多涡卷混沌映射的彩色图像加密算法

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基于多混沌系统的彩色图像加密算法

基于多混沌系统的彩色图像加密算法
刘浏;张雪锋
【期刊名称】《西安邮电学院学报》
【年(卷),期】2013(018)005
【摘要】为了改进彩色图像的加密效果,设计出一种基于多混沌系统的彩色图像加密算法.先应用Arnold映射对彩色图像的红、绿、蓝三个颜色分量像素位置矩阵进行置乱操作,再采用Logistic和Henon生成混沌序列分别与处理后图像红、绿、蓝颜色分量的奇偶像素进行异或操作,即可实现对彩色图像的有效加密.仿真结果表明,基于多混沌系统的置乱置换操作可实现彩色图像不同基色的完全混淆,具有较好的加密效果和安全性.
【总页数】5页(P45-49)
【作者】刘浏;张雪锋
【作者单位】西安邮电大学通信与信息工程学院,陕西西安710121;西安邮电大学通信与信息工程学院,陕西西安710121
【正文语种】中文
【中图分类】TP309.7
【相关文献】
1.基于Chen系统与超混沌Lorenz系统的彩色图像\r加密算法 [J], 李鸫
2.基于混沌系统的量子彩色图像加密算法 [J], 张健;霍达
3.基于混沌系统的彩色图像加密算法 [J], 田嘉琪;谢淑翠;张建中
4.基于组合混沌系统和交换策略的彩色图像加密算法 [J], 叶瑞松;吴梓康;邓睿;梁杰涛
5.基于DNA动态编码和混沌系统的彩色图像无损加密算法 [J], 朱凯歌;武相军;任广龙
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一种多混沌的彩色图像认证加密算法

第１３卷
第２Ｏ期
２０１３年７月
科
学
技
术
与
工
程
Ｖ０１．１３Ｎｏ．２０Ｊｕ１．２０１３
１６７１ —１８１５（２０１３）２０ — ５８４３ — ０５
ＳｃｉｅｎｃｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
５８４４
科
学
技
术
与
工
出基于混沌加密的思想以来，混沌系统的对初始条
１混沌系统
混沌现象是非线性动力系统中出现的确定性的、类似随机的过程，这种过程既非周期，又不收敛，并且对初始值有及其敏感的依赖性。本论文中
像素之间的相关性更小，置乱距离更大，提高了系
统的复杂性，增加了破译难度。
密技术不能完全满足安全性高的图像加密需要¨ ，
特别是涉及到彩色图像的加密使得这些加密方法更是力不从心。自１９８９年英国数学家Ｍａｔｔｈｅｗｓ提
研究方向：图像处理和机器人控制与运动规划。Ｅ — ｍａｉｌ：ｐｅｊ８８８０２８９
＠ｓｉｎａ．ｔｏｍ
２００２年，ＬｉｔＪｉｎ — ｈｕ等提出了统一混沌系统，该系统将Ｌｏｒｅｎｚ系统和Ｃｈｅｎ系统连接起来，而ＩＪｉｕ系统仅为其一个特例。其数学模型为

彩色图像混沌加密算法

彩色图像混沌加密算法彩色图像处理是数字图像处理的重要组成部分，在网络与多媒体通信中，常常涉及到彩色图像文件加密。

为此，我们提出了一种彩色图像混沌加密算法，该加密算法通过选用Lorenz 系统中三个不同维的变量生成置乱矩阵来分别实现对RGB彩色图像三分量的置乱加密，从而实现对整个彩色图像文件加密。

一、彩色图像混沌加密算法设计实现1、对Lorenz混沌序列的优化Lorenz动力学方程为：其中，参数σ，r，b 的典型值分别为σ= 10，r=28，b=8／3，在σ和b不变，当r>24.74时，系统进入混沌状态。

但该系统输出的实值混沌序列有一些固有缺陷：x，y，z的值域各不相同，不利于批处理；x，y，z局部取值呈现单调性，易受线性预测攻击；x，y，z自相关特性非理想的δ函数，互相关特性非理想的零特性，难以保证不可预测性，而且系统多输出特性也得不到充分利用。

为此，有专家提出了一种对Lorenz混沌序列的优化方法，构建了式(2)所示的一个数学模型：其中，x’，y’，z’三为优化后的实值混沌序列；m为控制参数，通过它可以提高序列取值的不规则性；round()为取最接近整数函数。

