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基于超混沌系统的明文关联图像加密算法

图学学报 2020年第6期41卷 917-921页

作者：芮杰杭后俊安徽师范大学计算机与信息学院安徽芜湖241000

随着计算机网络与多媒体技术的快速发展,数字图像传输的安全性问题显得越发突出。为此,提出了一种基于超混沌的明文关联图像加密算法,利用动力学更为复杂的超混沌系统作为混沌序列发生器扩大了密钥空间,采用扩散–置乱–扩散的加密框架... 详细信息

随着计算机网络与多媒体技术的快速发展,数字图像传输的安全性问题显得越发突出。为此,提出了一种基于超混沌的明文关联图像加密算法,利用动力学更为复杂的超混沌系统作为混沌序列发生器扩大了密钥空间,采用扩散–置乱–扩散的加密框架对图像进行3阶段处理。其中深度扩散使用了更少的迭代次数,提高了效率,置乱算法通过扰乱图像中像素点的位置实现消除原图像中相邻像素点间的相关性。实验对密钥空间大小、算法效率、防明文攻击能力进行了分析和对比,仿真结果表明,该算法不仅具有更大的密钥空间,较高的运行效率,而且明文敏感性强,能够有效抵抗差分攻击,有很大的安全通信应用潜力。

关键词：图像加密超混沌系统明文关联置乱扩散

基于Logistic和正弦的混沌映射及其应用

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基于Logistic和正弦的混沌映射及其应用

作者：丁伟康兰州大学

学位级别：硕士

混沌系统具有非常好的初值敏感性、不可预测性以及类随机性等复杂的动力学行为,在保证加密的安全性和效率上有着很大的优势,被广泛的应用在保密系统领域。但是目前的混沌图像加密算法仍然具有一些缺陷,如窄的混沌参数区间和序列的低复杂... 详细信息

混沌系统具有非常好的初值敏感性、不可预测性以及类随机性等复杂的动力学行为,在保证加密的安全性和效率上有着很大的优势,被广泛的应用在保密系统领域。但是目前的混沌图像加密算法仍然具有一些缺陷,如窄的混沌参数区间和序列的低复杂度,使得混沌系统的状态易于被预测。基于此,本文对于混沌图像加密算法进行研究,一方面,通过对现有混沌映射的复杂动力学行为进行改善,进一步提高系统的混沌性能,保证图像加密算法的安全性。本文基于改进的离散混沌映射,设计了三种不同的图像加密算法,提高加密系统的安全性和加密效率。总结为以下三个方面:1)建立了一种新的一维离散映射级联结构,选取Logistic和正弦映射作为子映射,提出两种LCS映射模型。通过Lyapunov指数、分岔图、0-1测试等数值方法研究了离散LCS映射的混沌行为。实验分析表明,提出的级联映射模型相比于简单的一维离散映射具有更加复杂的动力学行为。此外,设计了一种基于SHA-256算法的明文相关的图像加密算法,按照特定的规则置乱和扩散,安全性分析结果表明所提出的算法具有良好的安全性能。2)在离散LCS映射的基础上,引入基于Caputo定义的离散分数阶模型,建立了新的离散分数阶LCS映射,通过Lyapunov指数、分岔图、初值敏感性、SE复杂度等分析方法研究离散分数阶LCS映射的混沌动力学行为。研究发现,利用分数阶的特性,分数阶LCS映射模型具有更少的周期窗口和更大的Lyapunov指数,适合在加密算法中应用。在此基础上,提出一种明文相关的、基于提升小波变换的图像加密算法。通过对图像矩阵使用类似于提升小波变换的操作,使得加密过程中置乱和扩散效率更高。实验结果分析表明算法整体具有较高的安全性能,可以抵抗多种统计攻击以及差分攻击。3)提出了新的离散忆阻器LCS映射模型,离散忆阻器模型能够提高映射的Lyapunov指数,基于该系统设计了一种明文相关的比特级图像加密算法,可以解决传统的置乱-扩散结构中扩散不能与明文相关的问题,进一步提升了算法的安全性。实验结果表明该算法对明文敏感高,扩散性能好,满足加密的要求,具有较强的安全性。

关键词：混沌系统分数阶图像加密明文关联

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一种基于超混沌系统的双图关联加密算法

计算机应用研究 2020年第8期37卷 2468-2471页

作者：鲜永菊谢世杰重庆邮电大学通信与信息工程学院重庆400065

针对现存混沌图像加密算法中存在系统安全性不高、无法抵御明文攻击、加密图像相互独立、效率低等问题,提出了一种基于超混沌系统的双图关联加密算法。首先根据明文图像,由超混沌系统产生与之相关的混沌随机矩阵,对明文图像进行深度扩散... 详细信息

