基于三维混沌系统的图像加密算法研究.pdf

摘要

随着网络技术的不断发展，大量信息被产生、传输和存储。图像作为一种直观的

信息表达形式，在信息传输中所占比重也日益增大。日渐猖獗的网络犯罪给信息安全

带来了越来越严重的影响，图像的安全问题也日渐受到人们的关注，安全、高效的新

型加密算法亟待提出以迎接挑战。图像具有数据量大、冗余高、像素点间相关性强等

特征，这使得传统的针对文本等信息的普通加密方法不完全适用于图像加密。

混沌具有初值敏感、伪随机、长期不可预测等优良特征，在图像加密方面具有潜

在的优势并被广泛的应用。然而现有的一些混沌图像加密算法在安全性和实现的复杂

度方面存在不可调和的矛盾。低维混沌系统复杂度低但已被证明是不安全的，超混沌

系统尤其是时空混沌系统复杂度和安全性较高但实现成本也较高。

针对上述问题，本文深入研究了基于三维混沌系统的图像加密方案，根据灰色图

像和彩色图像的固有属性，分别提出了基于Lorenz混沌系统的灰色图像加密方案和

基于Chen混沌系统及Logistic混沌映射的彩色图像加密方案。前者引用三维Lorenz

混沌系统来对灰色图像进行加密，使用伪随机数发生器对Lorenz系统产生的序列进

行变换，以保证其达到更好的随机性。再将随机序列分别用于灰色图像加密的扩散和

置乱部分，以改变图像像素点的位置和像素点的值。后者引用三维Chen系统和一维

的Logistic系统来对彩色图像进行加密，先对Chen混沌系统产生的序列进行拉伸与

折叠变换，让其产生的序列都拥有较好的随机性，再分别将序列用于红、绿、蓝三部

分的置乱阶段，改变像素点的位置。最后采用同样的方法对Logistic系统产生的序列

进行拉伸折叠变换，用以改变红、绿、蓝三部分的像素值大小。

本文的创新点主要体现在以下两个方面：（1）设计了两种新型的伪随机数发生器，

通过对混沌系统的输出序列做进一步拉伸和折叠变换以提高其随机性。所设计的伪随

机数发生器被巧妙地应用于图像加密的置换和扩散环节，保证了整体加密方案的安全

性。（2）提出了一种新的基于混沌伪随机序列的图像随机置乱方法。该方法依据所产

生的混沌密钥流随机选择对图像实施行或列置换，多轮随机置换进一步保证了图像置

换操作的安全性。实验结果表明，上述方法无论对灰色图像还是彩色图像都是十分有

效的，具有较好的普适性。基于此所提出的混沌图像加密方案不仅易于实现，还可以

抵抗常用攻击，具有较高的安全性。与已有混沌图像加密方案的对比分析，也显示了

本文所提出方案的优越性。在未来的工作中，需要进一步考虑压缩对算法产生的影响

并提出改进，减小解密过程中由压缩引起的误差。

关键词：图像加密；伪随机序列；密钥流发生器；随机置乱

Abstract

Withthedevelopmentofnetworktechnology,alargeamountofinformationhasbeen

generated,transmittedandstored.Asanintuitiveformofinformationexpression,image

playsanimportantroleininformationtransmission.Theincreasingnumberofcybercrimes

hasbroughtseriousimpactsoninformationsecurity,andtheimportanceofimagesecurity

isgettingmoreandmoreattention.Itisurgenttoproposenewandsecureencryption

algorithmstomeetthechallenge.Astheimagecontainsalargeamountofdata,hashigh

redundancyandstrongcorrelationbetweenpixels,thetraditionalencryptionmethodfortext

andotherinformationisnolongerapplicable.

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