基于新型多环多翼超混沌系统的图像加密算法

目的 为提高图像加密算法的安全性,提出一种新型多环多翼超混沌系统的图像加密算法.方法 对超Lorenz混沌系统进行分形变换,得到多环多翼超混沌系统,设计一种基于该混沌系统的查表运算扩散算法.算法采用典型的置乱-扩散模式,借助Logistic混沌系统对明文图像进行无重复索引置乱,将新型多环多翼超混沌系统产生的密钥序列结合明文信息,对一次扩散图像的每个像素值进行正逆向扩散,得到最终的加密图像.结果 置乱图像的平均不动点比为0.003％,密文直方图分布均匀,相邻像素相关性几乎为零,信息熵达到了7.999,且NPCR,UACI和BACI的值分别为99.61％,33.46％和26.7％,与同类加密算法相比,该算法加密效果更优.结论 算法具有较强的密钥敏感性,能有效抵抗剪切、噪声等攻击,所提出的图像加密算法具有较高的安全性.     

基于3D-CS混沌系统的双DNA编码图像加密算法

目的为解决加密算法中明文与混沌系统密钥关联小,且置乱扩散不能同步进行造成的安全性低的问题。在结合Chebyshev和Sine映射的基础上,新建三维Chebyshev-Sine混沌映射系统(3D-CS),提出一种基于3D-CS混沌系统的双DNA编码图像加密算法。方法设定二进制与四进制双重DNA编码,利用约瑟夫环变换对经过二进制DNA编码的图像RGB各层进行位置索引,同时完成置乱和扩散,然后将混沌系统产生的序列值经过处理后进行四进制DNA编码,最后将2种DNA序列进行加法运算后解码得到密文。结果仿真实验表明,索引序列和混沌序列通过了随机性检验,密文各层NPCR值分别为99.63%,99.61%,99.59%,UACI值分别为33.43%,33.44%,33.40%,信息熵分别为7.9992,7.9991,7.9993。结论所设计的混沌序列相较于其他混沌序列有一定优势,针对提出的问题有效提高了加密算法的安全性,密文能有效地抵御各种统计攻击与差分攻击。     

基于改进广义Arnold映射的多混沌图像加密算法

目的针对Arnold映射图像置乱效果差以及无法抵御选择明文攻击等问题,提出一种改进广义Arnold映射的图像加密算法,以提高密文图像的安全性。方法该算法引入Kent映射产生控制参数,先对图像进行分块来削弱图像的相关性,对每块图像进行Arnold映射位置置乱,然后利用二维logistic映射生成混沌序列,经双曲正切变换处理后按照奇偶序列与置乱图像进行异或运算,得到最终密文图像。结果该算法得到密图信息熵为7.9899,像素改变率为99.61%,统一平均变化程度为30.73%。结论该算法简单易执行,能有效抵御各种统计攻击和明文攻击,具有密钥空间大、置乱效果好、鲁棒性较强等特点。     

混沌神经元耦合置乱神经元的图像加密算法研究

目的为了使当前加密系统具有更强的密钥敏感性以及更大的密钥空间,以提高抗各种攻击性能。方法提出一种新型的基于置乱神经元耦合混沌神经元的图像加密算法。加密系统的置乱和扩散由2个不同的3层神经构成,分别是置乱神经元层和混沌神经元层,混沌密钥生成模块则通过相应的权值和偏置来对这2层结构进行控制。在混沌神经元层扩散过程中,3个混沌系统用来生成权值矩阵和偏置矩阵,通过非线性标准化、按位异或操作来进行非线性组合,并通过Tent映射来进行激活,以获得扩散信息。在置乱神经元层置乱过程中,利用混沌密钥生成模块获取置乱矩阵,对扩散信息进行线性置乱处理,再通过二维Cat混沌映射对信息进行非线性置乱处理,并与当前加密算法进行对比。结果与当前加密算法相比,文中算法安全性更高,平均熵值为7.9991,且该加密算法的密钥空间大,为2160×1060,密钥敏感性强,错误与正确密钥之间的密文差异率为99.765%。结论设计的加密算法高度安全,可有效抗击各种攻击。     

基于加权直方图位混淆与分阶混沌异扩散的快速图像加密算法

目的为了解决当前图像加密技术因在置乱和扩散过程忽略了明文像素特性,导致其抗明文攻击能力较弱,并且整个像素扩散均采用相同的加密机制来实现,存在安全性不理想问题,文中设计基于加权直方图位混淆和分阶混沌异扩散的快速图像加密算法。方法该算法充分利用整个明文的像素值,将其嵌入到整个置乱与扩散阶段,且在扩散过程中,利用不同的加密函数对不同的像素进行扩散。首先,联合Logistic与Tent映射,利用非线性组合思想构建新的低维混沌系统,并分析其混沌性能;考虑输入明文的像素值,建立像素加权直方图,借助外部密钥,生成复合混沌系统的初值,通过迭代输出随机序列;再将明文的每个像素在位水平上进行扩展,利用离散化的随机序列在位水平上实现明文混淆;随后,将分数阶理论嵌入Logistic映射中,构建分阶Logistic混沌映射,利用像素的加权直方图对其迭代,输出混沌数组;对混淆密文的像素进行分类,结合混沌数组,设计异扩散模型,对三类像素进行不同的加密。结果测试结果显示,与当前混沌加密算法相比,所提加密机制具有更强的抗明文攻击能力,其输出密文的像素分布更为均匀。结论所提加密技术兼顾了较高的安全性与效率,能够较好地保护图像在网络中安全传输。     

