基于混沌的一种图像加密算法

一种基于混沌映射的快速图像加密算法优化乔建平;邓联文;贺君;廖聪维【摘要】为了解决现有图像加密算法存在随图像尺寸变大导致加密时间迅速增加的问题,采用基于logistic和Arnold映射的改进加密算法实现了快速图像加密算法的优化.该算法基于两种混沌映射对原文图像进行像素置乱和灰度值替代,像素置乱是按图像大小选择以H个相邻像素为单位进行,通过适当调整H的取值实现加密时间优化;灰度值替代是利用Arnold映射产生混沌序列对置乱图像进行操作而得到密文图像.结果表明,对于256×256的Lena标准图像,加密时间降低到0.0817s.该算法具有密钥空间大和加密速度快等优点,能有效抵抗穷举、统计和差分等方式的攻击.%In order to solve the rapid increase of the encryption time because of the increasing image size in the existing image encryption algorithm , the optimized encryption algorithm based on logistic and Arnold mapping was used to achieve the optimization of the fast image encryption algorithm.The algorithm was based on two kinds of chaotic maps to the original image , pixel scrambling and gray value substitution.Pixel scrambling was to select the H adjacent pixels according to the image size , appropriately adjust the H value and realize the encryption time optimization.Gray value substitution is to generate chaotic sequences by Arnold mapping , operate the scrambling image and get the cipher image.The results show that , for 256 ×256 Lena standard images, the encryption time is reduced to 0.0817s.The algorithm has advantages of large key space and fast encryption speed, and can effectively resist the attack of exhaustive , statistical, and differential means.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2017(041)006【总页数】7页(P897-903)【关键词】图像处理;图像加密;混沌映射;Lena图像【作者】乔建平;邓联文;贺君;廖聪维【作者单位】中南大学物理与电子学院超微结构与超快过程湖南省重点实验室,长沙410083;中南大学物理与电子学院超微结构与超快过程湖南省重点实验室,长沙410083;中南大学物理与电子学院超微结构与超快过程湖南省重点实验室,长沙410083;中南大学物理与电子学院超微结构与超快过程湖南省重点实验室,长沙410083【正文语种】中文【中图分类】TP309.7近年来，随着互联网、多媒体以及通信技术的快速发展和普及，信息的安全传输显得尤为重要。

用MATLAB实现基于混沌的图像置乱加密算法由于图像文件的加密有其自身的要求，传统的文字加密方法不适合图像文件加密。

为此，我们在混沌映射加密算法的基础上，提出了一种利用Logistic混沌序列对图像像素点置乱实现加密的算法，那么，我们今天借助MATLAB软件平台，看看基于混沌的图像置乱加密算法如何实现。

一、基于混沌的图像置乱加密算法本文提出的基于混沌的图像置乱加密算法示意图如图1所示。

加密算法如下：首先，数字图像B大小为M×N（M是图像B的行像素数，N是图像B的列像素数），将A的第j行连接到j-1行后面（j=2，3，A，M），形成长度为M×N的序列C。

其次，用Logistic混沌映射产生一个长度为的混沌序列{k1，k2，A，kM×N}，并构造等差序列D：{1，2，3，A，M×N-1，M×N}。

再次，将所产生的混沌序列｛k1，k2，A，kM×N}的M×N个值由小到大排序，形成有序序列｛k1′，k2′，A’，kM×N’}，确定序列｛k1，k2，A，kM×N}中的每个ki在有序序列｛k1′，k2′，A’，kM×N’}中的编号，形成置换地址集合｛t1，t2，A，tM×N}，其中ti为集合{1，2，A，M×N}中的一个；按置换地址集合｛t1，t2，A，tM×N}对序列C进行置换，将其第i个像素置换至第ti列，i=1，2，A，M×N，得到C’。