经过实验，证明此优化序列具有良好的混沌特性、较理想的万函数自相关特性和近似为0的互相关特性。

本空域算法采用了此混沌优化序列。

2、置乱算法利用式(2)产生的三个优化后的混沌序列x’，y’，z’生成三个置乱矩阵，分别对RGB彩色图像的三个分量进行置乱加密。

置乱矩阵的生成方法：利用优化混沌序列生成相应的置换矩阵PM×N，对PM×N来说，其中任一元素Pij∈[1，2，…，M×N]，且Pij=Pkl，当且仅当i=k，j=1。

比如：M=4，N=4，P即为4×4的矩阵，由优化混沌序列生成16个实数值组成的混沌序列为：10.95621370、10.91248372、10.57640346、11.0759704、11.62504738、11.13958961、10.26628130、9.10829136、9.53332571、9.21575219、9.11570905、9.19910548、8.87154601、9.27423505、9.85781001、10.94356727对以上序列按大小排序，然后从1到16进行标识，即可得到序列：4、6、7、3、1、2、8、15、10、12、14、13、16、11、9、5。

一种新的基于超混沌映射的彩色图像加密算法

Ｃｈｅｎ ’ Ｓｈｙｐｅｒｅｈａｏｔｉｃｓｙｓｔｅｍａｒｅｕｓｅｄｔｏｓｃｒａｍｂｌｅｔｈｅｐｉｘｅｌｌｏｃａｔｉｏｎｓｏｆｅａｃｈｃｈｎｎａｅ１．Ｔｈｉｒｄｌｙ，ｅｖｅｒｙｃｈａｎｎｅｌｉｓｅａｒｉｅｄｏｕｔｔｈｅｂｉｔ — ｐｌａｎｅｄｉｓｐｌａｃｅ－
中图分类号
ＴＰ３０９
文献标识码
Ａ
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－３８６ｘ．２０１３．０８．０８５
ＡＮＥＷＣＯＬＯＵＲＩＭＡＧＥＥＮＣＲＹＰＴＩｏＮＡＬＧＯＲＩＴＨＭＢＡＳＥＤｏＮＨＹＰＥＲＣＨＡｏＴＩＣＭＡＰＰＩＮＧ
位平面置换和按位取反操作来实现像素值的扰乱，最后重组位平面及３个颜色通道即可获得加密图像。模拟仿真和安全性分析表明，提出
的图像加密算法加密效果较好，具有较大的密钥空间、对密钥具有较强的灵敏性，并且可以抵抗穷举攻击以及统计攻击。
关键词图像加密超混沌位平面置换按位取反安全性
ｉｍａｇｅｉｓｄｅｉｒｖｅｄｆｒｏｍｒｅｅｏｍｂｉｎｉｎｇｔｈｅｂｉｔ — ｐｌａｎｅｓｎｄａｔｈｒｅｅｃｏｌｏｕｒｃｈａｎｎｅｌｓＲ，ＧａｎｄＢ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｓｅｃｕｒｉｔｙａｒｒａｌｙｓｉｓａｌｌｓｈｏｗｔｈａｔｏｕｒｉｍａｇｅｅｎ — ｃｒｙｐｔｉｏｎａｌｇｏｉｔｒｈｍｈａｓｇｏｏｄｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔ，ｂｉｇｇｅｒｋｅｙｓｐａｃｅ，ｈｉｇｈｅｒｋｅｙｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ，ａｎｄｃａｎｒｅｓｉｓｔｔｈｅｅｘｈａｕｓｔｉｖｅａｔｔａｃｋａｎｄｓｔａｔｉｓｔｉｃａｔｔａｃｋ．ＫｅｙｗｏｒｄｓＩｍａｇｅｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎＨｙｐｅｒ — ｃｈａｏｓＢｉｔ — ｐｌａｎｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔＢｉｔｗｉｓｅｎｅｇａｔｉｏｎＳｅｃｕｒｉｔｙ

