基于混沌系統(tǒng)的圖像加密算法研究[開題報告]

1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告</p><p><b>　　通信工程</b></p><p>　　基于混沌系統(tǒng)的圖像加密算法研究</p><p>　　一、課題研究意義及現(xiàn)狀</p><p><b>　　意義:</b></p><p>　　隨著計算機技術(shù)和網(wǎng)

2、絡(luò)通信技術(shù)不斷發(fā)展和迅速普及，通信保密問題日益突出。信息安全問題已經(jīng)成為阻礙經(jīng)濟持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展和威脅國家安全的一個重要問題，而密碼學(xué)是用來保證信息安全的一種必要的手段，現(xiàn)代密碼學(xué)便應(yīng)運而生，如經(jīng)典的私鑰密碼算法DES、IDEA、AES和公鑰密碼算法RSA、EIGamal等，新穎的量子密碼、橢圓曲線密碼算法等，在信息安全的保密方面都發(fā)揮了重要作用。圖像信息生動形象，它已經(jīng)成為人類表達信息的重要手段之一，網(wǎng)絡(luò)上的圖像數(shù)據(jù)有很多是要求發(fā)送方和接

3、收方要進行保密通信的，信息安全與保密顯得越來越重要。目前，國際上正在探討使用一些非傳統(tǒng)的方法進行信息加密與隱藏，其中混沌理論就是被采納和得到廣泛應(yīng)用的方法之一。混沌加密是近年來興起的一個研究課題，基于混沌理論的保密通信、信息加密和信息隱藏技術(shù)的研究已成為國際非線性科學(xué)和信息科學(xué)兩個領(lǐng)域交叉融合的熱門前沿課題之一，也是國際上高科技研究的一個新領(lǐng)域，基于混沌理論的密碼學(xué)近來成為很熱門的科學(xué)。對于數(shù)字圖像來說，具有其特別的一面就是數(shù)字圖像具有

4、數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)相關(guān)度高等特點，用傳統(tǒng)的加密方式對圖像加密時存在效率低的缺點；而新型的混沌加密方式為圖像</p><p>　　混沌現(xiàn)象是在非線性動力系統(tǒng)中出現(xiàn)的確定性、類似隨機的過程，這種過程既非周期又非收斂，并且對初值具有極其敏感的依賴性，混沌系統(tǒng)所具有的這些基本特性恰好能夠滿足保密通信及密碼學(xué)的基本要求。圖像加密過程就是通過加密系統(tǒng)把原始的圖像信息(明文)，按照加密算法變換成與明文完全不同的數(shù)字信息(密文)的過

5、程。</p><p><b>　　國內(nèi)外現(xiàn)狀:</b></p><p>　　1963年，洛倫茲發(fā)表論文“決定論非周期流”，討論了天氣預(yù)報的困難和大氣湍流現(xiàn)象，給出了著名的洛倫茲方程，這是在耗散系統(tǒng)中，一個確定的方程卻能導(dǎo)出混沌解的第一個實例，從而揭殲了對混沌現(xiàn)象深入研究的序幕?；煦绯霈F(xiàn)，古典科學(xué)便終止了。</p><p>　　1975年，美籍華

6、人李天巖和美國數(shù)學(xué)家約克(Yorke)一篇震動整個學(xué)術(shù)界的論文“周期3蘊涵混沌”的論文，首次在文獻中使用了“混沌”(Chaos)一詞，開啟了混沌研究的先河。</p><p>　　1989年Robert A．J．Matthews發(fā)表的文章，分析了Logistic混沌映射作為序列密鑰流生成器的問題，并對其作了改進，以加大密鑰空間和防止混沌信號中穩(wěn)定周期的出現(xiàn)，提出了一種基于變形Logistic映射的混沌流密碼方案。這

7、是第一篇明確提出“混沌密碼”并得到廣泛關(guān)注和引用的文章。Matthews的流密碼方案提出以后，混沌密碼受到了來自不同領(lǐng)域研究者越來越多的關(guān)注，形成了一個小的研究熱點。</p><p>　　1989年，L．M．Pecora發(fā)現(xiàn)，混沌系統(tǒng)在滿足某些條件下，可以構(gòu)造成同步系統(tǒng)，用此類同步化混沌可以進行通信。同年，Carroll構(gòu)造出第一個可同步混沌電路。從此人們開始了將混沌序列用于密碼的研究工作。在Physics Le