针对现存混沌图像加密算法中存在系统安全性不高、无法抵御明文攻击、加密图像相互独立、效率低等问题,提出了一种基于超混沌系统的双图关联加密算法。首先根据明文图像,由超混沌系统产生与之相关的混沌随机矩阵,对明文图像进行深度扩散;选取其中一幅图像进行明文关联的置乱操作与快速比特扩散生成密文c1;之后对剩余图像进行自适应关联比特操作生成密文c2,完成双图关联的图像加密。实验结果与仿真分析表明,该算法不仅具有更高的效率与更强的抗明文攻击能力,而且仅由一幅密文不能得到与之相应的明文图像,安全性更高,具有良好的应用场景。

关键词：超混沌系统双图关联加密明文关联

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基于FWHT的动态多混沌彩色图像加密算法

微电子学与计算机 2020年第9期37卷 43-49页

作者：魏积愚李国东许向亮新疆财经大学统计与数据科学学院新疆乌鲁木齐830012

针对彩色图像加密算法中混沌系统单一,密钥与明文关联性差的问题,提出一种基于FWHT的动态多混沌彩色图像加密算法.首先对图像进行快速沃尔什哈达玛变换(FWHT);其次根据各通道像素值控制动态统一混沌系统参数构建不同系统,改进后用于各... 详细信息

针对彩色图像加密算法中混沌系统单一,密钥与明文关联性差的问题,提出一种基于FWHT的动态多混沌彩色图像加密算法.首先对图像进行快速沃尔什哈达玛变换(FWHT);其次根据各通道像素值控制动态统一混沌系统参数构建不同系统,改进后用于各通道系数置乱;最后利用Rabinovich混沌序列控制PWLCM映射参数构建R-P混沌系统,迭代生成两级复合密钥流双扩散得到密文,叠加为彩色密文图像.结果显示,密文图像直方图分布均匀,相关性几乎为0,信息熵大于7.9993,NPCR值和UACI值也近似于理论值,可有效抵抗各类攻击,具有较强加密性能.

关键词：混沌加密超混沌系统动态控制两级密钥明文关联

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一个新超混沌系统及其图像加密的应用

自动化与仪器仪表 2023年第5期 45-50,55页

作者：李贤丽王壮于婷婷马文峥张丽敏杨忠宝梁武燕东北石油大学物理与电子工程学院黑龙江大庆163318

为提高图像加密算法的安全性,提出一个新四维多翼超混沌系统。通过计算新四翼超混沌系统的Lyapunov指数和分岔图,分析表明该系统有较复杂的动力学特性。利用新系统设计明文关联多级图像加密算法,实现密钥与明文关联。在图像加密方案中,... 详细信息

为提高图像加密算法的安全性,提出一个新四维多翼超混沌系统。通过计算新四翼超混沌系统的Lyapunov指数和分岔图,分析表明该系统有较复杂的动力学特性。利用新系统设计明文关联多级图像加密算法,实现密钥与明文关联。在图像加密方案中,克服了混沌系统控制参数固定不变、密钥序列仅取决于系统的初始值和参数的算法缺陷。设计密钥选择机制,利用Logistic映射选取明文图像部分信息作为二级密钥产生新系统的初值及参数。在此基础上,基于全局置乱和循环扩散对图像进行分级加密。此外,密钥空间分析、直方图、差分分析等实验结果表明,所提出的图像加密算法安全可靠。

关键词：超混沌系统明文关联循环扩散图像加密

基于动态多混沌与小波变换的图像加密隐藏方案研究

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基于动态多混沌与小波变换的图像加密隐藏方案研究

作者：魏积愚新疆财经大学

学位级别：硕士

随着人类文明突飞猛进,计算机技术与网络技术成为推动世界前行的重要科技。网络战,信息战掀起新的革命,信息安全遭受侵害愈发普遍。为保护国家安全与社会经济发展,对于开放网络环境中的信息传输,必须进行有效管理与保护。最初人们通常... 详细信息

