Dynamic behavior analysis, color image encryption and circuit implementation of a novel complex memristive system

This paper is devoted to introduce a novel four-dimensional memristor-involved system and its applications in image encryption and chaotic circuit. The typical dynamical behaviors of the memristor-involved system are explored, such as chaotic phase potraits, Lyapunov exponent spectrum (LES), bifurcation diagram (BD) and complexity analysis. Then a color image encryption algorithm is designed. In this algorithm, the sequences generated by the four-dimensional memristor-involved system are used in scrambling and diffusion algorithm for three channels. The algorithm analysis results based on key space, key sensitivity, information entropy, histogram distribution, correlation coefficients, data loss and noise attacks indicate that the proposed algorithm can improve the security of the color image encryption algorithm. Finally, the memristor-involved chaotic circuit is implemented by using some discrete components. The experimental results of hardware circuit are consistent with the Multisim simulation results and the numerical simulation results. The research results have certain universality and portability, and can provide technical support for the subsequent analysis of other nonlinear circuits and the application of chaotic secure communication.     

基于三维超混沌系统的彩色图像加密算法

针对彩色图像的存储特性,为了改进彩色图像加密算法的安全性和效率,提出了一种基于三维超混沌系统的彩色图像加密算法.该算法利用改进的三维超混沌系统产生混沌序列,采用复合加密算法实现彩色图像在空域上的加密.使用MATALAB7.0进行仿真实验.理论分析和实验表明,该算法具有良好的保密性和加密效果.若进一步降低运算量,该算法可对诸如军事卫星图片、商业机密图纸、远程私人病历等需要保密通信的场合有广泛的应用前景.     

一个新多涡卷混沌系统的设计及在图像加密中的应用

该文提出一种三涡卷混沌系统,首先对系统的李雅普诺夫指数、分岔图、Poincare截面图、功率谱图及平衡点稳定性等动力学特性进行了理论分析和数值仿真,结果表明该系统具有良好的动力学特性和丰富的拓扑吸引子。基于电路仿真软件Multisim研制了实验仿真电路, 该电路结构简单、易于实际制作,且仿真实验与理论分析结论十分吻合,证实了提出的混沌系统电路在物理上是可以实现的,从而验证了该混沌系统的混沌产生能力。最后结合DNA算法设计了一种彩色图像加密算法,利用新系统混沌序列对图像进行加密,重点分析了加密直方图、相邻像素相关性。结果表明,新系统对混沌密钥及明文都非常敏感,密钥空间较大,提出的混沌系统应用于图像加密具有较高的安全性能。     

像素位置与比特双重置乱的图像混沌加密算法

针对当前流行的一类具有置乱—扩散结构的混沌图像加密算法存在的安全缺陷问题,提出了一种能抵抗选择明(密)文攻击的图像加密算法。算法采用Kent混沌映射生成密钥序列,并根据明文像素值的特征和输入的密钥,分别产生混沌系统的参数和预迭代次数。首先,利用混沌序列实现图像像素位置的全局置乱;其次,根据另一个新生成的混沌序列,实现对图像像素值中0 bit、1 bit的置乱。实现了混沌映射产生的序列与图像本身内容的关联,从而实现了中间密钥随明文自适应变化,能有效抵抗选择明(密)文攻击。实验结果表明,该算法克服了以往算法不能抵抗选择明(密)文攻击的缺陷,同时具有加密算法简单、密钥空间大等加密性能,并能较好地抵抗统计特性分析、差分分析攻击。     

通用数字图像加密与抗剪切攻击恢复算法

为对数字图像进行有效地保护,提出一种以混沌系统及其混沌序列为基础的通用加密与解密算法。首先,根据密钥产生一个混沌序列,经排序后生成相应的下标序列,并据此进行像素坐标置乱加密。然后,根据子密钥与图像类型值由混沌序列生成相应的无符号整数序列,并按顺序与对应的像素值进行异或运算以实现像素值置换加密。针对恶意剪切攻击,同时提出一种基于邻域相邻像素特性的抗剪切攻击恢复算法。实验结果与理论分析表明,该算法加密效果好,密钥空间大,安全性与通用性强,且具有较为理想的抗统计分析攻击与抗剪切攻击能力。     

基于激光散斑和超混沌的彩色图像加密

为了保证彩色图像在传输过程中的安全性与可靠 性,提出将具有随机性的激光散斑与一种四维 Lorenz型超混沌系统相结合进行彩色图像加密的新方法,同时构建了散斑超混沌加密系统。 系统将原始彩图 与超混沌系统产生的非线性度更高的超混沌序列按位异或进行混沌加密,然后将加密后的图 像与物理随机 的激光散斑图像按位异或进行散斑加密即可获得加密彩图,密钥空间达10¹⁰¹,平均相邻像素相关系数达 0.000。结果表明,本文方法具有较好的加密 效果,可抵御统计分析攻击,有大的密钥空间,较强的密钥敏 感性及弱的相邻像素相关性。     

