基于超混沌映射的位平面彩色图像加密算法资料介绍

　　本文将4D Lorenz混沌映射应用在彩色图像加密中，并简要的分析了4D Lorenz混沌映射的动力学性质，基于这个映射，设计了一种位平面置乱和扩散的图像加密算法。在传统的置乱–扩散结构中，置乱和扩散一般是两个独立的部分，本文算法将位平面置乱和扩散同时进行。位平面置乱采用循环移位，扩散采用异或和取反操作。此外为了提高抵抗已知明文攻击和选择明文攻击的能力，与原文相关的SHA-256将应用在密钥流产生器中，因此不同的明文将产生完全不同的密钥流。最后对本文提出的加密算法进行了相关的性能分析，如密钥分析、敏感性分析、统计分析等等，基于所有仿真实验分析，本文所提出的算法，在数字图像加密中具有较好的性能。

　　在现代的数字图像技术中，二维彩色数字图像扮演着越来越重要的角色。一副二维数字图像中携带着许多可视化的有意义的数据，如果秘密图像被泄露，落入不法犯罪分子之手，将会造成极大的信息安全问题，因此信息安全问题就显得非常重要。数字图像具有数据容量大、冗余度高、相邻像素之间的相关性强等固有特征，这些特征使得大部分的传统文本加密经典算法如DES （Data Encryption Standard）、AES （Advanced Encryption Standard）等不再适用图像加密，研究人员利用不同的技术开发了许多图像加密系统，如DNA 加密，混合图像加密，利用小波，卷积变换等加密算法，在这些技术中，混沌理论应用的最为广泛，这是因为混沌映射具有初始状态敏感性、不可预测性和遍历性，这些性质可以在图像密码系统中找到相似的性质。

　　1989 年，Matthews 首次提出基于混沌系统的加密方案。1997 年，Fridrich 将混沌映射应用到图像加密系统。1998 年，Fridrich 利用2D 混沌系统提出置乱–扩散结构的图像加密方案，在这种结构下，首先在置换过程中对像素位置进行扰乱，以减少相邻像素之间的强相关性。之后，在扩散过程中像素值逐一改变，后一个值与前一个值相关，前后扩散两轮，类似雪崩效应。现有的图像加密算法中，此结构占据很大部分。首次提出将图像滤波应用在图像加密算法中，首先基于图像块的置乱，扰乱图像像素的相关性，然后在扩散过程中，使用它提出的图像滤波器的方法，对置乱后的图像进行扩散，最后部分的仿真测试显示它比一般的图像加密方案要更优良。，采用的是2Dhenon 映射加密图像，打破了传统的置乱–扩散结构，它采用两点式置乱扩散同时进行，大大的提升了密码系统的速度，并且为了抵抗选择明文和已知明文攻击，它采用了根据明文生成密钥流的方式，即不同的原图将会产生完全不同的密钥流。均采用2D 映射，生成混沌序列，应用在加密图像中，基于级联调制耦合（CMC）模型提出一种新的2D Logistic ICMIC 耦合映射（2D-LICM），比起参数较少，轨道相对而言较简单的一维混沌映射，它的效果会更加优良，介绍的是一种新的2 维Sine Logistic 模型映射（2D-SLMM），它起源于Sine 映射和Logistic 映射，比起单独的两个映射，2D-SLMM 具有较宽的混沌范围、较好的遍历性和超混沌特性。与1D 混沌映射相比，它们通常包含一个变量和几个参数，并且它们的轨道很简单，因此它们的参数和初始值相对而言容易地估计，当这些映射被应用在图像加密系统中，容易被破解。另一方面，高维混沌映射具有更多的变量和参数，通常表现出良好的超混沌性质，更适合于加密。

　　与像素平面置换相比，位平面置换不仅改变像素位置，而且改变像素值，所以它拥有更好的加密效果，同时为了对抗选择明文和已知明文攻击，许多加密算法会提取图像的一些固有特征，如计算汉明距离，图像的hash 值，图像的和等等，因此不同的明文，将会得到完全不同的特征。因此，根据上述分析总结，本文将利用高维的超混沌Lorenz 系统，产生一系列混沌序列，基于这些序列，设计了一种位平面同时置乱—扩散的图像加密算法。位平面置乱采用循环移位，扩散采用异或和取反操作，并且设计了一个密钥产生器，更好的抵抗选择明文攻击和已知明文攻击。

　　本文的结构如下，在第2 节，介绍超混沌Lorenz 系统，给出了它的混沌吸引子与lyapunov图形，简要分析了它的动力学性质。在第3 节提出基于Lorenz 图像加密算法。第4 节，对本文提出的加密算法进行了相关的性能分析，如密钥分析、敏感性分析、统计分析等等，基于所有仿真实验分析，本文所提出的算法，在数字图像加密中具有较好的性能。最后在第5 节给出了本文的总结。