随着人类文明突飞猛进,计算机技术与网络技术成为推动世界前行的重要科技。网络战,信息战掀起新的革命,信息安全遭受侵害愈发普遍。为保护国家安全与社会经济发展,对于开放网络环境中的信息传输,必须进行有效管理与保护。最初人们通常选择传统的密码学实现保密通信,但传统加密技术存在一定缺陷,在考虑更高安全性情况下,基于信息加密与隐藏相结合的通信技术相比具有明显优势,更加可靠安全,达到秘密通信双保险。本文主要围绕图像信息安全技术中的图像加密技术方案设计与图像隐藏技术方案设计进行研究,介绍了如何基于三维色彩空间,在变换域处理的基础上将混沌系统有效应用于图像处理方案设计中,研究的重点将主要在于深入完成如下两部分内容:1、针对部分图像加密算法中的混沌系统简单唯一,随机序列复杂度不足,密钥与明文图像关联性差,图像传输安全性低,抗攻击性差等问题。提出一种新的基于FWHT变换的动态多混沌彩色图像加密方案。该算法中包含三维广义Lorenz混沌,吕混沌和广义Chen混沌,及四维Rabinovich混沌联合PWLCM构建的高维级联R-P混沌,通过混沌系统迭代可产生具有更高遍历性和复杂度,更加难预测的序列。首先将彩色图像分解成为R、G和B的单色图像,图像预处理各通道分别进行FWHT变换,其次通过R、G、B每个通道的总像素灰度值控制动态统一混沌系统的参数随机产生不同混沌进行块间置乱、块内置乱以及合并后的全局置乱;最后Rabinovich超混沌系统产生序列控制PWLCM生成R-P序列对置乱后图像进行双向循环扩散及位间移位扩散,R、G、B密文图像叠加得到彩色密文图像。结果显示,密文图像直方图分布均匀,相关性几乎为0,信息熵大于7.9993,NPCR值和UACI值也近似于理论值,可有效抵抗各类攻击,具有较强加密性能。2、针对图像隐藏算法中部分不可见性低,鲁棒性弱,隐藏容量小的问题,基于彩色图像空间大,小波变换隐藏算法的鲁棒性强的特点提出一种基于多涡卷混沌加密预处理的小波域变换彩色图像加密隐藏方案。首先应用6涡卷混沌对隐藏图像进行严格加密,实现图像信息的首次加密隐藏;其次因lab空间为图像信息隐藏提供了更大的操作空间,有利于信息隐藏设计和预期性能的实现,对载体图像进行lab分层处理,并分别对颜色迁移后的l层,a层和b层空间进行GHM多小波变换;最后设定系数矩阵的嵌入顺序,将加密后的隐藏图像中间能量区域选择性嵌入,得到具有强鲁棒性,大容量的载密图像,仿真分析显示,原始图直方图与含密图直方图相似度极高,PSNR值为77.08,各项数据接近理想值,具有实际应用意义。

关键词：混沌理论图像加密动态控制明文关联

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基于计算鬼成像的光学图像加密技术的研究

基于计算鬼成像的光学图像加密技术的研究

作者：陶元春山东大学

学位级别：硕士

随着信息技术上升发展,越来越多的信息逐渐变成数字数据通过网络实现互相传输,在这一过程中,保证数据的安全性就变得越来越重要。密码技术是保证信息安全的核心技术,它可以将信息进行隐藏从而保证信息的机密性。1995年Refregier提出双... 详细信息

