数字图像的混沌加密方法的分析与研究

（论文）第1页1单位代码02学号090112090分类号TH6密级毕业设计（论文）数字图像的混沌加密方法的分析与研究院（系）名称工学院机械系专业名称机械设计制造及其自动化学生姓名指导教师2013年5月8日（论文）第2页2摘要随着通信技术和计算机技术的迅速发展，数字图像在商业、军事、教育一些领域的应用得到了普及，所以数字图像的安全特性也受到人们很高的关注。现在人们广泛应用互联网进行图像传输，所以让数字图像在INTERENT的传送变得非常广泛，图像的安全和保密就显得非常重要了。对于数字图像有很大的数据量，我们以往的传统加密方法就显得力不从心。近年来很多学着对混沌理论和数字图像的特性进行了很多的研讨并且提出了很多加密的方法，不过还是会受到很多攻击。数字图像正在向着商品出售的方向发展，这就出现了图像退化的方法对数字图像进行加密。我们让图像的视觉效果下降一些，使想购买的客户先了解大致的图像，如果客户选择了购置图像，我们再使用密码解锁，让图像恢复到原来的样子。现在数字图像广泛用于很多领域，所以对图像的混沌加密方法和退化研究就有了很大的意义。本文对现在社会经常用的几种图像加密方法进行了分析和研究，并且根据自己的理解提出一些缺点和的改进的方案。分析使用图像置乱和灰度值改变联合的方法对图像进行加密处理。使用两个混沌系统结合的方法，先用Arnold映射来对图像位置的转换，再用logistic混沌系统对灰度值变化。还基于S盒和Feistel结构的图像加密进行了分析和研究。还分析了利用信息熵对图像进行纹理区和平滑区的缺陷和基于矩阵奇异值分解的图像退化算法的一些原理。关键词：混沌加密，图像置乱变换，图像退化。（论文）第3页3ABSTRACTWiththerapiddevelopmentofcommunicationtechnologyandcomputertechnology,theapplicationofdigitalimageinsomeareasofcommercial,military,educationhasbeenpopularized,sothesecurityfeaturesofdigitalimagehasattractedhighattention.ThereisnowwidespreadapplicationofInternetimagetransmission,soletthedigitalimageintheINTERENTtransmissionhasbecomeverywidely,imagesecurityandconfidentialityisveryimportant.Thereisalargeamountofdatafordigitalimage,ourtraditionalencryptionmethodsareinsufficient.Inrecentyearsmanystudiesthecharacteristicsofchaotictheoryanddigitalimagemadealotofresearchandputforwardmanymethodsofencryption,butwillstillbealotofattack.Digitalimageisthesaleofthedirectionofdevelopment,whichappearedintheprocessofimagedegradationofdigitalimage.Welettheimagevisualeffecttodropsome,tounderstandthegeneralimagethatwanttobuycustomers,ifcustomerschoosetopurchasetheimage,wecanusethepasswordtounlock,torestoretheimagetoitsoriginalappearance.Nowdigitalimagesarewidelyusedinmanyfields,sochaoticencryptionmethodtotheimagedegradationandresearchhavegreatsignificance.Thisarticleanalyzesandstudiesthepresentsocietyoftenuseseveralimageencryptionmethod,andputsforwardsomeshortcomingsandimprovementschemeaccordingtotheirownunderstanding.Analysisoftheuseofimagescramblingandthegrayvaluechangecombinedmethodtoencryptimage.Methodusestwochaoticsystemcombinedwiththefirst,conversionoftheimagepositionusingtheArnoldmapping,thenLogisticchaoticsystemchangesofgrayvalue.ImageencryptionbasedonSboxandtheFeistelstructureisanalyzedandstudied.Alsoanalyzesthetextureareaandsmoothareadefectsandmatrixsingularvaluedecompositionalgorithmprincipleofdegradedimagesbasedontheimagebyusingtheinformationentropy.Keywords:chaoticencryption,imagescramblingtransformation,imagedegradation.