混沌同步图像加密研究成果

在空间域，可以用位置和像素值这两种信息来描述一幅图像。因此，基于空间域的图像加密是围绕这两种最基本的信息设计各种加密算法的。目前提出的基于混沌系统的图像加密算法中，大多采用先位置置乱后像素替代的结构形式，即采用典型的图像加密框架，具体结构如图6.8所示。

图6.8　典型的置乱—扩散框架

图6.8给出的加密框架包括两个阶段，置乱阶段和扩散阶段。置乱阶段将图像的像素位置置乱，并不改变其像素值。扩散阶段连续地修改每个像素的像素值，使得一个像素值的微小改变能够扩散到其他许多像素中。这种将置乱与扩散相结合的方式，可以提高算法的抗攻击能力。(www.xing528.com)

数字图像的位置置乱原理是：改变图像中像素之间的位置关系，将原来点（x，y）处像素对应的灰度值或RGB颜色值移动到变换后的（x′，y′）处，使得一幅原始数字图像变成一幅杂乱无章类似噪声的图像。为了降低相邻像素之间的相似性关系，置乱阶段可以执行n轮。利用混沌系统来实现图像置乱，大体可分为两类：利用混沌变换代替置乱矩阵；利用混沌系统的输出进行图像的按行置乱和按列置乱。常用于实现图像像素置乱的混沌变换有：Arnold变换、离散标准映射和面包师变换等。按行置乱和按列置乱方法利用了混沌系统对初值的极端敏感性、输出的类随机性和遍历性。置乱后图像的纹理特征不明显，随机性好。其缺点在于，需要对混沌系统进行多次迭代，消耗的运算时间较长。

图像位置置乱仅改变各像素的位置，不改变其数据值。因此，图像位置置乱后，其像素统计特征并不发生变化，这会降低密码攻击的难度。所以，为了增强加密算法抵抗统计攻击的能力，需要利用图像像素替代算法改变图像各像素点的值。基于混沌的图像像素替代，一般是采用混沌系统生成数字化的伪随机流，与图像的像素值做可逆运算，得到像素替代后的图像。为保证安全性，图像像素替代算法应与扩散算法相结合，使任一像素值的变化扩散到全部像素上。最常用的方法是采用密文反馈机制和多轮次加密运算，利用混沌系统对初值及参数的极端敏感性，使加密图像对原图像中每个像素的变化和密钥的变化敏感，达到较好的加密特性。