基于混沌系统和压缩感知的视觉安全图像加密算法

论文摘要

最近几年来,计算机和互联网的迅猛发展使信息的传输变得越来越便捷,多媒体信息被越来越多的在互联网平台上传播和使用,其中,数字图像具有直观、生动的特点,在网络上作为主要的信息载体,被广泛使用,但是在完全开放的环境下进行信息传输时,信息泄露等安全事件频繁发生。保护图像信息安全最有效的方法就是对图像进行加密,但目前的图像加密方法几乎都是将明文图像加密成类似于噪声或纹理的密文图像,这种类型的密文图像在传输或者存储过程中很容易引起黑客的注意,然后被重点攻击。因此如何设计视觉安全的图像加密算法,即得到的密文图像不是杂乱无章的,在视觉上是有意义的,且能够同时保证信息的数据安全和视觉安全,已经成为人们研究热点,具有很高的研究价值。混沌系统具有内随机性,对初始值和参数的敏感性,遍历性等良好性能,被广泛用于图像加密中。在传输带宽和存储空间受限制的情况下,常常需要对图像进行压缩然后再传输和存储。压缩感知能同时对图像进行压缩和加密,开始用在图像加密领域中。本文基于混沌系统和压缩感知,提出了三种视觉安全图像加密算法,主要工作如下:（1）提出了一种基于压缩感知和三维猫映射的视觉安全图像加密算法。首先,将明文图像P使用二维离散小波变换（2-D DWT）转换为稀疏系数,然后通过Zigzag置乱方法将稀疏矩阵置乱,并使用三维猫映射生成的测量矩阵将置乱后的矩阵加密压缩成密文图像F。接着,再将密文图像F按照最低有效位嵌入（LSB）的方法嵌入到载体图像R中,最后获得视觉上安全的密文图像E。算法可以同时实现图像数据安全和图像外观安全,并且密文图像和明文图像的大小相等,不需要额外的传输带宽和存储空间。仿真结果和性能分析都证明了提出的加密方案良好的加密性能。（2）提出了一种基于二维压缩感知（2-D CS）的视觉安全多幅彩色图像加密算法。首先,将两幅彩色明文图像的R、G、B颜色分量使用2-D DWT进行稀疏,再对稀疏系数矩阵进行二维压缩测量、置乱、量化操作。然后,对载体图像进行DWT操作得到高频段LH、HL,再把量化后的矩阵随机的嵌入到高频段中,最后获得视觉安全的密文图像。把与明文相关的密钥参数嵌入到载体图像中,跟随密文图像一起传送给接收方,在大批量图像加密的情况下,不仅实现两幅图像同时加密,还节省了传输带宽和存储空间。仿真结果验证了该加密算法的有效性和安全性。（3）提出了一种基于压缩-置乱-扩散的多嵌入方案的视觉安全彩色图像加密算法。首先,对彩色明文图像的R、G、B颜色分量进行稀疏,再对稀疏矩阵进行二维压缩测量、置乱、量化、扩散操作,得到扩散矩阵。然后,对彩色或灰度载体图像采用整数小波变换（IWT）得到高频段,再把扩散后的矩阵随机的嵌入到后的高频段中,最后获得视觉上安全的彩色或者灰度密文图像,且密文图像的尺寸小于等于明文图像,不需要额外的传输带宽和存储空间。在扩散操中,利用局部二值模式（LBP）算法的阈值处理方法对Logistic混沌系统生成的矩阵进行处理,得到扩散用的密钥矩阵,提高了算法的随机性。实验结果验证了该算法的有效性和安全性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
•   1.1 课题研究的背景及意义
•   1.2 视觉安全图像加密算法研究现状分析
•   1.3 本文研究的主要内容
•   1.4 论文结构及章节安排
• 2 图像加密的基本知识
•   2.1 密码学的基础知识
•   2.2 混沌的基本理论
•     2.2.1 混沌理论的基本概念
•     2.2.2 基于混沌系统的图像加密技术
•   2.3 压缩感知的相关知识
•   2.4 本章总结
• 3 基于压缩感知和三维猫映射的视觉安全图像加密算法
•   3.1 预备知识
•     3.1.1 一维Logistic混沌系统
•     3.1.2 三维猫映射
•     3.1.3 测量矩阵的生成
•     3.1.4 Zigzag置乱原理
•   3.2 初始值的生成
•     3.2.1 Zigzag置乱方法初始值的产生
•     3.2.2 三维猫映射混沌系统初始值的产生
•   3.3 图像加密算法
•     3.3.1 将明文图像压缩置乱成密文图像
•     3.3.2 将密文图像嵌入到载体图像中
•   3.4 图像解密算法
•     3.4.1 从视觉安全密文图像中提取明文图像信息