将等差序列D做相同置换，得到D’。

最后，B’是一个M×N的矩阵，B’(i ,j)=C’((i-1)×M+j)，其中i=1，2，A，M；j=i=1，2，A，N，则B’就是加密后的图像文件。

解密算法与加密算法相似，不同之处在于第3步中，以序列C’代替随机序列｛k1，k2，A，kM×N}，即可实现图像的解密。

数字图像加密算法的研究与实现摘要数字图像加密是进行数字图像信息保密的一种手段。

随着信息技术的飞速发展，数字图像在各个领域中有着极为广泛的运用，那么数字图像中所包含的信息安全性应受到重视。

数字图像本身具有数据量较大的特点，用传统的的加密方法往往无法达到加密的要求，许多学者对数字图像的信息安全性进行了多次研究并提出了许多强而有效的算法。

本文研究并实现了一种基于混沌序列置乱的数字图像加密算法，通过密钥产生混沌序列，将该混沌序列进行逻辑排序，并以此排列方法对数字图像进行加密。

该算法隐私性较强，在数字图像的加密和解密过程中均需要密钥的参与，因此不知道密钥的用户无法恢复数字图像，具有良好的保密性。

关键词：数字图像混沌加密数据隐藏AbstractDigital image encryption algorithm is a method about keeping the information of digital image secret.With the quick development of informational technology,the digital image has been utilized in many areas,so the security of message that digital images carry should be paid attention.Particularly ,digital images have the characteristic of a large amount of data,it can not meet demands about encryption that encrypting data in traditional way,which leads to a lot of scholars have spent much time and energy on researching the security about digital image information and illustrated many effective algorithm.This article discuss and illustrate a kind of digital image encryption algorithm based on chaotic array disruption,producing chaotic array according to the key,then logically arranging existed chaotic array,finally encrypt digital image with same logic.It shows better privacy.This process requires keys participating in both encryption and deciphering,so anyone does not know the key who can not rebuild the original image.Key words:digital image chaotic encryption hiding data目录摘要 (I)Abstract (II)绪论 (1)1数字图像加密的基础理论 (4)1.1密码学的介绍 (4)1.2 图像加密技术 (4)1.3数字图像的置乱 (5)1.4混沌加密简介 (5)1.5混沌加密安全性分析 (6)2开发工具简介 (8)3基于混沌的数字图像加密算法 (11)3.1数字图像混沌加密算法总体设计 (11)3.2 数字图像混沌加密算法 (11)3.3数字图像混沌解密算法 (13)4实验仿真与结果 (14)4.1编程实现相关函数及其方法 (14)4.2仿真结果 (14)4.2.1非彩色图像实验仿真 (14)4.2.2彩色图像实验仿真 (16)结论 (18)附录1混沌加密与混沌解密算法代码 (19)绪论计算机和网络的飞速发展为多媒体数字产品的使用、传播提供了极其便利的途径，然而由于数字产品具有极易被复制和修改的特性，使得数字作品的信息安全问题和版权保护成为迫切需要解决的难题。

