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基于细胞神经网络的图像加密新算法

自动化与仪器仪表 2024年第1期 1-6页

作者：李贤丽杨忠宝张丽敏梁武燕李静静于婷婷东北石油大学物理与电子工程学院黑龙江大庆163318

针对图像传输的安全问题,提出一种基于六维细胞神经网络的图像加密新算法。该算法利用高维细胞神经网络系统的混沌特性,并运用置乱-扩散机制,置乱阶段采用循环位移算法,扩散阶段采用基于GF(2^(4))域的算法,改变图像的像素位置及像素值,... 详细信息

针对图像传输的安全问题,提出一种基于六维细胞神经网络的图像加密新算法。该算法利用高维细胞神经网络系统的混沌特性,并运用置乱-扩散机制,置乱阶段采用循环位移算法,扩散阶段采用基于GF(2^(4))域的算法,改变图像的像素位置及像素值,从而完成加密。对于密钥的生成,该算法采取密钥随机制,对明文图像进行分块,通过选取不同明文块并计算其像素值之和,去动态更新密钥,达到每次加密都生成不同密钥的效果,实现密钥与明文相关联。实验仿真结果表明该算法密钥空间大,同时且具有较高的密钥敏感性,可以有效的抵抗统计攻击,具有良好的安全性与可行性。

关键词：图像加密细胞神经网络置乱-扩散明文相关联

基于Logistic映射的可变置乱参数的图像加密算法

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微电子学与计算机 2015年第4期32卷 111-115页

作者：谢国波丁煜明广东工业大学计算机学院广东广州510006

近年来,人们提出了很多基于混沌理论的数字图像加密算法,但是其中有很大一部分采用传统的置乱-扩散体系,当攻击者通过选择明文攻击时,这种算法的安全性就大大降低.针对这个问题,提出了一种结合Logistic映射的变置乱参数的Arnold变换的... 详细信息

近年来,人们提出了很多基于混沌理论的数字图像加密算法,但是其中有很大一部分采用传统的置乱-扩散体系,当攻击者通过选择明文攻击时,这种算法的安全性就大大降低.针对这个问题,提出了一种结合Logistic映射的变置乱参数的Arnold变换的图像加密算法,增加了置乱-扩散两个操作之间的关联性.仿真结果和数值分析表明,该算法具有密钥空间大,密钥敏感性强等特点,能够有效地抵抗统计攻击.

关键词：图像加密置乱-扩散 Logistic映射 Arnold变换

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基于超混沌系统及有限域的图像加密算法

河北师范大学学报（自然科学版） 2024年第2期48卷 129-140页

作者：刘思洋王越李寒兰州交通大学数理学院甘肃兰州730070

混沌系统由于其自身的混沌特性,被广泛应用于安全通信领域;但近年来,低维的混沌系统存在退化现象、密钥空间小等问题,应用于图像加密其安全性能并不高.为了提高混沌系统的复杂性,从相图、平衡点、Lyapunov指数谱、分岔图以及谱熵复杂度... 详细信息

混沌系统由于其自身的混沌特性,被广泛应用于安全通信领域;但近年来,低维的混沌系统存在退化现象、密钥空间小等问题,应用于图像加密其安全性能并不高.为了提高混沌系统的复杂性,从相图、平衡点、Lyapunov指数谱、分岔图以及谱熵复杂度等方面探究了一个四维超混沌系统的动力学特性.分析结果表明,该系统能够在较大的参数范围内展示出混沌现象,且在一定的参数范围内有2个正的Lyapunov指数,进一步证实该系统为超混沌系统,从而基于该系统和有限域理论设计了一个加密算法.在加密过程中先用2次置乱对图像进行预处理,再基于有限域进行扩散以达到加密的目的.安全性实验结果证明该加密方案安全性能较高,可以抵抗常见的攻击.

关键词：超混沌系统 Lyapunov指数置乱-扩散有限域理论

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密钥动态选择机制的图像加密算法

计算机工程与应用 2019年第9期55卷 56-64页

作者：朱淑芹刘荣月周冉冉王文宏聊城大学计算机学院山东聊城252059

构造了一个六维离散混沌系统,并在此混沌系统的基础上设计了一个伪随机数生成器。基于该伪随机数生成器提出了一种密钥动态选择机制的图像加密方案。该加密方案采用了经典的置乱-扩散加密结构。在该加密方案中,置乱序列与明文图像的像... 详细信息