•     3.4.2 重建明文图像
•   3.5 实验结果及性能分析
•     3.5.1 明文图像的加密解密结果
•     3.5.2 不同的稀疏重建方法对实验结果的影响
•     3.5.3 算法的压缩性能分析
•     3.5.4 载体图像对实验结果的影响
•   3.6 安全性分析
•     3.6.1 密钥空间分析
•     3.6.2 密钥敏感性分析
•     3.6.3 鲁棒性分析
•     3.6.4 已知明文和选择明文攻击
•     3.6.5 时间复杂度分析
•     3.6.6 与其他算法比较
•   3.7 本章小结
• 4 基于二维压缩感知（2-D CS）的视觉安全多幅彩色图像加密算法
•   4.1 预备知识
•     4.1.1 六维超混沌系统
•     4.1.2 克罗内克积（KP）
•     4.1.3 测量矩阵优化
•     4.1.4 LSS混沌系统
•   4.2 混沌系统初始值的生成
•     4.2.1 六维超混沌系统初始值的生成方法
•     4.2.2 LSS混沌系统初始值的生成方法
•   4.3 图像加密算法
•     4.3.1 将两幅彩色明文图像压缩加密成密文图像
•     4.3.2 将密文图像和密钥嵌入到载体图像中
•   4.4 图像解密算法
•     4.4.1 从视觉安全的图像中提取密钥和明文信息
•     4.4.2 重建两幅明文图像
•   4.5 实验结果及性能分析
•     4.5.1 两幅彩色明文图像的加密解密结果
•     4.5.2 测量矩阵和重建方法对实验结果的影响
•     4.5.3 算法的压缩性能分析
•     4.5.4 不同混沌系统对实验结果的影响
•     4.5.5 不同载体图像对实验结果的影响
•   4.6 安全性分析
•     4.6.1 密钥空间
•     4.6.2 密钥敏感性分析
•     4.6.3 鲁棒性分析
•     4.6.4 经典攻击
•     4.6.5 时间复杂度分析
•     4.6.6 和其它算法的比较
•   4.7 本章小结
• 5 基于压缩-置乱-扩散的多嵌入方案的视觉安全彩色图像加密算法
•   5.1 预备知识
•     5.1.1 四维超混沌系统
•     5.1.2 LBP算子的阈值处理
•     5.1.3 Sigmoid函数
•     5.1.4 IWT和 DWT的可逆性讨论
•   5.2 混沌系统初始值的生成
•   5.3 图像加密算法
•     5.3.1 将彩色明文图像压缩加密-置乱-扩散为密文图像
•     5.3.2 将压缩密文图像嵌入到彩色载体图像中
•     5.3.3 将压缩密文图像嵌入到灰度载体图像中
•   5.4 图像解密算法
•     5.4.1 从彩色视觉安全密文图像中提取明文信息
•     5.4.2 从灰度视觉安全密文图像中提取明文信息
•     5.4.3 从提取的信息中重建明文图像
•   5.5 实验结果及性能分析
•     5.5.1 彩色明文图像的加密解密结果
•     5.5.2 不同彩色载体图像对实验结果的影响
•     5.5.3 不同灰度载体图像对实验结果的影响
•     5.5.4 载体图像归一化对实验结果的影响
•   5.6 安全性分析
•     5.6.1 密钥空间分析
•     5.6.2 密钥敏感性分析
•     5.6.3 相关系数分析
•     5.6.4 信息熵分析
•     5.6.5 鲁棒性分析
•     5.6.6 运行时间分析
•   5.7 本章总结
• 6 总结与展望
•   6.1 工作总结
•   6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间的科研成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 武海洋

导师: 柴秀丽

关键词: 混沌系统,压缩感知,图像加密,彩色图像,视觉安全,整数小波变换,局部二值模式

来源: 河南大学

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: 河南大学

分类号: TP309.7;O415.5

总页数: 157

文件大小: 16300K

下载量: 222