（论文）第4页4目录中文摘要英文摘要1绪论.........................................................61.1课题背景及目的......................................61.2国内外研究现状......................................71.3论文构成及研究内容..................................92现有数字图像加密技术分析...............................112.1数字图像加密系统...................................112.2图像加密算法安全性分析指标........................122.2.1密钥空间和密钥敏感性分析........................122.2.2密文图像的直方图................................122.2.3相邻像素的相关性................................132.2.4明文敏感性.......................................132.3现有图像保密加密技术分析..........................152.3.1矩阵变换分析....................................153基于混沌与S盒的Feistel结构图像加密算法..........183.1基础理论知识.......................................183.2交替结构图像加密算法设计...........................203.3实验结果及安全性分析..............................223.3.1密钥敏感性分析..................................223.3.2统计分析.........................................233.3.3差分分析.........................................243.3.4图像受损测试分析................................24结论....................................................25致谢.....................................................27参考文献.................................................28（论文）第5页51绪论1.1课题背景及意义随着互联网技术和信息处理技术的迅速发展，数字化信息交流的范围越来越广泛，任何人在任意时间、任意地点都可以在网络上散布任何信息。数字图像作为最直观、生动、形象的信息载体在日常生活中的使用也越来越广泛，并逐渐成为一种主流的网络信息表达方式，它不但方便快捷，不受地域的限制，而且费用很低，效率较高。然而人们在面对大量图像信息共享和提供方便的同时，也面临着个人隐私被窃取、商业军事机密被篡改、电子消费品被非法复制和传播等信息安全隐患的问题。因此，如何保障数字图像数据信息的安全已经成为一个备受关注的焦点。密码技术作为保障信息安全的重要手段之一，通过特殊的编码对要传输的数字图像数据进行加密处理，使之成为类似白噪声的信息。合法用户利用正确的密钥才能恢复原始图像的内容，从而可以有效地保护图像数据并防止对机密信息的窃取。由于大多数的传统经典密码算法都是针对文本信息设计的，要对数字图像进行加密，最直接的方式就是将以二维数组格式存储的图像数据转换成二进制的数据流后，采用传统加密标准对其进行加密处理。但是数字图像的数据量大，冗余度高等特点使得采用传统算法进行加密，不但要消耗大量的时间和资源，而且加密后的图像仍有明显的轮廓信息，这在实际保密应用中是不能接受的。因此，鉴于数字图像的特殊性，人们开始专门研究针对图像数据的保密(Confidentiality)加密算法。然而数字图像若作为电子商品在互联网上进行在线销售时，很难想象客户对一幅类似白噪声毫无意义的图像产生购买的欲望。在传统商业中，用户先体验试用后再决定是否购买，这种先试后买的销售方式不失为一种成功的双赢模式。但若用这种模式进行电子商品的销售，就显得有点不合逻辑了。在这方面，网络上有功能或使用时间有限制的共享软件给我们提供了一种很好的解决方法。销售者先对图像进行一些简单的退化加密处理，在保障图像基本内容的前提下，降低图像的视觉效果供消费者预览，消费者如决定购买原版图像，则提供其解密密钥即可。在这种背景下，研究者们提出了所谓的图像退化(Degradation)加（论文）第6页6密模式。无论是保密加密还是退化加密，都要求加密算法实现简单，抗各种攻击能力强，具有很好的实际应用价值。因此根据图像自身的特点，设计安全高效的图像加密算法具有重要的现实意义和广阔的应用前景。1.2国内外研究现状数字图像加密技术起源于早期的经典密码学理论，其最早可以追溯到Shanno在1949年发表的经典论文“CommunicationTheoryofSecrecySystems”[1]。文中描述了类似“揉面团”的混合变换思想，即首先将面团擀成一个薄片，再折叠起来，再擀成一个薄片，如此重复，最后使面团的各部分得到充分混合。这一思想后被广泛地运用到数字图像加密中，使图像中各个像素得到充分的混合。当时对于图像加密技术的研究比较少，不过自从1996年在英国牛顿研究所召开的第一届“信息隐藏学术研讨会”以来，越来越多的学者开始投入到图像信息安全的研究领域中，极大地促进了对图像加密技术的研究。许多大学、研究机构和公司，如普林斯顿大学、麻省理工大学的多媒体实验室、NEC公司、IBM公司等也纷纷开展了这方面的研究，并已取得大量的研究成果。国内信息