基于混沌系统的彩色图像加密算法

空间大、对初值敏感及随机性好等特点，把混沌系统应用于图像加密已成为目前研究的热点。其中，Lorenz系统是最为经典的混沌系统，得到广泛的应用和推广。但是同时有大量理论研究证明了低维混沌系统产生的伪随机序列存在安全性缺陷，因此提出了一些改进的混沌系统对图像加密可以对图像像素直接进行置乱扩散，也可以对图像像素的RGB三分量进行加密,47。
摘要：为提高图像加密算法的安全性，提出一种将改进的Lorenz混沌系统应用到彩色图像的加密方案，同时考虑RGB 三分量之间的相互关联。提取彩色图像的rgb三分量并分块，将混沌系统产生的伪随机序列转换为明文相关的密m序列和动态置乱序列，明文发生微小改变密胡流序列也会完全不同；对R分量实现块置乱和像素点逐一置乱，对G& B分量分别进行迭代扩散；对已加密的三分量进行前向和后向扩散。仿真和安全性分析结果表明，该算法具有可行性、较高的安全性和密钥敏感性。关键词：混沌系统；图像加密；RGB三分量；置乱扩散；前向后向扩散中图法分类号：TP309. 7 文献标识号：A 文章编号：1000-7024 （（019） 07-1816-07 doi： 10. 16208/j. issnl000-7024. 2019. 07. 003
Abstract： To improve the security of image encryption algorithm, the improved Lorenz chaotic system was applied to the encrypionschemeofcolorimage&andOhecorrelaionamongOheRGBOhreecomponenOswasalsoesOablished.TheRGBOhreecomponenOs of color image were exOracOed and par i ioned.The pseudo-random sequences generaOedOhroughOhe chao ic sysOem were converOed inOo plainOex-relaOedkey sequences and dynamic scrambling sequences.If a iny change happens in plainOexO&key sOreamsequencewilbecompleOelydiferenO.ThedynamicscramblingsequenceswereusedinOheblockscramblingandOhepixel poinOvaluedisorderofOheRcomponenOs.TheplainOex-relaOedkeysequenceswererespecivelyusedinOheieraivedifusionof OheG&BcomponenO.TheOhreeencrypOedcomponenOsweredisOribuOedbyforwardandbackwarddifusion.Throughsimulaion andsecuriyanalysis&OheresulsverifyOheviabiliyofOhealgorihm&whichshowsishighkeysensiiviyandsecuriy. Keywords：chaoicsysOem#imageencrypion#RGBcomponenO#scramblinganddifusion#forward-backwarddifusion

一种改进的多混沌系统彩色数字图像加密方案

（ａｇｈｕＰｌｅｈｉＣｌｇ，ａｇｈｕ２５０，ｈｎ）ＹｎｚｏｏｔｃｎｏｅｅＹｎｚｏ２０９Ｃｉｙｃｌａ
Ａｂｔａｔｓｒｃ：ＡｎｉｒｖｄｃｌｒｉｇｎｒｐｉｎｓｈｍｅｂａｅｎｔｅｃｍｂｎｔｏｆＬｇｓｉｐａｄＬｏｅｚｍｐｏｅｏｏｍａｅｅｅｙｔｃｅｓｄｏｈｏｉａｉｎｏｏｉｔｃｍａｎｒｎｏｓｓｅｉｉｅｎｔｉａｅ．Ｔｅｃｌｒｉｇｎ３一ｉｎｉｎａｐｃｓｔｒｅｎｔｈｒｙｉｇｎ２ｄ — ｙｔｍｓｇｖｎｉｈｓｐｐｒｈｏｏｍａｅｉｄｍｅｓｏｌｓａｅｉｕｎｄｉｏｔｅｇａｍａｅｉ一ｉｍｅｓｏａｐｃｎｉｎｌｓａｅ，ａｄｔｎｔｅｃａｔｃｓｑｅｃｓｇｎｒｔｄｂｇｓｉｎｏｅｚｃａｔｃｓｓｅａｅｕｅｏｎｈｅｈｈｏｉｅｕｎｅｅｅａｅｙＬｏｉｔａｄＬｒｎｈｏｉｙｔｍｒｓｄｔｃ
有效地降低了算法的计算强度和空间需求；置乱时实现了不同层次（Ｇ、亮度值的完全混合，Ｒ、Ｂ）取得了较好
的加密效果，全性更高。安关键词：沌；色图像；密；ｏｉｉ映射；ｏｅｚ系统：ｔｂ仿真混彩加ＬｇｔｓｃＬｒｎＭａａｌ
ｔｎｅｆｃｓａｄｈｇｅｕｔ．ｉｆｅｔｎｉｈｓｃｒｙｏｉ
Ｋｅｒｓ：ｃａｓ；ｏｏｍａｅ；ｎｒｐｉｎ；ｇｓｉｐ；ｏｅｚｓｓｅ；ａｌｂｓｍｕａｉｎｙｗｏｄｈｏｃｌｒｉｇｅｃｙｔｏＬｏｉｔｃｍａＬｒｎｙｔｍＭｔａｉｌｔｏ

