基于混沌理论的图像加密算法研究

论文摘要

在信息技术迅猛发展的时代,黑客入侵、网络诈骗和隐私泄露等事件频繁发生,因此信息安全问题成为人们关注的焦点。保护信息的安全传输也成为当今研究的热点话题。图像作为信息的载体具有生动形象,信息量大的特点,也成为了人们沟通交流中不可或缺的一部分。本文在对混沌系统理论和密码学理论进行深入研究和学习的基础之上,设计出三种基于混沌理论的图像加密算法,具体内容如下:首先,提出了一种基于混沌系统理论和DNA序列运算的图像加密算法。该算法使用SHA-3算法计算明文图像的哈希值,作为2D-LSCM混沌系统的初始值输入密钥。迭代混沌系统得到混沌序列,通过对图像进行动态DNA编码,并与产生的混沌序列进行异或运算,实现像素的置乱,进一步提高了加密的安全性。最后,通过DNA序列运算选择预先设置的DNA编码规则来进一步增强算法的混淆和扩散特性。其次,提出了一种基于混沌系统和遗传操作的图像加密算法。该算法计算明文图像的哈希值与给定密钥构造混沌映射的初始值,来建立明文与密钥的关联,使得加密图像的微小变化扩散到整个密文图像,使用混沌映射产生的混沌序列实现了图像的像素位置置乱和像素值比特位置乱;增加了遗传算法的交叉操作来加强像素的扩散,进一步提高了加密的安全性。再次,提出了一种基于Hilbert曲线和H几何分形的图像加密算法。该算法利用Hilbert曲线的空间填充特性和H几何分形的无限特性,并结合超混沌系统的伪随机性和对初值的敏感性。使用SHA-3算法计算明文图像的哈希值作为Logistic和Rossler混沌系统的初值,使密钥与明文相关联;并用混沌系统产生的混沌序列对图像进行全局像素位置置乱和像素灰度值扰乱,打乱像素位置和像素灰度值的分布规律。交替使用Hilbert曲线和H分形进行两次的局部像素位置置乱和像素灰度值扩散。最后,通过密文反馈进一步增强算法的混淆和扩散特性,以达到更高的安全性。最后,对本文的内容进行了总结,并对以后的研究方向进行了展望。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 选题背景及意义
•   1.2 国内外研究现状
•   1.3 本文的主要内容及创新点
•     1.3.1 本文的主要内容
•     1.3.2 本文的创新点
• 第二章 图像加密基本理论
•   2.1 密码学基础
•     2.1.1 密码学概念
•     2.1.2 加密方法分类
•     2.1.3 密码学分析
•   2.2 混沌理论
•     2.2.1 混沌的定义
•     2.2.2 混沌的特点
•     2.2.3 典型混沌系统
•   2.3 混沌图像加密
•     2.3.1 混沌图像加密的特点
•     2.3.2 混沌图像加密的分析
• 第三章 基于混沌系统和DNA序列运算的图像加密算法
•   3.1 混沌系统和DNA编码规则
•     3.1.1 混沌系统
•     3.1.2 DNA编码及其运算规则
•     3.1.3 密钥的产生
•   3.2 加密算法
•   3.3 实验结果及安全性分析
•     3.3.1 穷举攻击分析
•     3.3.2 统计攻击分析
•     3.3.3 差分攻击分析
•   3.4 本章小结
• 第四章 基于混沌系统和遗传操作的图像加密算法
•   4.1 遗传操作和混沌映射
•     4.1.1 遗传操作
•     4.1.2 混沌映射
•     4.1.3 DNA编码
•   4.2 加密算法
•     4.2.1 密钥的产生
•     4.2.2 位置全局置乱
•     4.2.3 遗传操作设计
•     4.2.4 像素扩散
•     4.2.5 加密过程
•   4.3 实验结果及安全性分析
•     4.3.1 穷举攻击分析
•     4.3.2 统计攻击分析
•     4.3.3 差分攻击分析
•   4.4 本章小结
• 第五章 基于Hilbert曲线和H几何分形的图像加密算法
•   5.1 Hilbert曲线和H几何分形基本理论
•     5.1.1 Hilbert曲线
•     5.1.2 H分形
•     5.1.3 混沌系统
•   5.2 加密算法
•     5.2.1 密钥的产生
•     5.2.2 像素的置乱
•     5.2.3 像素的扩散
•     5.2.4 密文反馈
•     5.2.5 加密过程
•   5.3 实验结果及安全性分析
•     5.3.1 穷举攻击分析
•     5.3.2 统计攻击分析
•     5.3.3 差分攻击分析
•     5.3.4 数据丢失攻击分析
•     5.3.5 噪声攻击分析
•     5.3.6 裁剪攻击分析
•   5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 总结
•   6.2 展望
• 参考文献
• 附录1 攻读硕士学位期间发表论文目录
• 附录2 攻读硕士学位期间获得科研奖励
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 周正

导师: 张勋才

关键词: 图像加密,混沌系统,编码,遗传操作,几何分形,安全性分析

来源: 郑州轻工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,计算机软件及计算机应用

单位: 郑州轻工业大学

分类号: TP309.7;O415.5

总页数: 74

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