到密码图像。因此,该加密系统具有很高效率。第三个系统为具有置换-扩散同时操作的对称彩色图像加密系统。该系统是一种新的明文相关的密码系统,其置换-扩散操作同时执行。更具体得说,同时置换-扩散操作(PDSO)能导致置乱和扩散之间相互影响,从而得到更好的安全级别以及更高的加密效率。所提出的加密方案在相应的加密过程中仅需要一轮PDSO。其中得到的第一个密码图像中的加密像素在的位置是随机选择的,并且其值由原始图像中的所有像素和三个一维混沌映射产生密钥流中的所有元素决定,并且当前加密像素的值与先前的加密像素值有关。在我们的框架下,所提出的加密方案对密钥和明文图像的微小变化高度敏感,从而有效地抵抗选择/已知的明文攻击。