基于动态耦合映射格子模型的图像加密研究

摘要

随着信息技术的快速发展，信息安全越来越受到人们的重视。而图像作为传输信息的重要媒介，对其安全性和保密性的研究也吸引了大批学者。此外，混沌系统具有许多适用于密码学的特性，如对初始值的敏感性，伪随机性，对参数的敏感性，这些可以保证当混沌系统用于加密时，算法具有充足的密钥空间，出色的抗暴力破解能力以及良好的统计学表现。因此，将混沌系统用于图像加密，无疑是个很好的解决图像保密性和安全性的方法。而本文就结合时空混沌系统的一类—耦合映射格子模型，提出了如下三种基于耦合映射格子模型的图像加密算法，这些算法从不同的方面弥补了传统方法在加密效果或者加密效率层面的缺陷。 (1)提出了动态耦合的思想，即以混沌动态的耦合系数替代原模型中静态的耦合系数。并将其应用于耦合映射格子(Coupled map lattice,CML)模型，通过对其Lyapunov指数，分岔图，时空行为的分析可以发现其较传统CML模型具有更好的混沌动力学表现。然后结合此模型，提出一种结合bit流交叉循环移位置乱和像素bit矩阵异或扩散的图像加密算法。该算法通过Hash-512对明文提取出秘钥，以此来提升加密算法对明文的敏感性。 (2)将动态耦合的思想，应用于非相邻耦合映射格子模型。通过对其混沌动力学行为的分析，发现动态耦合依旧能够改善非相邻耦合映射格子模型的缺陷。并且在此基础上，提出一种快速图像加密算法。该算法，通过bit流的0,1分布得到循环移位值及行列移位控制从而确定置乱过程，通过密文像素依赖于前两个密文像素得到对明文更加敏感的扩散算法。 (3)将图像加密算法的扩散操作由传统的串行化操作改进为并行化操作，在保证抗选择明文攻击的基础上极大的提升了扩散算法的执行效率。此外，结合排序与循环移位，提出一种安全性和效率都较传统全排序置乱，单一循环移位置乱，Arnold置乱等更加优良的置乱算法，最后给出了支持本加密算法的并行加密框架。

目录

声明

引言

1 混沌理论及图像加密相关介绍

1.1 混沌理论

1.1.1 混沌的定义

1.1.2 混沌系统的特性

1.2 混沌图像加密

2 具有动态耦合系数的相邻耦合映射格子模型及其在图像加密中的应用

2.1 LDCML模型简介

2.2 LDCML系统的分析

2.2.1 LDCML的Kolmogorov-Sinai熵

2.2.2 LDCML的分岔图分析

2.2.3 不同格子之间的互信息量

2.2.4 LDCML中每个格子的信息熵

2.2.5 LDCML系统的时空行为

2.3 加密过程

2.4 解密过程

2.5 加密性能评测

2.5.1 信息熵分析

2.5.2 局部信息熵分析

2.5.3 x2测试

2.5.4 相关性分析

2.5.5 抗裁剪攻击分析

2.5.6 对密钥的敏感度

2.5.7 对明文的敏感度

2.5.8 密钥空间分析

2.5.9 计算复杂度分析

2.5.10 与其他算法的比较

2.6 本章小结

3 基于非相邻动态耦合映射格子模型的快速图像加密算法

3.1 LDACLML模型简介

3.2 系统混沌特性分析

3.2.1 kolmogorov-Sinai熵分析

3.2.2 信息熵分析

3.2.3 时空行为分析

3.3 加密过程

3.4 置乱原理

3.5 解密过程

3.6 算法性能分析

3.6.1 像素分布分析

3.6.2 NIST测试分析

3.6.3 明文图像敏感度分析

3.6.4 鲁棒性分析

3.7 彩色图像加密

3.7.1 彩色图像加密过程

3.7.2 彩色图像的明文敏感性

3.7.3 彩色图像的R，G，B分量的相关性分析

3.8 本章小结

4 基于并行计算系统的快速图像加密算法

4.1 加密处理

4.1.1 置乱方法

4.1.2 TIDBD扩散方法

4.2 解密处理

4.3 算法表现

4.3.1 信息熵分析

4.3.2 抗选择明文攻击分析

4.3.3 鲁棒性分析

4.3.4 密钥空间分析

4.4 与本文另外两种所提出的加密算法的对比

4.4.1 安全分析

4.4.2 加密效率

4.4.3 综合对比

4.5 本章小结

结论

参 考 文 献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

大连理工大学学位论文版权使用授权书