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《河南大学》 2016年
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基于混沌系统的图像加密算法的设计与实现

杨康  
【摘要】:当今,伴随着智能设备、物联网以及高清多媒体设备的快速发展,我们生活中绝大多数信息的传输,如文档、音频、视频等,特别是图像信息的传输都要严重的依赖于网络。图像具有形象生动、简单、直观等优点,已经发展成为我们生活中不可或缺的交流方式。但是,人们对网络安全的研究并没有达到一个绝对可靠的地步,所以图像在网络中的传输也存在着巨大的安全漏洞。诸如信息遭到泄密的新闻报道也屡见不鲜,这无疑将对个人、企业甚至国家带来诸多不可估量的影响。所以需找一种安全的、可靠的、实用的图像加密方法已经引起了人们的注意。混沌系统首先是一种非线性系统,它具有出众且复杂的伪随机性,其本质特点是对于初始条件以及控制参数非常敏感,只要初始条件存在任何的轻微偏差,其值都会发生极大的变化,符合扩散规则。此外,我们也可通过初始条件、参数以及非线性系统方程来确定它。正因为混沌系统具有随机性、确定性、遍历性和对初值的高度敏感性等特点,我们可以设计出一系列密钥空间大、密钥流随机性强的加密算法。因此,本文提出了两种基于混沌系统的图像加密算法并进行了编程实现,主要工作包括以下两个方面:(1)提出一种基于超混沌系统的密钥动态选取的图像加密算法。该算法利用超混沌系统来产生加密所用的伪随机序列,然后利用DKSGSM(Dynamic Keystream Sequence Group Selection Mechanism)机制和DKSM(Dynamic Keystream Selection Mechanism)机制从伪随机序列中动态选取密钥来对图像进行置乱和扩散操作,接着为了达到只要明文图像发生轻微改变,密文也会发生极大改变的效果,又对正向加密过后的图像进行了反向加密,进而得到最终的加密图像,最后,对该算法进行了实验仿真以及安全性分析。(2)提出一种基于忆阻混沌系统、元胞自动机和DNA技术的图像加密算法。通过将明文图像作用于SHA-256函数产生的256位密钥来计算忆阻混沌系统的初值,然后对明文图像的8个位平面进行DNA动态编码,进而对其进行分块,接着将其与元胞演化后并经过DNA编码后的矩阵进行DNA扩散操作,然后对扩散后的DNA矩阵进行解码并转化为十进制矩阵,最终得到加密图像。最后,对该算法进行了实验仿真以及安全性分析。
【关键词】:图像加密 超混沌 置乱 扩散 元胞自动机 DNA技术 忆阻混沌系统
【学位授予单位】:河南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TP309.7;O415.5
【目录】:
  • 摘要4-5
  • ABSTRACT5-10
  • 第一章 绪论10-16
  • 1.1 课题研究的背景和意义10-11
  • 1.2 混沌图像加密算法研究现状11-13
  • 1.3 本文研究的主要内容13-15
  • 1.4 论文结构安排15-16
  • 第二章 混沌图像加密的基本理论16-24
  • 2.1 密码学理论基础16-18
  • 2.1.1 密码学基础简介16-17
  • 2.1.2 密码体制的分类17-18
  • 2.1.3 密码分析学18
  • 2.2 混沌图像加密基本理论18-21
  • 2.2.1 基于混沌的图像加密系统19-20
  • 2.2.2 混沌图像加密方式20-21
  • 2.3 加密效果的评价标准21-23
  • 2.3.1 衡量图像加密算法优劣的评判标准21-23
  • 2.3.2 抗噪声攻击23
  • 2.4 本章总结23-24
  • 第三章 基于超混沌系统的密钥动态选取的图像加密算法24-42
  • 3.1 陈氏超混沌系统25
  • 3.2 依赖明文的DKSGSM动态选取机制25-26
  • 3.3 DKSM动态选取机制26-27
  • 3.4 非线性的置乱操作27-29
  • 3.5 扩散策略29-30
  • 3.6 图像加密算法30-32
  • 3.7 实验结果32-33
  • 3.8 安全性分析33-40
  • 3.8.1 密钥空间分析33
  • 3.8.2 敏感性分析33-34
  • 3.8.3 直方图34-35
  • 3.8.4 相邻像素的相关性分析35-37
  • 3.8.5 抗差分攻击性分析37
  • 3.8.6 信息熵分析37-38
  • 3.8.7 效率分析38
  • 3.8.8 抗噪声攻击分析38-40
  • 3.9 本章小结40-42
  • 第四章 基于忆阻混沌系统、元胞自动机和DNA技术的图像加密算法42-68
  • 4.1 忆阻混沌系统43-45
  • 4.2 SHA-256函数和忆阻混沌系统的初值的选定45-46
  • 4.3 DNA计算46-47
  • 4.3.1 DNA编码方案46
  • 4.3.2 DNA加(减)法运算46-47
  • 4.3.3 DNA异或运算47
  • 4.4 元胞自动机47-52
  • 4.4.1 元胞空间48-49
  • 4.4.2 元胞的状态空间49
  • 4.4.3 元胞的邻域组合49-50
  • 4.4.4 元胞的演变规则50-52
  • 4.5 图像加密方法52-56
  • 4.6 图像解密方法56-58
  • 4.7 实验结果58-59
  • 4.8 安全性分析59-67
  • 4.8.1 密钥空间分析59-60
  • 4.8.2 敏感性分析60-61
  • 4.8.3 直方图分析61
  • 4.8.4 相邻像素的相关性分析61-63
  • 4.8.5 抗差分攻击性分析63-64
  • 4.8.6 信息熵分析64
  • 4.8.7 效率分析64-65
  • 4.8.8 抗噪声攻击分析65-67
  • 4.9 本章总结67-68
  • 第五章 混沌图像加密系统的原型设计与实现68-78
  • 5.1 GUI设计的一般原则68
  • 5.2 GUI设计的一般步骤68-69
  • 5.3 系统功能的模块设计69-76
  • 5.3.2 文件模块70-72
  • 5.3.3 直方图模块72-73
  • 5.3.4 相关性模块73
  • 5.3.5 信息熵模块73-74
  • 5.3.6 UACI和NPCR模块74
  • 5.3.7 密钥敏感性测试模块74-75
  • 5.3.8 混沌系统吸引子模块75-76
  • 5.4 本章小结76-78
  • 第六章 总结与展望78-80
  • 6.1 工作总结78-79
  • 6.2 展望79-80
  • 参考文献80-84
  • 致谢84-86
  • 攻读学位期间的科研成果86-87

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