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《安徽大学》 2007年
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基于混沌的图像加密技术研究

刘家胜  
【摘要】: 随着计算机网络和信息技术的迅猛发展,语音和视频等数据量大的多媒体数字信息可以在网络上方便、快捷地传输。多媒体通信逐渐成为人们彼此之间信息交流的重要手段。数字图像作为多媒体信息中最重要的一种信息表达形式,具有形象、直观和生动的优点,尤其是在克服了以往因图像数据量大而带来的存储和传输的问题之后,它正在或已经成为当今乃至今后信息表达方式的主流。但是,数字图像带给人们生活便利的同时也存在着诸多的安全隐患。譬如,涉及到国家秘密、商业机密或个人隐私的一些图像信息,通过网络传播时很容易被恶意攻击者轻易地浏览、窃取、窜改、非法复制与传播。若不对这些图像采取必要的安全保护措施,由此带来的严重后果是不可想象的。因此,图像信息的安全问题已经成为人们关注的焦点之一。 图像加密是图像安全保护的核心技术。它是保护图像安全的一种直接的、有效的手段。同时,图像加密还是信息隐藏和数字水印等应用中不可或缺的一项重要技术。因此,在多媒体技术应用日益广泛的今天,研究图像加密具有重要的理论和现实意义。 论文以混沌的特性为基础,对基于混沌的图像加密技术进行了较为深入的研究,本文的工作及贡献主要体现在以下几个方面。 1、研究和总结了在无限精度下判断非线性系统处于混沌的条件,提出了“多电平量化中间抽取”的数字混沌序列产生方法。经随机序列的统计检验表明,由它得到的数字混沌序列具有较好的密码学性质,能满足图像加密的要求。 2、本文提出了“m序列变换”和“模运算变换”两种图像置乱方法。由置乱算法的主客观评价可知:m序列变换是一种较好的图像置乱算法,它具有置乱效果好和置乱效率高的优点。此外,在对图像置乱定义的深入分析基础上,提出了一种基于伪随机序列的图像置乱的通用方法,并通过正弦混沌映射验证该通用方法的正确性,从置乱效果,置乱效率,密钥空间以及算法设计的自由度看,该方法是一种非常有效的图像置乱算法。 3、本文在分析了一般“异或加密”的缺点之后,提出了基于8-邻域的异或加密的改进算法,它能克服一般异或加密方法易受选择明文攻击的缺点。同时,利用m序列产生器中移位寄存器状态的伪随机性和遍历性等特点,提出了m序列整数调制的图像加密方法及其快速算法。该算法不仅能抵抗选择明文攻击,而且具有加密效果好和加密速度快的优点。 4、本文提出了基于小波变换与混沌序列相结合的图像加密算法,实验表明该方法是有效的,与文献给出的算法相比,本算法的安全性有所提高。此外,对基于分数傅立叶变换的图像加密进行了计算机仿真实验,实验结果也证明该方法是可行的。 5、本文在对混沌神经网络进行了初步的研究和探讨后,给出了基于Hopfield神经网络与混沌的图像加密方法,并取得了较好的图像加密效果。 6、针对电视采访中保护采访对象的特殊需要,本文应用基于均值漂移的视频跟踪算法和图像加密算法,成功设计出一个视频跟踪加密方案。该算法首先用均值漂移跟踪算法对运动目标进行跟踪,然后用改进的m序列变换对它加密,实验取得了很好的效果。与目前电视中加马赛克处理相比,该算法具有两大特性:一是自动实时跟踪运动目标;二是加密效果好。这是图像加密结合视频跟踪在图像特殊处理应用中的一个成功案例,类似的研究在国内未见报道。 综上所述,木文主要研究了混沌理论及其在图像加密中的应用。对空间域的图像加密进行了较为深入的研究,分别提出了m序列变换、图像置乱的通用方法和m序列整数调制等算法。对基于小波变换与混沌的图像加密算法提出了改进算法。并利用改进的m序列变换,成功设计了一个视频跟踪加密方案,解决了电视采访中为保护被采访对象而自动跟踪人脸并进行加密的问题。
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