基于无序分割投影策略与重力模型的图像加密算法

目的解决当前图像算法因其像素置乱和扩散操作与明文无关,导致其抗明文攻击能力较弱,且其置乱过程存在周期性,使其安全性不佳等问题。方法提出基于无序分割投影策略与重力模型的图像加密算法。首先对输入明文进行无序分割,获取重叠子块,并构建每个子块的位置坐标计算模型,输出图像子块的位置;根据明文像素量计算Kent映射的初值,通过迭代Kent映射获取随机序列组;定义位置置乱机制,对重叠子块进行混淆;再引入分割投影策略,互换每个置乱子块中的像素位置,再对其重组,输出置乱密文;通过设计像素质量变化函数替换重力模型的固定质量,改进重力模型,对置乱密文完成像素加密。结果实验结果显示与当前图像加密技术相比,文中算法具有更高的安全性,输出密文中的相邻两像素间的关联度最低,具有更强的抗明文攻击与剪切攻击性能。结论所提加密算法能够较好地用于图像信息安全传输,具有较好的应用价值。     

一个基于混沌的分组密码算法的分析

"基于混沌的分组密码置换网络的设计"一文提出的一个分组密码算法在已知明文攻击和唯密文攻击下都是很容易被破译的,而且在知道加密变换的条件下,很容易利用分割攻击方法求出该分组密码的密钥。此外,基于Logistic映射的混沌序列的相邻值之间的相互制约性,以及该混沌序列的前若干值对初值的低位比特不敏感。     

改进的引力模型耦合明文像素相关交叉机制的图像加密算法

目的解决当前图像加密技术严重依赖混沌系统,使其通用性较差,难以直接加密非方形图像,且因混沌系统的周期性,算法的安全性不足的问题。方法提出了改进的引力模型耦合明文像素相关交叉算子的图像加密算法。首先,利用多个一维混沌映射,定义联合混沌变换模型,输出密钥流;随后,基于明文像素位置,设计像素相关交叉机制,联合密钥流,对明文进行高效置乱;构造质量动态变化函数,用其替代传统引力模型中的恒定粒子质量,增强算法的敏感性,并用改进的引力模型对置乱图像完成扩散,彻底改变像素值;最后,构建密文增强模型,对输出密文进行二次扩散,扩大密文的NPCR(Number of pixel change rate)与UACI(Unified average changed intensity)值。结果实验结果表明:与当前图像加密机制相比,所提加密算法不但可以扩散方形图像,而且能够对非方形目标直接加密,具有更高的通用性与安全性,以及更强的抗差分攻击能力。结论所提出的算法能够加密非方形尺寸的图像,具有较强的通用性与安全性。     

基于双向相关扩散与非线性混沌S盒的图像加密算法

目的 当前混沌加密方案主要采用存在迭代周期性的序列与单向扩散机制来实现像素的混淆,设计一种加密算法以解决其抗破译性能较弱的问题。方法 设计了基于双向相关扩散与非线性S盒的图像加密算法。借助哈希方案,形成一个与初始图像内容相关的密钥;基于2D混合混沌函数,利用子密钥来设计位置交叉规则,实现明文的像素置乱;基于线性分阶变换,联合混沌随机数组,构建一个16×16的非线性S盒;定义S盒的循环向前移位机制和向前扩散机制,对置乱图像完成正向加密;再更新混合混沌系统的初始条件,构建逆向扩散机制,对正向密文完成反向加密。结果 测试数据显示,与已有混沌加密方案相比,在安全性和效率方面,所提方案的优势更大,其时耗时仅为0.59 s,且稳定的NPCR和UACI值分别达到了99.74%,33.69%。结论 所提加密方案可以抵御网络中外来攻击,可充分保证图像内容的真实性。     

基于显著像素复合矩阵的多图像同步实时加密算法

目的 研究基于显著像素复合矩阵的多图像同步无损实时加密算法。方法 提出引入ZigZag机制,扰乱所有明文像素位置。定义显著像素择取机制, 将置乱后的密文像素分割为显著像素与次要像素, 形成多个显著像素矩阵。设计迭代复数模型, 将这些显著像素矩阵形成复合矩阵, 借助奇异值分解与Logistic映射, 得到矩阵密钥最后构造扩散函数, 利用矩阵密钥对显著像素复合矩阵执行扩散, 获取密文。结果 文中加密机制高度安全, 且无失真, 与当前多图像加密机制相比, 文中算法的加密效率更高,可满足实时性传输需求。结论 文中算法可同时对多幅图像进行实时安全加密传输。     