8、tters A、Int．J．Bifurcation and Chaos、Physical Review系列、IEEE Trans．on Circuits and System和IEEE Int．Symposium on Circuits and Systems等雜志和有關(guān)會議上發(fā)表了不少有關(guān)混沌密碼的研究成果。</p><p>　　1998年，Baptism和E．Alvarez先后提出了一種在混沌系統(tǒng)相空間中查找

9、明文的基于檢索機制的混沌密碼和保密通信方案，盡管這些混沌密碼都被成功破譯，但它們開辟了混沌密碼研究的新方向。同時，也促進了對混沌密碼的密碼分析方法的研究。Habutsu等則提出了一種混沌加密系統(tǒng)，即加密時對一個用于替換明文的初值作11次Tent逆映射迭代，而解密時則使用n次Tent映射迭代。隨后Biham指出，使用選擇密文攻擊可容易地對該系統(tǒng)解密，并且已知明文攻擊的復(fù)雜度為2”。之后Carrol等提出了以Lorenz系統(tǒng)作為序列密碼生成

10、器，Bemstein等人則提出了以一階非均勻采樣數(shù)字鎖相環(huán)系統(tǒng)作為序列密碼生成器。</p><p>　　最近L．Kocarev等提出了一種基于Logistic混沌映射的分組加密算法，討論了混沌具有的密碼學(xué)所要求的如擴散、混亂等特性。J．Fridrich提出了一種基于二維Baker混沌映射的對稱加密算法，并用于圖像加密。</p><p>　　國內(nèi)混沌圖像加密技術(shù)研究有：香港的K．W．Wang

11、教授，在Baptism算法的基礎(chǔ)上提出了一種改進的快速混沌加密方案，通過動態(tài)更新查詢表來實現(xiàn)加密與解密，簡化了加解與解密過程，提高了密碼安全性能，適合于傳輸多媒體等大數(shù)據(jù)量文件。易開祥等討論了一種基于混沌序列的圖像置亂算法，首先根據(jù)密鑰生成實數(shù)值混沌序列，通過離散映射生成相應(yīng)的符號矩陣和置亂矩陣，在DCT變換域?qū)D像進行置亂加密。國內(nèi)南京大學(xué)聲學(xué)研究所倪皖蓀等也應(yīng)用混沌序列實現(xiàn)了漢語拼音信號的加密解密和傳輸。丁瑋等學(xué)者應(yīng)用幻方、生命游戲

12、、FASS曲線、Gray碼變換給出了多種新穎的數(shù)字圖像置亂算法。王新成等介紹了幾種特殊FASS曲線，以及如何利用它們進行數(shù)字圖像置亂。Gray碼變換是一種數(shù)論變換，它可以用于二進制數(shù)據(jù)的糾錯與校驗。丁瑋、齊東旭等研究了如何給出Gray碼的矩陣定義形式并將之推廣，以及如何利用Gray碼變換進行數(shù)字圖像簧亂。Scharinger提出采用參數(shù)化的二維混沌映射在空間域?qū)D像的各像素進行排列。排列是迭代進行的，迭代次數(shù)可以作為密鑰的一部分，具有比

13、較好的加密效果。吳冥升等人介紹了一種基于幾何運算的圖像置亂算法，在平面</p><p>　　盡管已有許多混沌加密方案提出，但混沌密碼學(xué)的理論還未完全成熟，目前大部分混沌加密系統(tǒng)都采用自然的混沌系統(tǒng)，它們不一定能夠具有嚴格密碼學(xué)意義上的保密性。實際上，許多混沌密碼學(xué)方法中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了缺陷，例如：MIT的Short利用非線性動力學(xué)預(yù)測方法(NLD forecasting)破譯了美國海軍研究所提供的混沌掩蓋加密方案(ch

14、aotic masking)；另外，Wheeler也指出Matthews的混沌序列密碼，由于具有嚴重的有限精度效應(yīng)而不適于實際應(yīng)用。</p><p>　　混沌密碼學(xué)的研究仍然是一個新的具有挑戰(zhàn)性的前沿課題，探討混沌加密機制、如何充分利用混沌系統(tǒng)進行數(shù)字圖像加密和大量的已有研究成果、混沌密碼安全性如何評價、克服有限精度的效應(yīng)等問題還需要深入細致的研究。</p><p>　　二、課題研究的主要

15、內(nèi)容和預(yù)期目標</p><p>　　系統(tǒng)地介紹密碼學(xué)、混沌系統(tǒng)相關(guān)理論和混沌圖像加密的基本概念；深入研究Logistic，Amold，統(tǒng)一混沌系統(tǒng)等幾個經(jīng)典混沌系統(tǒng)，主要包括：渾沌映射、像素灰度值替代、像素位置置亂等；研究Logistic映射，及高維混沌映射在數(shù)字圖像加密中的應(yīng)用，并做相關(guān)的仿真實驗。主要的預(yù)期目標如下。</p><p>　　對文獻5所提出的一種基于三維混沌系統(tǒng)和位運算的數(shù)