基于加密混沌矩阵组的图像加密算法

针对Logistic映射的短周期问题以及单纯混沌加密复杂性不高的缺点,提出一种基于加密混沌矩阵组的图像加密算法。该算法利用Hybrid映射产生周期扩大M倍的二值混沌序列,根据密钥生成加密混沌矩阵组,对图像位平面做置换加密,为进一步算法提高抵抗统计分析攻击的能力,对置换加密后的图像再进行基于队列变换的图像置乱。实验表明,该算法克服了Logistic混沌映射的短周期问题和单纯混沌加密复杂度不高的问题,能够抵御多种攻击,具有良好的安全性。     

Application of quantum genetic algorithm in high noise laser image security

Aiming at the security problem of range gated laser imaging in high noise background, a range gated laser image encryption scheme based on the quantum genetic algorithm (QGA) is proposed. Due to the fuzziness of the laser image itself, the randomness and security of the key become more and more important in encryption. In this paper, the chaotic sequence is used as the parent chromosome of the QGA, and the random number satisfying the encryption algorithm is obtained by an iterative genetic algorithm. To further improve the security of laser images, some random pixels are stochastically inserted around the laser image before scrambling. These random pixels are scrambled together with the image. Finally, an adaptive diffusion method is designed to completely change the original statistical information of the image. Experimental simulation and performance analysis show that the scheme has high security.     

DCT变换与DNA运算相结合的图像压缩加密算法

为了解决图像加密后数据量大、传输速率慢的问题,采用了离散余弦变换(DCT)与脱氧核糖核酸(DNA)运算相结合的图像压缩加密方法.首先采用DCT对原始图像进行压缩;再进行DNA编码;最后根据DNA运算的思想,通过Chen混沌系统对原始图像执行DNA加法运算,成功得到了加密图像.结果表明,该算法不仅有效地提高图像传输速度、减少存储空间,同时加密效果好、安全性高.     

基于Shear变换的彩色地形图混沌加密算法

针对目前研究地形图图像加密算法较少,以及现有图像加密算法易被破解的问题,提出基于Shear变换的彩色地形图混沌加密算法。该算法充分利用了Shear变换的多方向性,能够很好地对地形图的线划要素信息进行置乱的特点,以及Lorenz混沌系统具有极强初值敏感性和更大的密匙空间和安全性的特点。通过对彩色地形图的加密和解密实验,以及抗攻击性能对比实验,表明使用该算法加密后的彩色地形图具有更高的安全性,并且载体图像具有较高的抗攻击性能。     

一种带扰动的高维混沌图像加密算法

针对已有的部分混沌加密算法存在的问题,设计了一个带有扰动的高维混沌图像加密算法。通过对三维Lorenz系统添加扰动改善了序列的随机性,引入了三维猫映射对扩散后的图像进行置乱,并通过二次置乱来提高算法的安全性。分析与仿真结果表明,该算法具有较大的密钥空间,加密后图像像素值分布较均匀,相关系数接近于零,可以有效抵抗已知明文攻击。     

Chaotic image encryption based on circular substitution box and key stream buffer

A new image encryption algorithm based on spatiotemporal chaotic system is proposed, in which the circular S-box and the key stream buffer are introduced to increase the security. This algorithm is comprised of a substitution process and a diffusion process. In the substitution process, the S-box is considered as a circular sequence with a head pointer, and each image pixel is replaced with an element of S-box according to both the pixel value and the head pointer, while the head pointer varies with the previous substituted pixel. In the diffusion process, the key stream buffer is used to cache the random numbers generated by the chaotic system, and each image pixel is then enciphered by incorporating the previous cipher pixel and a random number dependently chosen from the key stream buffer. A series of experiments and security analysis results demonstrate that this new encryption algorithm is highly secure and more efficient for most of the real image encryption practices.     

快速置乱耦合3D混沌映射的图像加密算法研究

针对当前3D混沌映射加密算法的安全性不高,且其置乱过程的计算量大,置乱性不稳定,以及置乱方法不具有通用性等缺陷,设计了一种快速通用置乱方法,并将混淆与扩散机制同时引入进来,提出了一种新的3D混沌映射图像加密算法。首先利用快速置乱方法置乱初始图像,以改变像素位置;利用三维Chen系统结合像素值变换函数所生成初始外部密钥迭代3D混沌映射,得到一个序列,该序列根据混淆机制对置乱图像像素值进行混淆;改变外部密钥,再迭代计算3D混沌映射,得到三元一维伪随机数组,并借助密钥流机制量化该数组,得到新序列,利用该新序列根据扩散机制对混淆后的像素进行扩散处理。借助MATLAB仿真软件对该算法及其他3D算法进行对比仿真。结果显示:与其他3D算法相比,该算法安全性更高,置乱速度更快,计算效率更高,且其密钥空间巨大。     

