基于超混沌系统的图像加密算法研究

作     者：惠媛媛 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘涵

授予年度：2022年

学科分类：07[理学] 0839[工学-网络空间安全] 08[工学] 070201[理学-理论物理] 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）] 0702[理学-物理学] 

主      题：超混沌系统 图像加密 DNA编解码 位平面 自注意力机制 感知器神经元机制 

摘      要：如今互联网发展迅速,数字图像承载信息量大且生动形象,因此在互联网传输信息过程中图像这一载体的传输量大、应用广。但图像中可能携带了个人私密信息和军事机密等信息,在图像传输过程中公共信道由于其公开性会导致信息泄露,为防止图像中个人信息泄露,提出了图像加密这一研究方向。图像的特性是像素之间存在着很大的冗余度和相关性、图像中的信息量较大等,使得传统的加密算法例如DES、AES和RSA等难以实施。20世纪以来混沌作为一种新技术吸引了学者的关注,混沌是一种由确定性系统产生的类随机性行为,其对初始值敏感和随机性等特性与密码学较为吻合,有研究者将混沌技术与图像加密进行结合后取得了较好的加密效果,并由此掀开了对基于混沌的图像加密的研究序幕。低维混沌由于映射结构简单,使得加密空间较小、敏感性弱。为解决这一问题,有学者提出应用超混沌系统,超混沌系统于低维混沌系统映射相比,结构更加复杂,但也因此使得其加密的密钥空间更大,也使得安全性能加倍提升。本文针对以上所述问题,在研究混沌系统以及经典的图像加密算法以后,在此基础上改进并提出了三种基于超混沌系统的图像加密算法,主要工作内容包括:(1)提出了一种基于Lorenz改进的新四维混沌系统与DNA编解码等相结合的加密算法,包括像素置乱、像素扩散,主要利用循环移位、DNA编码的加法和异或运算。首先用SHA-512函数构造超混沌系统的初始值,继而利用产生的初始值以及超混沌系统生成随机超混沌序列,扩大密钥空间,用sort函数置乱像素位置。然后通过混沌序列进行像素扩散,再采用循环移位加强扩散效果,通过DNA异或和加法等操作对图像进行最终加密得到密文图像。(2)提出了一种基于新的超混沌系统与感知器神经元机制相融合的加密算法,首先将明文图像被划分为八个位平面,然后将高四位平面和低四位平面分别合并为具有四位色深的新图像,再通过混沌序列进行随机交换操作,继而利用两个混沌序列作为坐标点对其进行置乱操作,利用感知器神经元机制做扩散操作,再进行前后向扩散,最后利用zigzag算法置乱最终得到密文图像。(3)提出了一种基于新超8维混沌系统与改进自注意力机制结合的加密算法,对细胞神经网络进行改进得到新8维超混沌序列,并与深度学习改进的加密算法结合进行加密。其应用层面为彩色和灰度图像。加密时先将明文图像进行分块变化,对其块内和块间都进行sort操作引用index值进行置乱操作,继而对块内的图像矩阵进行斐波那契Q矩阵混淆操作,再利用改进自注意力机制对其进行扩散操作,最终进行左循环移位得到最终密文图像。最后,就本文提出的三个图像加密算法进行实验仿真,并分别应用于不同图像进行实验,从直方图、抗差分攻击、密钥空间等角度与其他方法分析与对比,证明了算法具有优良的安全性。