混沌數(shù)字圖像加密技術(shù)的研究

摘要：多媒體技術(shù)由于其數(shù)據(jù)的直觀性強(qiáng)、信息量大等特點(diǎn)已經(jīng)成為人類社會(huì)在信息利用方面的重要手段。尤其是數(shù)字圖像，它比聲音、文字等包含更多的信息量，因而在多媒體信息中占有舉足輕重的地位，所以人們對數(shù)字圖像的安全性需求也越來越迫切。 混沌系統(tǒng)具有對初始值的高度敏感性、良好的偽隨機(jī)性、長期的不可預(yù)測性等特性，這些特點(diǎn)就決定了混沌系統(tǒng)可以應(yīng)用于密碼學(xué)領(lǐng)域。本文闡述了混沌理論以及密碼學(xué)的相關(guān)知識(shí)，在對已有基于混沌理論的圖像加密算法實(shí)現(xiàn)與分析的基礎(chǔ)上提出了一種圖像加密算法——類Baptista 加密算法，理論分析與仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)該算法的可行性。

關(guān)鍵詞：混沌 圖像加密 Baptista 算法

1.混沌圖像加密研究

1.1混沌密碼學(xué)的現(xiàn)狀

目前混沌密碼學(xué)主要有兩大研究方向： (1) 以混沌同步技術(shù)為核心的混沌保密通信系統(tǒng)，主要基于模擬混沌電路系統(tǒng)。自從1990年美國的Pecora 和Carroll首次用電子線路實(shí)現(xiàn)混沌同步以來，利用混沌同步實(shí)現(xiàn)保密通信己成為各國近年來爭相研究的熱門領(lǐng)域。迄今己經(jīng)提出和發(fā)展了三大混沌通信技術(shù)：1992年提出的混沌掩蓋通信技術(shù)，1993年提出的混沌開關(guān)通信技術(shù)，1993年H 提出的混沌調(diào)制通信技術(shù)，它們是目前保密通信研究中競爭最為激烈的三大技術(shù)。 (2)流密碼和分組密碼，主要基于計(jì)算機(jī)有限精度下實(shí)現(xiàn)的數(shù)字化混沌系統(tǒng)。例如周紅等提出一種基于逐段線性混沌映射(PLCM) 的設(shè)計(jì)方案，桑淘等提出采用一類逐段非線性混沌映射的算法，以及近來李紅達(dá)等提出基于復(fù)合離散混沌動(dòng)力系統(tǒng)的密碼算法和章學(xué)晴、翁貽方等提出基于時(shí)空混沌的密碼算法，顯示出混沌密碼的研究不斷發(fā)展完蓋。

在實(shí)用方面，混沌密碼已應(yīng)用于保密通信，圖象加密等方面，而E-safenet等公司則研制出了基于混沌密碼的商業(yè)軟件，且混沌密碼在數(shù)字水印等方面也有良好的應(yīng)用前景。信息安全的核心問題是密碼技術(shù)，即密碼的理論及其應(yīng)用。數(shù)字圖像加密屬于密碼編碼技術(shù)，它是一門集數(shù)學(xué)、密碼學(xué)、信息論、計(jì)算機(jī)等多門學(xué)科的交叉學(xué)科。因此，研究圖像加密具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。圖像加密在保密通信，信息隱藏和數(shù)字水印中有廣泛的應(yīng)用。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

混沌系統(tǒng)對初始條件的極端敏感性，在相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)，混沌曾被認(rèn)為是既不可預(yù)測也無法控制，因而是一種有害的運(yùn)動(dòng)形式。20世紀(jì)90年代以來，人們在混沌控制與反控制領(lǐng)域的大量研究表明，混沌不僅是( 長期) 可控制的和( 短期)可預(yù)測的，而且可以在許多領(lǐng)域中得到有益的應(yīng)用?；煦缫氲綀D像加密領(lǐng)域，是信息安全領(lǐng)域近年來的一個(gè)研究熱點(diǎn)。 經(jīng)典密碼學(xué)將明文數(shù)據(jù)加密成密文數(shù)據(jù)，從而達(dá)到保密的目的，盡管我們可以將圖像數(shù)據(jù)看成一維數(shù)據(jù)流，使用傳統(tǒng)的加密算法進(jìn)行加密，但往往忽視了數(shù)字圖像的一些獨(dú)特性質(zhì)，如二維的自相似性、大數(shù)據(jù)量等，而且傳統(tǒng)加密算法很難滿足網(wǎng)絡(luò)傳輸中的實(shí)時(shí)性要求?；煦绗F(xiàn)象是非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中出現(xiàn)的偽隨機(jī)過程，具有非周期性、遍歷性及初值敏感性等特點(diǎn)，與加密系統(tǒng)存在著很多相似之處，目前研究基于混沌理論的信息保密技術(shù)是非線性科學(xué)和信息科學(xué)兩個(gè)領(lǐng)域交叉融合的熱點(diǎn)問題之一。近年來，各個(gè)國家都在這個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究。