基于物理随机位生成器与混沌像素交叉互换的图像加密算法

目的为了解决当前混沌图像加密技术忽略了随机序列产生的时间延迟现象,且难以克服其自身迭代的周期性,使其序列的自相关性不理想,导致密文安全性不佳等问题。方法引入级联耦合混沌半导体环形激光器,设计基于物理随机位生成器与混沌像素交叉互换的图像加密算法。首先引入SHA-256散列函数,利用明文像素值,生成一个256位的密钥,并将其分割为一系列的8位子密钥;利用这些子密钥来计算Logistic-Sine复合映射的初始条件,以输出一组随机序列;根据混沌序列,定义像素交叉互换机制,对输入明文进行预处理,消除相邻像素之间的相关性;基于级联耦合混沌半导体环形激光器,充分利用其自身的时间延迟与交叉反馈的特性,设计物理随机位生成器,以同步输出考虑时间延迟的控制矩阵与随机位流;将Logistic-Sine复合映射输出的混沌序列转换为一个过渡矩阵,联合控制矩阵,定义像素混淆机制,彻底改变明文的像素位置;最后,利用随机位流,设计像素联系扩散函数,改变图像的像素值。结果实验结果显示,与当前混沌加密技术相比,所提算法具有更高的安全性与鲁棒性,能够有效抗击明文攻击,相应的密文熵值约为7.9958,且NPCR(7)Number of Pixel Change Rate(8)、UACI(Unified Average Changing Intensity)分别为99.50%、33.46%。结论所提加密算法具有较高的安全性和抗攻击能力,能够安全保护图像在网络中传输,在信息防伪等领域具有较好的应用价值。     

Image encryption using the random FrDCT and the chaos-based game of life

A novel image encryption algorithm using the random fractional DCT (RFrDCT) and the chaos-based Game of Life (GoL) is presented here. Firstly the plaintext image is transformed by the reality-preserving RFrDCT into the RFrDCT domain, and a preliminary encryption output is obtained. And then a combination of the confusion and diffusion (C&D) processes is performed in the transform domain, where the confusion process is carried out by GoL, and the diffusion process is carried out by an XOR operation. Therefore a more random-like encryption result can be obtained after further encryption by the C&D. Both the GoL and XOR operation are based on chaos whose control parameters serve as cipher keys in order to enlarge cipher space and enhance key sensitivity. Theoretical analysis and simulation experiments for the proposed algorithm are described, the desirable encryption performance is obtained, and it is secure against various common attacks.     

Modelling of dynamical system and generalised circulant matrix in image encryption

Abstract

In this paper, a modelled image encryption scheme is presented, of which generalised circulant matrix is employed together with dynamical chaotic system. The strong correlations among adjacent pixels in plain-image can be declined greatly by the proposed scheme. Meanwhile, the diffusion transform is considered simultaneously to avoid statistical analysis, known plaintext and chosen plaintext attack. The experimental results show that the proposed scheme can suggest an efficient way to hide the image information, and has the advantages of large key space, sensitive to initial conditions and zero correlation between adjacent pixels in cipher-image. Moreover, the grey values in the cipher-image are distributed symmetrically. The proposed image scheme can be applied to practical image information transmission and protection in the public.     

Image encryption combining multiple generating sequences controlled fractional DCT with dependent scrambling and diffusion

Based on the fractional discrete cosine transform with multiple generating sequences (MGSFrDCT) and the dependent scrambling and diffusion (DSD), an image encryption algorithm is proposed, in which the multiple-generating sequences greatly enlarge the key space of the encryption system. The real-valued output of MGSFrDCT is beneficial to storage, display and transmission of the cipher-text. During the stage of confusion and diffusion, the locations and values of all MGSFrDCT transformed coefficients change due to DSD, and the initial values and fractional orders of encryption system depend not only on the cipher keys but also on the plain-image due to introduction of a disturbance factor, which allows the encryption system to resist the known-plaintext and chosen-plaintext attacks. Experimental results demonstrate that the proposed encryption algorithm is feasible, effective and secure and able to resist common classical attacks.     

基于圆柱衍射与离散余弦变换的图像光学加密算法

目的为了实现多幅图像的同步加密,并增强加密系统的抗破译能力,提出一种基于圆柱衍射域的相位截断与离散余弦变换的多图像光学加密算法。方法首先引入压缩感知(CS,Compress Transform)方法,对输入明文实施压缩;基于离散余弦变换DCT(Discrete Cosine Transform)对压缩明文完成分解,获取相应的DCT系数,形成系数矩阵;构建迭代复数,将每个压缩明文对应的系数矩阵融合为一个复矩阵,通过DCT逆变换,形成一幅组合图像。联合Hilbert变换与波带片相位模型,构建调制掩码;引入圆柱衍射域的相位截断机制,联合调制掩码,对组合图像实施光学加密,获取密文与私钥。结果实验数据表明,相对于已有的多图像同步加密方法而言,所提算法具备更高的加密安全性,密文熵值以及相邻像素间的相关系数分别达到了7.998,0.0012,且具有强烈的密钥敏感性。结论所提加密算法可以抵御网络中外来攻击,在图像信息防伪领域具有一定的参考价值。