基于自适应和多混沌系统的彩色图像压缩加密算法

（１．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＩｍａｇｅＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｎｄＰａｔｔｅｒｎＲｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ，ＨｅｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｋａｉｆｅｎｇ４７５００４，Ｃｈｉｎａ；
Ｓｅｌｆ－ａｄａｐｔｉｏｎａｎｄＭｕｌｔｉｐｌｅＣｈａｏｔｉｃＳｙｓｔｅｍｓ
ＤＩＮＧＷｅｎｋｅ，ＺＨＡＮＧＹｉｎｇ，ＣＨＡＩＸｉｕｌｉ ¨ ，ＧＵＯＪｕｎｙａｎ
第４５卷第２期２Ｏ１５年３月
河南大学学报（自然科学版）
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｅｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ）
ＶｏＬ４５Ｎｏ．２
Ｍａｒ．２Ｏ１５
２．ＨｅｎａｎＲａｄｉｏ＆ＴｅｌｅｖｉｓｉｏｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ４５０００８，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏａｃｈｉｅｖｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｏｌｏｒｉｍａｇｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ａｎｅｗｃｏｌｏｒｉｍａｇｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎａｎｄｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄｂａｓｅｄｏｎｓｅｌｆａｄａｐｔｉｏｎａｎｄｍｕｌｔｉｐｌｅｃｈａｏｔｉｃｓｙｓｔｅｍｓ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅｂｌｏｃｋｓｏｆ８× ８ｐｉｘｅｌｓｏｆｔｈｅｉｍａｇｅｗｅｒｅｓｃｒａｍｂｌｅｄｂｙｔｈｅｑｕａｎｔｕｍｃｈａｏｔｉｃｓｙｓｔｅｍｇｌｏｂａｌｌｙ．ＴｈｅｎｔｈｅＲＧＢｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｗｅｒｅｓｅｐａｒａｔｅｄａｎｄｃｏｎｖｅｒｔｅｄｔＯＹＣｒＣｂｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，ａｎｄｔｈｅｎＤＣＴｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｑｕａｎｔｉｚａｔｉｏｎｗｅｒｅｂｏｔｈｅｘｅｃｕｔｅｄ．ＹＣｒＣｂｂｌｏｃｋｓｗｅｒｅ

结合多混沌映射与dna的彩色图像加密算法

结合多混沌映射与 DNA 的彩色图像加密算法①
胡春杰1, 黄启胜3, 陈翠1, 嵇海祥2, 阮聪2
1(水利部南京水利水文自动化研究所, 南京 210012) 2(江苏南水科技有限公司, 南京 210012) 3(云南省水文水资源局西双版纳分局, 西双版纳 666100) 通讯作者: 胡春杰, E-ma字技术、通信技术的不断发展, 数字图像、视频等多媒体交流形式在人们日常生活中扮着相当重要的角色[1]. 然而在通信传输过程中, 这些信息的安全性面临到巨大的威胁. 相比现代数字图像具有海
量数据、高度相关性的特点, 一些传统的加密算法已不适用于图像加密[2,3]. 由于混沌系统是非线性的动力系统, 具有初值敏感性、遍历性、随机性等特点, 与图像加密非常契合, 被广泛应用于图像加密领域[4–9].
文献[10]提出了一种多混沌映射的快速图像加密
① 收稿时间: 2019-04-26; 修改时间: 2019-05-21; 采用时间: 2019-05-23; csa 在线出版时间: 2019-12-10
Software Technique•Algorithm 软件技术•算法 189
计算机系统应用

摘要: 针对低维混沌系统和单一的 DNA 加密方案的空间小、复杂度低等问题, 提出一种基于多混沌映射与 DNA 的彩色图像加密算法. 先利用 Arnold 变换对图像每分量进行图像位置置乱, 利用 Logistic 混沌映射产生与明文图像大小相同的随机矩阵并进行分块操作, 再进行 DNA 规则运算, 其运算方式由 Chen 超混沌系统产生的混沌序列动态决定. 仿真实验结果表明, 算法加密与恢复效果良好, 能有效地抵御各种统计攻击与差分攻击, 具有良好的安全性、抗噪声性好、复杂高等加密性能. 关键词: Logistic 映射; 位置置乱; DNA; 超混沌系统