构造了一个六维离散混沌系统,并在此混沌系统的基础上设计了一个伪随机数生成器。基于该伪随机数生成器提出了一种密钥动态选择机制的图像加密方案。该加密方案采用了经典的置乱-扩散加密结构。在该加密方案中,置乱序列与明文图像的像素总和相关,而在扩散阶段的扩散密钥流是根据每个像素值动态变化的,因此算法能抵抗选择明文(密文)的攻击。解密时的密钥只是混沌系统的初始值,明文图像的像素的总和是不需要的,因此克服了"一次一密"加密方案(加密不同明文所用密钥不同)中密钥管理的难度。实验结果和安全性分析表明:该算法具有密钥空间大、密文没有明显的统计特性、密文对明文和密钥非常敏感、能够抵抗差分攻击和选择明(密)文的攻击等优点,具有良好应用前景。

关键词：六维超超混沌图像加密置乱-扩散密钥动态选择机制选择明文的攻击

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基于级联混沌系统改进的图像加密算法

计算机工程与应用 2015年第12期51卷 68-73,160页

作者：刘健王玲吴桐湖南大学电气与信息工程学院中国人民解放军63983部队

针对目前混沌加密数字图像难以抵抗已知/选择明文攻击的主要缺陷,提出了基于级联L-L混沌系统改进的图像加密算法。不同于传统Fridrich置乱和扩散的架构,采用一种新的改进的加密算法架构使置乱-扩散过程相结合,并利用明文MD5值分组异或... 详细信息

针对目前混沌加密数字图像难以抵抗已知/选择明文攻击的主要缺陷,提出了基于级联L-L混沌系统改进的图像加密算法。不同于传统Fridrich置乱和扩散的架构,采用一种新的改进的加密算法架构使置乱-扩散过程相结合,并利用明文MD5值分组异或调制级联混沌系统的参数和初始值,增加算法对明文的敏感性,从而使整个加密算法能有效地抵抗已知/选择明文攻击。实验结果表明:该改进算法有着很好的加密效果和安全性,并在明文敏感性分析方面效果更好,能有效抵抗已知/选择明文攻击。

关键词：已知/选择明文攻击级联混沌消息摘要算法第5版(MD5) 置乱-扩散安全性

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基于混沌系统的图像加密算法研究

基于混沌系统的图像加密算法研究

作者：李涵安徽理工大学

学位级别：硕士

图像作为信息的一种传播载体,其在传输过程中的机密性以及完整性受到广泛关注。而图像加密技术,作为一种常见的图像安全性保护的方法,逐渐成为研究热点。混沌系统的随机性、遍历性以及对初值敏感性的特点与加密对密钥随机性的要求相一... 详细信息

图像作为信息的一种传播载体,其在传输过程中的机密性以及完整性受到广泛关注。而图像加密技术,作为一种常见的图像安全性保护的方法,逐渐成为研究热点。混沌系统的随机性、遍历性以及对初值敏感性的特点与加密对密钥随机性的要求相一致。因此,基于混沌系统的图像加密算法已然成为保护图像信息的有效方式。本论文根据现有的混沌系统的特点,构造性能较强的混沌系统,结合忆阻器的非线性特点,拓展图像加密算法;在经典的香农密码体制:置乱-扩散的基础上,对图像进行掩盖处理,达到图像安全性保护的目的。本文的研究方向主要包括以下几个方面:(1)提出基于忆阻器神经网络和改进Logistic映射的图像加密算法该算法首先根据混沌神经网络的更新的权值,对引入指数函数e的新型一维Logistic混沌映射进行赋值,并通过非线性方法对混沌随机序列进行处理,使其范围调整到不同加密阶段所满足的要求;然后采用排序算法获得混沌序列对应的替换数组并完成对明文的像素级和bit级的两次置乱操作;最后使用两组不同的混沌序列对中间密文进行两次方向相反的扩散操作来完成最终加密。安全性分析表明该算法具有较高的安全性,可以抵抗典型的攻击。(2)提出动态定位与双向同步置乱的混沌图像加密算法该算法通过引入指数函数改进Tent映射,以Logistic映射为动态输入,像素为动态参数,构造了一种动态混沌映射格子,通过初始值敏感性、自相关性分析、Lyapunov指数、样本熵以及NIST检验等证明混沌系统的随机性;该算法使用忆阻器神经网络的输出值作为密钥更新以及定位索引置乱的行列对的相关参数,使用定位元素对混沌随机矩阵进行双向行列排序,从而完成快速全局置乱,通过分析像素bit位特点,进行像素bit位突变,同步完成图像的置乱和扩散;采用密钥序列完成图像行与列的扩散操作,使得每一个像素值的影响扩散到整张图像,增强算法的安全性。安全性分析表明该算法的密钥空间大大提高,可以有效抵抗穷举式攻击等典型攻击。(3)提出基于安全身份认证的混沌图像加密算法该算法首先对图像进行像素级以及bit级置乱,破坏相邻像素之间的相关性的同时,增加明文图像像素值对密文的影响,最后使用扩散操作,完成最终的图像加密;本文使用公钥密码体制,通过构造哈希函数,获得信息摘要,完成簇节点到基站的安全身份认证。实验证明所提出的图像算法能够有效抵抗典型攻击,是一种安全性较高的加解密节点图像信息的方法,节点间发送信息的可靠性增加,进而使得节点的能耗降低,从而延长网络寿命。图[54]表[26]参[88]