基于DNA编码运算和混沌系统的图像分块加密算法

针对当前基于DNA编码运算的图像加密算法复杂度和安全性较低的问题,提出一种图像分块加密算法.利用Lo-gistic混沌映射产生与明文图像大小相同的随机矩阵,然后对明文图像和随机矩阵进行分块,每个子块的DNA编解码方式以及相互之间的DNA运算均由Chen超混沌系统产生的混沌序列动态决定,同时引入密文反馈机制,使算法得到更好的扩散效果.此外,算法的密钥由明文图像生成,实现了一次一密的加密.仿真实验结果和分析表明加密效果良好,算法利用了DNA可选择编码方式和运算操作丰富的特点,具有较高的复杂度和安全性,密钥空间大,能抵抗多种攻击.     

基于变步长约瑟夫遍历和DNA动态编码的图像加密算法

数字图像传输和存储的安全问题已成为信息安全研究的热点。该文提出一种基于变步长约瑟夫遍历和DNA动态编码的图像加密方法。首先将混沌映射产生的随机序列作为约瑟夫遍历的变步长，改进约瑟夫遍历问题，并采用改进的约瑟夫遍历对图像像素位置进行置乱；其次，动态选择DNA编码规则，对图像像素进行DNA编码，并与给定的DNA序列进行碱基运算；DNA编码规则的动态选择，很好地解决了DNA编码规则少所带来的安全隐患，提高了算法的安全性。最后通过密文反馈和混沌系统迭代来进一步增强算法的混淆和扩散特性。实验和安全性分析结果表明，该算法不仅对密钥的敏感性强，而且能有效抵御统计性分析和穷举分析等攻击操作。     

A fast color image encryption algorithm based on coupled two-dimensional piecewise chaotic map

In recent years, a variety of chaos-based image cryptosystems have been proposed. Owing to the exceptionally desirable properties of mixing and sensitivity to initial conditions and parameters of chaotic maps, chaos-based encryption has suggested a new and efficient way to deal with the intractable problem of fast and highly secure image encryption. This paper proposes a novel chaos-based image encryption algorithm to encrypt color images by using a Coupled Two-dimensional Piecewise Nonlinear Chaotic Map, called CTPNCM, and a masking process. Distinct characteristics of the algorithm are high security, high sensitivity, and high speed that can be applied in encryption of color images. In order to generate the initial conditions and parameters of the CTPNCM, 256-bit long external secret key is used. Computer simulations confirm that the new algorithm has high security and is very fast for practical image encryption. It is demonstrated that the number of pixel change rate (NPCR), the unified average changing intensity (UACI), and entropy can satisfy security and performance requirements (NPCR>0.99672, UACI>0.334904, Entropy>7.99921). Experimental results reveal the fact that the proposed algorithm yields better security performance in comparison to the results obtained from other algorithms.     

一种新的基于被扰动的Lorenz系统的混沌加密算法

提出一种基于被抚动的Lorenz系统的加密算法.首先通过Legendre多项式对Lorenz系统中的系统参数b进行扰动,然后再利用Lorenz产生的随机序列对原文信息进行一系列的操作变换,使得加密的信息更加安全.通过扰动有效的补偿了计算机有限精度导致的混沌系统退化行为,经对本算法的模拟实验及详细性能分析,结果表明该加密...     

一种基于混沌映射的快速图像加密算法优化

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。     

基于组合混沌系统的彩色图像加密算法

为了提高彩色图像信息的安全性,针对单一混沌系统的不足,提出一种基于组合混沌系统的彩色图像加密算法。首先将明文图像变化成为红(R)、绿(G)和蓝(B)三个分量,并采用小波变换分别对R,G,B三个分量进行分解,然后采用不同混沌系统对R,G,B三个分量的低频系统分别进行置乱处理,并采用小波重构得到加密后R,G,B分量,最后对组合R,G,B进行随机排列,得到密文图像,并采用仿真实验测试算法的性能。仿真结果表明,相对其它彩色图像加密算法,本文算法获得了更加理想的图像加密效果,在提高密钥空间的同时,抗攻击能力得到大幅度提升。     

基于混沌序列的数字图像隐藏技术水

为了增强图像隐藏的安全性,文章在传统的数字图像隐藏方法的基础上,结合混沌序列和图像加密技术,提出了一种改进的图像隐藏方法。首先应用混沌系统的产生混沌序列,用混沌序列来替换图像的隐藏参数进行图像隐藏,然后对隐藏的结果图像做进一步处理,包括行列双向异或置乱和图像像素置乱。实验结果表明,该方法具有较好的安全性,较高的加密效率,能够有效抵抗已知明文攻击。