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［2 ， 14 － 16 ］
密对象分为灰度图像加密和彩色图像加密，按混沌系统分为一维、二维、高维混沌映射加密。一维、二维混沌映射具有形式简单、运行效率高等优点，但低维混沌存在密钥空间安全性不高等缺点。高维超混沌具有更高的复杂性、随机小、性和更好的不可预测性等优点，能更有效地抵御相空间重构等破译方法的进攻，保密性强，密钥空间大
0
引言
图像信息具有直观性强、信息量大等特点，且多媒体通信已
［ 1 ］成为人们进行信息交流的重要手段。然而利用无线电和一般［ 2 ］通信网络非法获取图像数据已经变得越来越容易，因此，图像
dx = a（ y － f（ x）） dt dy dt = x － y + z dz dt = － by
（ 1）
信息安全已成为一个关键且需迫切解决的问题。图像加密技术是保护图像信息安全最经济有效的方法，是一项非常实用而又亟如待快速发展的关键技术。目前存在多种不同的图像加密方案，空域加密方案
［ 3 －5 ］［ 6 －7 ］［ 8 － 10 ］、。频域加密方案和自适应加密方案
b， u 为系统其中： f（ x） = u（ x － sgn（ x + 1 ）－ sgn（ x － 1 ））； a，参数。该多涡卷混沌系统离散化映射模型为： x（ n + 1 ） = a（ y（ n）－ f（ x（ n）））（ 2） y（ n + 1 ） = x（ n）－ y（ n） + z（ n） z（ n + 1 ） = － by（ n）其中： f（ x（ n）） = u（ x（ n）－ sgn（ x（ n） + 1 ）－ sgn（ x（ n）－ 1））。 0，令式（ 1 ）右边等于零，得系统五个平衡点分别为（ 2 ，－ 2）、（ 1， 0 ，－ 1 ）、（ 0， 0， 0）、（－ 1， 0， 1）、（－ 2， 0， 2 ）。该系统 Jacobian 矩阵表达式为：－ au a 0 （ 3） J = －1 1 1 0 －b 0 b = 12 ． 5 ， u = 0 ． 5 时，当取 a = 8 ，得 Jacobian 矩阵的特征 0． 105 2 + 3． 096 0i、 0． 105 2 － 3． 096 0i。根据文值为－ 5． 210 4 、 17］献［的方法，计算得到系统最大李雅普诺夫指数为 0． 22 。 b = 12 ． 5 ， u = 0． 5 、 y0 ， z0 ） = （ 0 ． 1 ，当取 a = 8 ，初始值（ x0 ， Matlab 仿真得三涡卷混沌映射相图如图 1 所示。 0． 1， 0． 1），
*
Abstract: For color image encryption， this paper constructed a multiscroll chaotic system and put forward the image encryption algorithm based on the chaotic system． The experimental results show that the algorithm has better key sensitivity， large key space and the ability of diffusion and confusion． The algorithm can effectively resist the statistical attack and exhaustive attack and it has good safety． Key words: multiscroll chaotic map; image encryption algorithm; key analysis
由于混沌映射具有对初值和参数的敏感性，使得基于混沌映射的
［ 8 ］已成为图像信息安全领图像加密算法更具高效性和高安全性，
{
域的一个研究热点想
［13 ］
［ 11 － 12 ］
。
1989 年，英国数学家 Matthews 最早提出混沌加密的思，此后人们提出了多种基于混沌的图像加密算法，按加
Image encryption algorithm based on multiscroll chaotic map
ZHAO Pengtao ， LIU Gang， PENG Jieli， WANG Minghao
( College of Science， The Second Artillery Engineering University， Xi an Shaanxi 710025 ， China)
Journal of Computer Applications 计算机应用，2012，32( S2) : 177 － 179 文章编号： 1001 － 9081 （ 2012 ） S2 － 0177 － 03
ISSN 1001-9081 CODEN JYIIDU
2012-12-31 http: / / www．joca． cn
基于多涡卷混沌映射的彩色图像加密算法
赵鹏涛，刘
*
刚，彭接力，王明昊
（第二炮兵工程大学理学院，西安 710025 ） ( * 通信作者电子邮箱 zxl03786260@ 163． com)
摘要：针对彩色图像加密问题，构造了一种多涡卷混沌映射系统，提出了基于该混沌映射系统的图像加密算法，实验结果表明: 该算法具有较好的密钥敏感性、很大的密钥空间和较好的扩散和混淆能力，可以有效地抵抗统计攻击和穷举攻击，具有很好的安全性。关键词：多涡卷混沌映射; 图像加密算法; 密钥分析中图分类号： TP391． 41 文献标志码： A