随着信息技术上升发展,越来越多的信息逐渐变成数字数据通过网络实现互相传输,在这一过程中,保证数据的安全性就变得越来越重要。密码技术是保证信息安全的核心技术,它可以将信息进行隐藏从而保证信息的机密性。1995年Refregier提出双随机相位加密技术。从这之后,光学加密因为自身加密速度快、编码维度多等优点而快速发展。随着研究者们逐步探索,众多光学加密方法被研究出来,其中,基于计算鬼成像的光学加密系统由于其密文存储空间较之前光学加密方法更小,因此受到研究者们的广泛关注。但是计算鬼成像加密也存在缺点,计算鬼成像由于输入输出之间存在线性关系,因此很容易受到选择明文攻击,为了提高其抗攻击的能力,我们提出了明文关联鬼成像加密系统,这个系统主要的创新点是可以在降低密钥存储空间的同时提高系统抗攻击的能力。在计算鬼成像基础上,我们使用Logistic映射,线性同余算法来实现明文关联鬼成像加密系统。首先从明文图像中提取前u个像素,并将这u个像素的像素值之和X0作为线性同余算法的初始值,通过线性同余算法生成初始随机相位板。第二步使用初始随相位板作为Logistic映射的初始值,通过Logistic映射生成后续需要的所有随机相位板。最后将生成的随机相位板加载到计算鬼成像系统中的SLM上,就可以实现明文关联鬼成像加密。在该系统中,通过使用动态更新的随机相位板可以让系统抵抗选择明文攻击,使用参数密钥替代原来上万个随机相位板密钥可以成功降低密钥存储所需空间。为了进一步提高明文关联鬼成像的加密效率,我们还提出了基于明文关联鬼成像的多图像加密系统。首先对明文图像进行阿诺德变换,然后通过异或运算将多个阿诺德变换后的图像合并成一个。最后,用与明文关联鬼成像对组合的异或图像进行加密。明文关联鬼成像加密系统使用参数密钥和明文信息来生成用于明文加密的所有随机相位板,实现动态更新随机相位板,这可以保护信息免受选择明文攻击。通过异或运算可以实现多个图像同时加密从而提高加密效率,明文在进入光学系统前进行预处理可以实现多重加密增加系统的安全性。最后,为了解决明文关联鬼成像系统中密钥存储管理问题,我们提出了基于明文关联和椭圆曲线加密的混合加密系统。我们在使用明文关联鬼成像加密系统时发现,每次加密新的明文时,参数密钥X0都会变化,虽然参数密钥很小,但是频繁的更新也会对密钥存储管理带来不便。另外,因为光学加密系统是对称加密系统,对称加密系统在密钥安全传输方面存在缺点。因此基于上述问题,我们提出了混合加密的方案。在该系统中,通过明文关联鬼成像系统来加密明文,然后将明文关联鬼成像中的参数密钥用椭圆曲线加密,这样解密方只需要持有椭圆曲线加密的私钥就可以使用该系统。改进后的混合加密系统可以保留明文关联鬼成像中密文数量小以及抗攻击性强的优点,同时还能解决明文关联鬼成像中的密钥存储管理问题。

关键词：光学图像加密计算鬼成像明文关联多图像加密椭圆曲线加密

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基于超混沌系统的图像加密算法研究

基于超混沌系统的图像加密算法研究

作者：彭博湖北工业大学

学位级别：硕士

随着时代的发展和网络信息技术的进步,数字图像已成为人们获取信息的重要方式之一。尽管数字图像具有直观性强,方便快捷等特点,逐渐获得人们的青睐,但是其存在的安全隐患等问题也不能忽视。如何通过图像加密技术来保障图像的安全传输已... 详细信息

随着时代的发展和网络信息技术的进步,数字图像已成为人们获取信息的重要方式之一。尽管数字图像具有直观性强,方便快捷等特点,逐渐获得人们的青睐,但是其存在的安全隐患等问题也不能忽视。如何通过图像加密技术来保障图像的安全传输已成为当前研究的热点之一。数字图像具有有别于一维数据流的冗余度高、数据量大、像素相关性强等特点,因此DES、AES等针对一维数据流设计的传统加密算法无法应用到图像加密中,我们要设计一种新的加密算法来满足图像加密的要求。混沌系统具有初值敏感性、遍历性、内在随机性等特点,与密码学中的基本要求十分吻合,因此将其应用到图像加密当中具有广阔的前景。本文对基于超混沌系统的图像加密算法开展了研究,提出了一种基于Chen超混沌系统的图像加密算法。在该算法中,首先利用Arnold置乱方法来对原始图像进行置乱,改变像素的相关性。然后利用产生的混沌序列对置乱后的图像进行扩散操作得到最终的加密图像。实验结果表明,该算法的密钥空间大,密文像素直方图分布较为均匀,具有不错的加密效果。但应用范围具有一定的局限性,该算法适用于正方形格式的图像。由于系统内的各种参数都是固定的,当攻击者有足够多的样本数据时,会对加密算法进行破解,该算法不能抵御选择明文攻击,以及对差分攻击的抵御能力不强,需要进一步的改进。在此算法基础上,提出了一种基于Chen超混沌系统的明文关联图像加密方案。通过将原始明文图像输入到SHA-512函数中得到相应的哈希值,然后计算出混沌系统的初始值和系统参数。在置乱阶段,该方案采用了一种基于混沌序列的置乱方法,使得该方案可以实现任意格式的图像加密。在扩散阶段,方案重新生成了新的混沌系统初始值和系统参数,并且采用异或操作加强明文对密文的敏感性。实验结果表明该方案能抵御选择明文攻击和差分攻击,加密后的像素直方图呈均匀分布,密钥空间大且敏感性强,满足图像加密的基本要求。

关键词： Chen超混沌系统 SHA-512函数明文关联图像加密

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基于混沌映射的对称图像加密系统研究

基于混沌映射的对称图像加密系统研究

作者：黄林青广东工业大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：图像加密混沌系统明文关联置乱扩散选择明文/密文攻击