基于混沌系统和DNA编码的图像加密算法研究

作     者：赵桥 

作者单位：中北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李博;曹睿

授予年度：2023年

学科分类：07[理学] 08[工学] 070201[理学-理论物理] 081201[工学-计算机系统结构] 0702[理学-物理学] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 

主      题：信息安全 图像加密 混沌系统 DNA编码 

摘      要：随着互联网、5G技术、云仓储等高新技术的发展,数字化图像已经成为各行各业不可或缺的一部分,为了确保图像信息的安全传输,对图像加密技术的研究成为了信息安全领域的一项重要任务。数字图像具有像素间关联性强、冗余程度高等特点,传统的图像加密技术已经满足不了数字图像的加密需求。混沌系统和DNA编码则因为其优良的特性,刚好能应用于图像加密领域,可以很好地解决数字图像的加密问题。基于此,针对现阶段图像加密的发展现状和不同用户的加密需求,分别提出了以下三种基于不同混沌系统和DNA编码的加密算法,保证了图像加密过程中的安全性,主要内容如下:(1)在一维Logistic混沌映射的基础上进行改进,得到一种基于一维分段Logistic混沌映射和DNA编码的图像加密算法。该算法在一维Logistic混沌映射的基础上进行改进,将Logistic混沌映射进行分段,使系统可以更快进入混沌状态,提升了加密速度。通过仿真实验证明,这种算法的密钥空间较大,加密速度快,算法复杂度低,可以满足用户的基本安全需求,比如人们的日常交流。(2)提出一种基于三维Lorenz混沌映射和动态DNA编码的图像加密算法。该算法在算法1的基础上进行了两点改进,将一维Logistic混沌系统升级为三维Lorenz混沌系统,提高了系统的稳定性和安全性;动态DNA编码则进一步增加了编码运算的多样性,让加密过程更安全。通过仿真实验证明,该算法密钥空间大,加密速度较快,相关性系数较小,有良好的抗噪声特性,能满足用户的较高安全需求,比如一些公司和企业。(3)提出基于Chen超混沌系统和动态DNA编码的彩色图像加密算法。该算法在算法2的基础上有两点升级和改进,将多维Lorenz混沌系统升级为Chen超混沌系统,系统更加稳定,加密效果更好;将传统灰度数字图像的加密算法扩展至彩色数字图像,应用范围也更广泛。通过仿真实验结果以及和其他算法的比较分析,该算法和其他的算法相比,密钥空间更大,相关性系数极小,有良好的抗噪声和抗剪切性能,能满足用户很高的安全需求,比如一些特殊单位。