关键词：混沌系统图像加密置乱-扩散忆阻器神经网络公钥密码体制

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基于混沌的数字图像加密系统的研究与实现

基于混沌的数字图像加密系统的研究与实现

作者：熊清东北大学

学位级别：硕士

随着多媒体与网络技术的飞速发展,越来越多的图像在以Internet、无线网络等为代表的开放性网络中传播,极大地方便了信息的访问与共享。与此同时,图像信息的安全性得到了广泛的关注。与文字信息相比,数字图像具有容量大、冗余度高、可理... 详细信息

随着多媒体与网络技术的飞速发展,越来越多的图像在以Internet、无线网络等为代表的开放性网络中传播,极大地方便了信息的访问与共享。与此同时,图像信息的安全性得到了广泛的关注。与文字信息相比,数字图像具有容量大、冗余度高、可理解性强等特点。传统的分组加密算法,如Triple-DES、IDEA、AES等,并不适合于图像加密,尤其在加密速度方面,不能满足日益增长的网络实时传输的需求。混沌系统的许多基本特性,如对初始条件与系统参数极端敏感性、遍历性、伪随机性等,可很好地满足现代密码学构建高安全性加密系统的要求。此外,基于混沌的加密系统具有软硬件易于实现、加解密速度快等优势,非常适合于大容量图像的加密,实现数字图像的实时、安全网络传输的需求。本文在分析目前已有的混沌图像加密算法优势和缺陷的基础上,做了以下工作:(1)针对现有混沌置乱算法存在的周期性、不动点以及图像形状限制等缺陷,本文基于流体力学中模拟微观粒子迁移和碰撞的格子气模型,提出了一种基于改进格子气模型的置乱算法。通过引入一种改进的Hardy-Pomeau-Pazzis(HPP)模型,使算法具有良好的普适性,比特级的置乱过程也在该阶段引入了一定的扩散效应,使整体计算效率得到提高。针对现有扩散过程多采用低维混沌系统所带来的密钥空间小、安全性较低的缺点,本文在扩散阶段引入了多涡卷混沌系统。与低维混沌系统相比,多涡卷混沌系统具有更多的系统变量和更为复杂的动力学行为,使得加密系统具有更大的密钥空间和更强的不可预测性。(2)针对现有“置乱—扩散”加密体系中扩散过程计算负载过高的问题,本文提出了一种双向并行扩散算法。通过采用双线程碰撞机制,在理论上使用传统方法1轮的运算时间,即可得到理想的扩散效果,从而显著提高了加密效率。(3)针对现有图像加密系统的密码学评估缺乏统一定量评判标准的问题,本文通过对理想密文图像进行数学建模,在数学上推导了理想情况下的NPCR以及UACI的统计学分布模型、理想密文直方图的概率分布,运用统计学中显著性检验、区间估计以及皮尔逊χ2检验的方法,定量的给出了 NPCR、UACI的评价标准以及一定显著水平下衡量实际密文与理想密文分布的拟合标准。此外,在信息熵检验中采用了一种新的局部信息熵的评估方法,规避了全局信息熵评估效率低、不同大小图像之间测试比较存在不公平性以及部分情况下存在不准确性的问题。同时,对本文构建的加密系统进行了详尽的密码学分析与速度对比测试。密码学分析包括经典的密钥敏感性分析、密钥空间分析、相邻像素相关性分析,以及本文提出的直方图χ2检验分析,局部信息熵分析以及NPCR、UACI置信区间分析。实验结果表明,本文所提出与构建的图像加密系统可有效抵御各类常见的攻击手段,加密速度较经典分组加密算法有显著的提高,因此非常适合用于面向宽带网络的实时、安全图像传输应用。

关键词：图像加密混沌置乱-扩散 HPP模型多线程随机性检验

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超混沌系统的研究及其在图像加密中的应用

超混沌系统的研究及其在图像加密中的应用

作者：刘健湖南大学

学位级别：硕士

随着网络与数字多媒体技术的快速发展,多媒体信息特别图像信息的传播变得越来越重要。数字技术可以带给我们很多便利,但也带给攻击者和非法用户机会,因此图像加密方法已经成为一个主要关注的问题。不同于文本文件,图像有其特有的属性,... 详细信息

