基于一种切换混沌电路的彩色图像加密方法研究

摘要

随着现代通信技术的迅猛发展，彩色图像信息的安全已变为通信领域的热点问题。为了保证彩色图像的安全传输，人们对加密算法进行了广泛的研究。混沌因其对初始条件的极度敏感性、伪随机性、遍历性等特征，在加密领域优势显著。与参数确定的混沌系统相比，具有电子元器件参数摄动的混沌电路，可以在原有的动力学特性中引入伪随机性，因此其动力学特性更加丰富，可以提供更大的密钥空间。密钥空间的大小是衡量加密性能的一个核心指标。
　　本文利用电子元器件的参数摄动和无限次的切换操作分别设计了一个整数阶切换混沌电路和一个分数阶切换混沌电路。通过电路仿真验证了所设计的混沌电路的混沌属性和其具有的丰富的动力学特性。设计了两个加密算法，并分别基于上述混沌电路得到的加密序列来实现加密。使用Matlab进行数值分析证实了基于上述两类混沌电路的加密方案的有效性和优越性。主要研究内容如下：
　　(1)设计了一个整数阶切换混沌电路，通过将一个绝缘栅型场效应管的漏极和源极与受驱动的蔡氏电路中的线性电阻相串接，实现了将该场效应管的输出电阻与上述线性电阻相串联。利用蔡氏驱动电路的一个变量控制该场效应管的栅极和源极，实现利用混沌的遍历性使该场效应管的输出电阻呈现一个复杂的动态变化过程的目的。进而，使受驱动的蔡氏电路中的等效线性电阻变为时变电阻。基于像素置乱和像素替代相结合的方法设计了加密算法来完成加密。(2)分数阶系统在自然界物理现象和器件的元件约束的建模方面比整数阶系统更具优势，因为前者比后者具有更复杂的动力学特性和更多的自由度。将上述设计方法推广到分数阶，基于蔡氏驱动电路和受驱动的Chen电路设计了一个分数阶切换混沌电路。和上述设计的整数阶切换混沌电路不同的地方是，要将上述的受驱动的蔡氏电路中的线性电阻换为受驱动的Chen电路的分抗单元电路中的一个电阻。进而，使受驱动的Chen电路的分抗单元电路中的一个电阻变为时变电阻。基于原图像素置乱、密图像素置乱和扩散变换相结合的方法设计了加密算法来完成加密。

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摘要

Abstract

Contents

1绪 论

1.1 课题背景和研究意义

1.2 基于混沌的保密通信研究现状

1.3 混沌电路研究现状

1.4 本文的主要工作

2混沌理论及混沌电路

2.1 混沌判别方法

2.1.1 混沌的概念和定义

2.1.2 混沌的基本特征

2.1.3 混沌系统的分析方法

2.2 混沌电路

2.2.1 混沌电路的定义

2.2.2 混沌电路的设计方法

2.2.3 基本单元电路

2.3 分数阶混沌电路理论

2.3.1 分数阶微积分的定义

2.3.2 分数阶混沌电路的分析方法

2.3.3 分数阶混沌电路的设计方法

2.4 本章小结

3基于整数阶切换混沌电路的彩色图像加密

3.1 引言

3.2 基于蔡氏电路的整数阶切换混沌电路的设计和实现

3.2.1 基于有限次切换操作的蔡式电路

3.2.2 MOS场效应管输入回路的设计及其作用

3.2.3 基于蔡氏电路的整数阶切换混沌电路的设计

3.3 加密方案

3.3.1 混沌加密序列的产生

3.3.2 加密步骤及仿真结果

3.4 安全性分析

3.4.1 灰度分布直方图对比

3.4.2 相关性分析

3.4.3 信息熵分析

3.4.4 密钥空间和密钥灵敏度分析

3.5 本章小结

4基于分数阶切换混沌电路的彩色图像加密

4.1 引言

4.2 基于蔡氏电路的分数阶切换混沌电路的设计和实现

4.2.1 基于蔡氏电路的分数阶切换混沌电路的设计

4.3 加密方案

4.3.1 加密步骤及仿真结果

4.4 安全性分析

4.4.1 灰度分布直方图对比

4.4.2 相关性分析

4.4.3 信息熵分析

4.4.4 密钥灵敏度分析

4.5 本章小结

5总结与展望

5.1 本文总结

5.2 下一步的研究思路

参考文献

致谢

从事科学研究和学习经历简介

攻读硕士学位期间的主要成果