基于混沌的图像加密算法研究图像加密算法是信息安全领域中的重要研究方向之一，它通过对图像进行加密和解密操作，实现保护图像隐私和安全传输等目的。

本文将重点探讨基于混沌的图像加密算法的研究，分析其原理、优势和应用场景。

首先，我们来了解一下混沌理论。

混沌理论是一种非线性动力学系统的研究分支，其在计算机科学和密码学领域有着广泛的应用。

混沌系统具有随机性、不可预测性和灵敏性等特点，这使得混沌可作为图像加密算法的基础。

基于混沌的图像加密算法主要包括两个部分，即混沌映射和置乱操作。

混沌映射是将图像像素映射到一个混沌的迭代序列上，而置乱操作则通过对混沌序列进行重新排列实现对图像的置乱加密。

下面我们将详细介绍这两个部分。

首先是混沌映射。

混沌映射通常选取经典的混沌系统，如Logistic映射和Henon映射等作为基础。

这些映射具有高度的不可预测性和混沌性质，适用于图像加密。

在加密过程中，首先将图像像素值归一化到[0,1]的范围内，然后通过混沌映射将像素值映射到一个混沌序列上。

通过迭代映射操作，可以得到一个与原图像无关的混沌序列。

这个序列将作为后续置乱操作的密钥，确保了加密的随机性和安全性。

接下来是置乱操作。

在加密过程中，通过对混沌序列进行重新排列，实现对图像像素的混乱置乱。

最常用的方法是基于Arnold置乱算法和Baker映射置乱算法。

Arnold置乱算法是一种二维置乱算法，通过对图像像素的行列位置进行迭代映射操作，实现像素位置的混乱。

而Baker映射置乱算法则是通过对图像像素进行乘积操作，实现图像像素值的混乱。

这两种置乱算法具有较高的随机性和不可逆性，能够有效地保障图像的安全性。

基于混沌的图像加密算法具有以下优势：第一，混沌映射和置乱操作具有高度的随机性和不可线性特征，使得加密过程中产生的密钥和置乱后的图像难以被破解和恢复。

这大大增强了图像的安全性。

第二，基于混沌的图像加密算法具有较好的抗攻击性。

混沌系统的不可预测性和随机性能够防止统计分析和密码分析等攻击手段。

基于混沌理论的图像加密算法第一章：引言现代社会中，信息安全一直是一个倍受关注的话题。

随着技术的发展和网络的普及，人们越来越需要一种高效、安全的加密算法来保护自己的信息。

图像作为一种常见的信息载体，其保密性也备受关注。

传统的加密方法已经不能满足人们的需求，基于混沌理论的图像加密算法因其优异的加密性能和抗攻击性能而备受研究者的关注。

本文将重点介绍基于混沌理论的图像加密算法。

第二章：混沌理论2.1 混沌理论概述混沌理论起源于对复杂系统运动规律的探索，在这些系统中，微小差别对系统的演化产生极大影响。

混沌系统表现出非周期、高度敏感的特征，其抗干扰性能优异。

2.2 混沌系统的特征混沌系统具有高度不稳定、迹象性无序、非周期性、高度敏感性等特点，这些特点使之成为一种非常优秀的加密工具。

基于混沌系统的加密算法也因其不可预测性而备受关注。

第三章：基于混沌理论的图像加密算法3.1 混沌映射混沌映射是基于混沌理论的重要工具，在图像加密算法中也得到广泛应用。

其具有宽带噪声、复杂性、不可预测性等特点。

3.2 基于混沌映射的图像加密算法基于混沌映射的图像加密算法主要包括图像置乱和加密两个过程。

在图像置乱过程中，通过使用混沌映射对图像像素进行乱序排列，使之达到任意混沌的效果。

加密过程则通过使用混沌映射对乱序图像进行加密，从而实现对图像的加密保护。

3.3 基于混沌扰动的图像加密算法基于混沌扰动的图像加密算法也是一种常见的加密方式。

其主要通过使用迭代映射的方法对图像像素进行扰动，使之达到混沌效果。

同时，在加密过程中，算法使用密钥对图像像素进行加密，提高加密的安全性。

第四章：基于混沌理论的图像解密算法4.1 图像解密算法图像解密算法需要和图像加密算法成对使用。

与加密过程相反，解密过程需要使用密钥解密图像像素，并且对乱序的像素进行重排。

目前，基于混沌理论的图像解密算法主要包括解密置乱算法和解密扰动算法两种。

4.2 基于混沌映射的图像解密算法基于混沌映射的图像解密算法主要是通过使用密钥和混沌映射对加密的图像像素进行解密，并通过对乱序像素进行重排来实现解密。

开题报告通信工程基于混沌系统的图像加密算法研究一、课题研究意义及现状意义:随着计算机技术和网络通信技术不断发展和迅速普及，通信保密问题日益突出。

信息安全问题已经成为阻碍经济持续稳定发展和威胁国家安全的一个重要问题，而密码学是用来保证信息安全的一种必要的手段，现代密码学便应运而生，如经典的私钥密码算法DES、IDEA、AES和公钥密码算法RSA、EIGamal等，新颖的量子密码、椭圆曲线密码算法等，在信息安全的保密方面都发挥了重要作用。

图像信息生动形象，它已经成为人类表达信息的重要手段之一，网络上的图像数据有很多是要求发送方和接收方要进行保密通信的，信息安全与保密显得越来越重要。

目前，国际上正在探讨使用一些非传统的方法进行信息加密与隐藏，其中混沌理论就是被采纳和得到广泛应用的方法之一。

混沌加密是近年来兴起的一个研究课题，基于混沌理论的保密通信、信息加密和信息隐藏技术的研究已成为国际非线性科学和信息科学两个领域交叉融合的热门前沿课题之一，也是国际上高科技研究的一个新领域，基于混沌理论的密码学近来成为很热门的科学。

对于数字图像来说，具有其特别的一面就是数字图像具有数据量大、数据相关度高等特点，用传统的加密方式对图像加密时存在效率低的缺点；而新型的混沌加密方式为图像加密提供了一种新的有效途径。

基于这种原因，本论文主要探讨基于混沌理论的数字图像加密算法。

混沌现象是在非线性动力系统中出现的确定性、类似随机的过程，这种过程既非周期又非收敛，并且对初值具有极其敏感的依赖性，混沌系统所具有的这些基本特性恰好能够满足保密通信及密码学的基本要求。

图像加密过程就是通过加密系统把原始的图像信息(明文)，按照加密算法变换成与明文完全不同的数字信息(密文)的过程。

国内外现状:1963年，洛伦兹发表论文“决定论非周期流”，讨论了天气预报的困难和大气湍流现象，给出了著名的洛伦兹方程，这是在耗散系统中，一个确定的方程却能导出混沌解的第一个实例，从而揭歼了对混沌现象深入研究的序幕。