1.3 混沌圖像加密算法的簡介

對圖像進(jìn)行某種變換，是使變換后的圖像與源圖像存在亮度、顏色或者輪廓等定性或定量的視覺差異。通過圖像加密操作之后，源數(shù)字圖像將變換為類似于隨機(jī)噪聲的信息。圖像加密源于早期的經(jīng)典加密理論，其目的是隱藏圖像本身的真實(shí)信息，使竊取者或無關(guān)人員，在收到加密消息后無法獲得原始圖像，而接收方，則可用預(yù)先約定好的密鑰和解密方法，把加密信息解密出來。圖像加密算法主要有三種，圖像像素空間的置亂( 以下稱圖像置亂) 和圖像像素值的替換擴(kuò)散( 以下稱圖像擴(kuò)散) 以及前兩者的結(jié)合使用。

2.明文相關(guān)的類 Baptista算法的實(shí)現(xiàn)和分析

2.1 類Baptista 算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

加密過程如下：

步驟一：明文圖像的像素?cái)?shù)組 K ；

步驟二：初始密鑰帶入Logistic 映射，產(chǎn)生混沌序列L ，取8 位mod2，獲得二進(jìn)制數(shù)組B ；

步驟三：在B 按照下述規(guī)則查找K 中各個(gè)元素經(jīng)過處理的值 V ，所得跳躍次數(shù)的二進(jìn)制碼，即為密文。

處理方式：strh [i]為第i次查到的B[j]的高四位，V[i+1]=XOR(strh[i]，K[i+1])。

查找方式：對于K[i+1]，從K[i]所對應(yīng)的B[j]開始，向后查詢V[i+1]，每跳躍一次，如果B[p]所對應(yīng)的dup的元素值為0，則計(jì)數(shù)器工作，B[p]所對應(yīng)的dup的元素值改為1；如果B[p]所對應(yīng)的dup的值為1，則計(jì)數(shù)器不工作，繼續(xù)向后查詢，直到查詢到V[i+1]為止。計(jì)數(shù)器n的值返回，得到K[i+1]的密文output[i+1]。Strh[0]設(shè)置為L[0]的高四位。

解密是加密的逆過程，即在混沌序列中根據(jù)密文像素值，指針跳躍相應(yīng)次數(shù)進(jìn)行查找(這里的次數(shù)依然是指不重復(fù)查找次數(shù))，查找到的值再與前一個(gè)像素點(diǎn)所對應(yīng)的混沌序列的高四位進(jìn)行異或操作，所得結(jié)果即為解密結(jié)果。

2.2算法擴(kuò)展性分析

本算法基于搜索的方式，根據(jù)搜索次數(shù)作為密文替代明文，每次一個(gè)像素加密時(shí)，解密結(jié)果都與上一個(gè)像素的加密有關(guān)聯(lián)，因此，具有一定擴(kuò)散性。但是由于隨機(jī)性的存在，改變后的像素Dn''在隨后的第m-n回加密之后，得到的Dm''與Dm的值恰好相等，于是在第m個(gè)像素點(diǎn)之后的加密過程中，NPCR值不會(huì)繼續(xù)增長。于是需要使用多輪加密的辦法使NPCR達(dá)到要求。問題在于半個(gè)字節(jié)為單位的查詢，雖然效率高，但是容易出現(xiàn)上述巧合，導(dǎo)致NPCR增長慢，所以我在今后工作中，會(huì)嘗試使用以一字節(jié)甚至兩字節(jié)為單位，進(jìn)行搜索，選取一個(gè)兼顧加密效率和m次重復(fù)的概率的搜索單位。

3.總結(jié)

本文提出一種基于搜索的類Baptista算法?；谒阉鞯募用芊绞绞且砸环N新的方式找到映射明文的像，而非同傳統(tǒng)的異或加密的方式。這種算法有其優(yōu)勢，即算法本身就與明文相關(guān)。但是也有其固有的缺陷，即加密速度慢，明文相關(guān)不徹底。本文提出的這種類Baptista算法是在Baptisa算法上的一種改進(jìn)，優(yōu)點(diǎn)在于搜索內(nèi)容已經(jīng)不是明文，而是明文與第三方操作的結(jié)果。第三方是指前一像素點(diǎn)的對應(yīng)混沌序列值的高四位，這樣不會(huì)暴露任何明文或者混沌序列的信息。由此增加了擴(kuò)散性，使這種基于搜索的算法性能得到提高。

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