基于离心调速器混沌的数字图像加密算法

基于离心调速器混沌的数字图像加密算法基于离心调速器混沌的数字图像加密算法摘要,针对数字图像的加密问题,提出基于离心调速器系统的数字图像加密算法,首先将混沌序列进行预处理,以增强其随机性,并且对图进行置乱操作,接着按照所设计的加密公式对置乱后的图像进行扩散加密,最后数值仿真实现一个经典灰度图的加密,从结果可见,此算法加密效果良好关键词,超混沌,图像加密,密钥,彩色中图分类号,TP391 文献标识码,A 文章编号,1009-3044,2015,30-0151-02 随着全球数字化社会的到来,数字图像的加密成为研究热点[1],随着非线性动力...

基于离心调速器混沌的数字图像加密算法摘要,针对数字图像的加密问题,提出基于离心调速器系统的数字图像加密算法,首先将混沌序列进行预处理,以增强其随机性,并且对图进行置乱操作,接着按照所设计的加密公式对置乱后的图像进行扩散加密,最后数值仿真实现一个经典灰度图的加密,从结果可见,此算法加密效果良好关键词,超混沌,图像加密,密钥,彩色中图分类号,TP391 文献标识码,A 文章编号,1009-3044,2015,30-0151-02 随着全球数字化社会的到来,数字图像的加密成为研究热点[1],随着非线性动力学的发展,混沌系统进入密码学专家的视野[2],因为混沌良好特性有强烈的初值敏感性、强大的不饿预测性和序列的伪随机性等,基于混沌的数字图像加密技术成为前景丰富的课题[3,4]。基于本文提出一种图像的加密算法,对经典图像进行置乱和替代加密,理论分析和数值仿真互相印证,体现出所设计算法加密效果良好有较强的抗破解能力 1 离心调速器系统离心调速器系统的混沌模型如公式,1,, [x=yy=dz2cosx+12,e+pz2,sin,2x,-sinx-byz=qcosx-f-asin,wt,] ,1, 其中[X=,x,y,z,T?R3×1]是系统的状态变量,[d,e,p,b,q,f,a,w]是系统参数,当取一组参数值为[d=0.09,e=0.4,p=0.06,b=0.4,q=2.61895,f=1.942,a=0.4,w=2.0]时,系统呈现超混沌状态。每一次混沌迭代均获得状态变量[x,y,z],混沌序列自相关性较大,容易受到破解,为增强其随机性,将序列按如下公式进行处理,[B=floor,,x?10m-floor,x?10m,,?103,],其中[m?R+,1?m?15]。混沌序列小数点后第m+1,m+2和m+3位的整数构成的三位数的整数,构成序列B 2加密算法描述加密算法分为置乱和扩散两步,置乱可以改变图像相邻像素之间的相关性。替代可以改变整个图像的直方图分布特性。因此,在置乱的基础上再进行像素值替代操作,将极大增强算法的安全性能首先读入大小为[L=M×N]的明文图像A,[M]和[N]分别表示数字图像像素的行数和列数 ,1,置乱过程,为消除混沌的暂态效应,让混沌预迭代1000次,舍弃序列B的前1000个点,将B第1000个点之后的L个值排序并转换成M行N列的矩阵,用以对明文图像A进行像素位置置乱,得到置乱图像B ,2,扩散过程,首先将序列B对256进行取模运算,即K=mod,B,256,,序列B的自相关性非常接近0,绝大多数数据集中在[-0.005,0.005]。接着对置乱图像D进行像素值替代加密,公式为[C,i,=D,i,,K,i,,D,i-1,]. 3 实验结果及分析 3.1 统计特性分析利用MATLAB软件,对加密算法进行数值模拟。原图采用大小为256×256的8位标准 Girl灰度图,经过一轮像素值位置置乱和一轮像素值替代加密后,在图1,c,所显示出的密图中已观察不到原图的主要特征。通过灰度直方图观察图像像素的分布状况,显然加密后图像的像素灰度分布发生了根本性改变,拥有极高的图像冗余性与较强的伪随机性,灰度直方图呈现出平均分布,显然加密前灰度分布规律被掩盖,破译难度增大,从而可有效抵抗统计分析 3.2 抗差分能力分析攻击者可以对原始图像做微小的修改后观察加密效果,通过得到的一系列的明密文图像对,分析明文图像和密文图像的关系,此攻击方式属于差分攻击,其性能指标通常为素数变化率NPCR和归一化像素值平均变化强度UACI,计算公式具体如下. [NPCR=1M×Ni=1Mj=1ND,i,j,×100%,UACI=1255×M×Ni=1Mj=1NC1,i,j,-C2,i,j,×100%.] ,2, 其中[D,i,j,=0 , C1,i,j,=C2,i,j,,1 , C1,i,j,?C2,i,j,.], C1,i, j,和C2,i, j,表示两幅大小均为M×N的加密图像在点,i, j,处的像素值对于图像颜色位数n=8的灰度图像,NPCRE=99.6094%, UACIE=33.4635%,对任意图像,NPCR 和 UACI的理想期望值之和都为2,因此NPCRE和UACIE中任一值均可表明算法的抗明文攻击能力以经典Girl灰度图为例,当原始图像的某个像素值仅仅改变一个字节时,所生成两幅密图的NPCR=99.6174%,非常接近理想值,表明本文算法具有较强的抗差分攻击能力 4结束语首次将离心调速器混沌系统用于数字图像加密,分析了算法流程,从理论分析和数值模拟可见,图像加密后未保留原始图像的特征,直方图也显示像素分布更为均匀,极大增强了统计分析方面破解算法的难度参考文献, [1] 胡向东,魏琴芳.应用密码学教程[M].北京,电子工业出版社,2005,78-94. [2] Matthews R. On the derivation of a chaotic encryption algorithm [J]. Cryptologia, 1989, 13,1,, 29. [3] 朱从旭, 孙克辉. 对一类超混沌图像加密算法的密码分析与改进 [J]. 物理学报2012, 61,12,, 120503. [4] 赵建峰,王淑英,张理涛,等. 基于分数阶超混沌的新图像加密算法 [J]. 四川大学学报,自然科学版, 2014, 51,5,, 958.

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