随着网络与数字多媒体技术的快速发展,多媒体信息特别图像信息的传播变得越来越重要。数字技术可以带给我们很多便利,但也带给攻击者和非法用户机会,因此图像加密方法已经成为一个主要关注的问题。不同于文本文件,图像有其特有的属性,如直观、数据量大和像素间相关性强等特点,因此一些传统的数据加密方法,如DES、AES、IDEA和RSA等不再适用于数字图像加密。由于混沌具有高安全性、低计算复杂度、对初始条件和系统参数极度敏感等良好的性质,因此提供了一种新的数字图像加密方法。因此本文首先根据二维离散非线性方程,通过分析与计算Lyapunov指数,提出了一种二维超混沌系统,并从理论上研究与分析二维超混沌系统的特性,包括绘制吸引子图,分析平衡点与稳定性,求解和绘制Lyapunov指数与分岔图,敏感性分析等,理论分析与实验结果表明,二维超混沌系统既具有超混沌系统的特性,相空间复杂,对初始条件极度敏感,随机性好,密钥空间大和安全性好等优势,它又没有高维超混沌系统的复杂计算量,加密速度慢,生成的密文图像数据量大等缺陷。其次,本文通过分析现有的混沌序列预处理方法的特点,设计出一种结合多分段法,针对二维超混沌输出序列特点的多分段映射的方法,来实现对动力学退化的混沌系统输出序列离散化,并进行随机性测试。实验结果表明,该方法预处理后的序列通过了FIPS140-2测试、相关性测试和功率谱测试,使其输出序列的随机性与复杂性更加良好,能有效的用于图像加密中。最后,针对目前混沌加密数字图像难以抵抗已知／选择明文攻击的主要缺陷,提出了基于二维超混沌系统改进的图像加密算法。不同于传统Fridrich置乱和扩散的架构,采用一种新的改进的加密算法架构使置乱-扩散过程相结合,并利用明文MD5值分组异或调制二维超混沌系统的参数和初始值,增加算法对明文的敏感性,从而使整个加密算法能有效地抵抗已知／选择明文攻击。实验结果表明：该改进算法有着很好的加密效果和安全性,并在明文敏感性分析方面效果更好,能有效抵抗已知／选择明文攻击。

关键词：二维超混沌 Lyapunov指数 MD5 已知/选择明文攻击置乱-扩散

六维分数阶超混沌系统在彩色图像加密中的应用

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六维分数阶超混沌系统在彩色图像加密中的应用

作者：雷鹏哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

混沌是对一个确定的系统所产生的随机运动的状态描述,它的特征主要有:系统模型的确定性、吸引子的稳定性、系统运动状态的随机性及对初值的极端敏感性。由于超混沌系统所具有的混沌特性比一般的混沌系统更强,更适合表征系统的物理特性,... 详细信息

混沌是对一个确定的系统所产生的随机运动的状态描述,它的特征主要有:系统模型的确定性、吸引子的稳定性、系统运动状态的随机性及对初值的极端敏感性。由于超混沌系统所具有的混沌特性比一般的混沌系统更强,更适合表征系统的物理特性,更适合用来进行信息的加密。本文构建了一个六维分数阶超混沌系统,并分析了其动力学行为,搭建出系统振荡电路,并对系统作全面的分析和研究。利用理论分析、数值仿真和电路仿真相结合的方法进行分数阶混沌系统的设计,图像加密部分,以高分辨率的彩色图像为研究对象,采用数学分析和仿真测试的方法研究系统,在Matlab软件上进行彩色图像加密解密测试,并利用直方图、直方图、密钥空间、相邻像素相关性和直方图这些指标验证加密过程的有效性,主要工作如下:首先,构建出一个六维系统数学模型,为了验证系统的超混沌特性,对系统耗散性、平衡点、Lyapunov指数、分维数和庞加莱截面进行分析。并在Matlab软件上对系统进行仿真,并得到了系统的二维、三维相图以及时域图,进一步验证系统的超混沌特性。其次,根据电路理论,采用模块化设计思想设计出六维分数阶超混沌系统的模拟电路,并进行电路仿真软件仿真得到系统两相平面图以及时域波形图,通过Multisim电路仿真与Matlab数值仿真的一致性证明系统的超混沌特性存在。最后,在经典的置乱-扩散结构算法基础上设计了基于六维分数阶超混沌系统的彩色图像加密算法,该算法以六维分数阶超混沌系统作为伪随机序列生成源生成伪随机序列。使用密钥进行图像加密解密测试,并通过密钥空间、密钥敏感性、直方图和相邻像素相关性对图像进行安全性能分析。结果表明,该算法加密效果良好,时间开销小。

关键词：超混沌系统分数阶彩色图像加密置乱-扩散安全指标分析