16、字圖像加密算法進行驗證分析,同時與傳統(tǒng)的圖像加密算法進行比較。在此基礎(chǔ)上,盡量改進,以提高該算法圖像加密效果和安全性。</p><p>　　三、課題研究的方法及措施</p><p>　　探討混沌理論及混沌在數(shù)字圖像加密中的應(yīng)用，討論混沌的識別方法、衡量混沌的性能參數(shù)；分析考察目前的混沌密碼機制，通過參考大量國內(nèi)外的相關(guān)文獻和網(wǎng)站上的資料，分析改進現(xiàn)有的算法；對所提出的算法基于PC和Wind

17、ows平臺進行實驗仿真，對實驗結(jié)果進行理論分析，找出各算法的特點，著重考察對圖像的置亂指標、加密前后圖像像素的直方圖分布、相鄰像素的相關(guān)性、加密時間開銷等。 使用軟件:Matlab軟件系統(tǒng)</p><p>　　四、課題研究進度計劃</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計期限：自2011年7月9至2012年4月20日。</p><p>　　2011年07月09日至2011年0

18、9月30日:查找資料，確定研究方向；</p><p>　　2011年10月01日至2011年11月03日:撰寫文獻綜述及外文翻譯；</p><p>　　2011年11月04日至2011年11月11日：完成開題報告，準備開題答辯；</p><p>　　2011年11月13日至2011年12月31日：完成傳統(tǒng)方法的研究及仿真；</p><p>　

19、　2012年01月01日至2012年02月15日：完成改進方法的研究及仿真，完成兩種方法的分析比較；</p><p>　　2012年02月16日至2012年04月03日：撰寫畢業(yè)論文，完善與修改畢業(yè)論文；</p><p>　　2012年04月04日至2012年04月20日：提交所有電子文檔材料，做好論文答辯的PPT資料，準備答辯。</p><p><b>

20、　　五、參考文獻</b></p><p>　　[1] 張若洵, 李蘭中.Chen 混沌系統(tǒng)和Liu 混沌系統(tǒng)異結(jié)構(gòu)同步 [J].河北北方學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2008，8，24（4）：13～16.</p><p>　　[2] 趙雪峰，殷國富. 基于復(fù)合混沌系統(tǒng)的數(shù)字圖像加密方法研究 [J].計算機應(yīng)用，2006，4，26（4）：827～829.</p><

21、p>　　[3] 周文杰，馮嘉禮.基于混沌系統(tǒng)和極化恒等式的數(shù)字圖像加密算法 [J].電腦知識與技術(shù)，2009,7,19(5):5271～5273.</p><p>　　[4] 關(guān)治洪，魯帆.基于混沌系統(tǒng)和人類視覺掩蓋的圖像水印算法 [J].華中科技大學(xué)學(xué)報( 自然科學(xué)版)，2005，5，33（5）：36～38.</p><p>　　[5] 張雪鋒，范九倫. 基于三維混沌系統(tǒng)的圖像加密

22、算法 [J].計算機工程與應(yīng)用2007，43（34）：49～51.</p><p>　　[6] 江景濤, 胡彩旗, 李福榮 數(shù)字圖像混沌加密系統(tǒng)性能分析 [J] .青島農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2007,24(3):207～210</p><p>　　[7]李昌剛,韓正之 圖像加密技術(shù)綜述 [J] . 計算機研究與發(fā)展 ,2002,10,39(10):1318～1324</p&g

23、t;<p>　　[8] 張雪鋒，范九倫. 一種改進的基于混沌系統(tǒng)的數(shù)字圖像加密算法 [J] . 計算機應(yīng)用研究,2007 ,4,24(4):184～186</p><p>　　[9] 楊夷梅，楊玉軍.一種基于混沌理論的圖像加密算法 [J] .計算機安全,2009,2:25～28</p><p>　　[10] 張雪鋒，范九倫.一種基于混沌系統(tǒng)的數(shù)字圖像隱藏技術(shù) [J] .計算機

24、工程, 2007, 2, 33(4):134～136</p><p>　　[11] Tiegang Gao, Zengqiang Chen. A new image encryption algorithm based on hyper-chaos [J] . Physics Letters A, 2007,7:394～400</p><p>　　[12] Shujun Li, Xuan