基于光混沌和位平面置乱的图像加密算法研究

作     者：陈伟浩 

作者单位：杭州电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周雪芳

授予年度：2024年

学科分类：0839[工学-网络空间安全] 08[工学] 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：光混沌 图像加密 子块置乱 位平面编码置乱 

摘      要：图像信息作为信息载体的一种形式,在通信技术飞速发展的今天,5G通信技术使得图像信息传输更加的方便快捷。然而,随之而来的问题是如何保障人们传输这些图像信息的安全与隐私,图像信息传输的安全性越来越受到关注。由于图像信息相邻像素点之间具有相当大的相关性冗余,传统的加密算法加密效果不佳。混沌作为一种自然现象,具有伪随机性和对初始参数敏感的特点,受到了图像加密领域研究者的青睐。而光混沌相对于传统电混沌来说具有复杂性更高、带宽更大和功率更低的特点,更加适合应用于图像加密技术。本文在详细研究光混沌技术和图像加密算法基础上,提出了四种基于光混沌和图像加密技术结合的图像加密方案,具体研究内容如下: (1)针对单层密钥加密存在泄露可能导致图像信息被窃取的问题,设计了一种基于多位叠加和光混沌的图像加密算法,利用光反馈和光注入的光混沌生成结构生成光混沌序列,结合3D猫映射,多位叠加,子块内外加密技术和Logistic-tent映射实现对明文图像的置乱和扩散。同时对该方案进行了实验仿真测试,验证了生成的混沌序列具有较高的复杂性和随机性和加密后的密文图像具有有效抵御统计特性攻击、熵攻击、选择明文攻击、已知明文攻击、噪声干扰和遮挡攻击等攻击的能力。 (2)针对密钥传输过程中可能会被泄露的风险,提出了一种基于光混沌和椭圆曲线加密算法的图像加密方案,通过对光反馈和光注入的光混沌生成结构产生光混沌序列同时通过外部密钥与图像哈希值结合产生的控制参数对光混沌序列进行加密,生成置换序列和扩散序列,拓宽了序列生成阶段的密钥空间。同时将序列结合羊逃逸算法(SEA)、位平面移位算法,Logistic-tent映射实现对明文图像的置乱和扩散,在信息传输过程中通过椭圆曲线传输加密密钥,提高信息传输的安全性。仿真测试结果表明,该加密方案对各种攻击具有良好的抵抗性,具有较高的安全性。 (3)为了提高位平面加密算法的加密效率,提出了一种基于光混沌和DNA魔方算法的图像加密方案,在光混沌的生成中通过主激光器的光反馈注入到驱动激光器后,将驱动激光器的输出重新注入到主激光器的结构,使得从激光器具有更加复杂的的光混沌序列输出。发送端的两个从激光器所输出的光混沌序列分别用于图像的置乱和扩散过程,并在接收端实现同步。同时,将光混沌序列、魔方算法和DNA编码运算相结合,实现对明文图像在像素级和位平面级双层加密。仿真测试表明,经过该方案加密的密文图像对于各项安全指标都有良好表现,生成的光混沌序列复杂度高,随机性强。 (4)针对提高彩色图像位平面加密算法的复杂度过高的问题,提出了一种基于光混沌和类正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation,QAM)编码的彩色图像加密算法,通过两个驱动激光器相互注入产生的外部扰动来提高光注入结构中从激光器输出的光混沌序列的复杂程度。类QAM编码是通过光混沌序列对16-QAM星座图的不同编码方式进行选择,使不同位置的明文信息位平面转化为QAM坐标信息的编码方式。利用光混沌序列结合类QAM编码,多维行列置乱和GF(17)乘法扩散实现对明文图像中像素点位置和值信息的加密。通过仿真测试表明,该方案生成的光混沌序列具有良好的随机性和复杂性,加密的密文图像能够抵御常见的攻击方式,对密钥和明文的变化具有足够的敏感性,具有良好的安全性能。