整合ChaCha20哈希运算的分块扩散自适应图像加密算法

目的 针对数字图像网络传输安全性和混沌加密算法自适应差的问题,提出一种基于ChaCha20哈希运算的分块扩散自适应图像加密算法(BDCH)。方法 BDCH算法首先通过分段线性混沌映射(PWLCM)产生的混沌序列填充明文图像,使其成为方形图像;其次,利用初始输入密钥及明文图像总和,通过ChaCha20哈希运算生成8×8的初始哈希矩阵,并与PWLCM混沌映射生成的伪随机序列作用,联合产生哈希密钥矩阵,PWLCM的迭代初值选取为初始密钥矩阵均值、初始密钥及明文图像归一化均值;然后,利用Arnold和PWLCM映射同步置乱扩散整幅图像,并分成互不重叠的8×8大小图像块;最后,采用哈希密钥矩阵对图像块进行两轮扩散,完成图像加密。结果 灰度及彩色图像的计算机仿真与性能分析表明,BDCH算法的信息熵、峰值性噪比、密钥敏感性指标优于其他加密算法,并且解决了直接使用初始哈希矩阵会产生的弱密钥问题,密钥空间大。结论 结合同步置乱扩散和哈希密钥矩阵非线性分块扩散的BDCH算法可有效抵抗各种攻击,安全性高、自适应性强,适合各种类型的灰度及彩色图像加密,潜在应用价值大。     

基于Arnold映射的分块双层自适应扩散图像加密算法

目的 针对图像安全保障问题,提出一种基于Arnold映射的分块双层自适应扩散数字图像加密(BDAM)算法,提高图像加密效率及安全性.方法 首先利用Logistic映射、Tent映射和Sine映射,进行两两组合构建3种新1维混沌映射,提取初始混沌序列;然后定义一个与明文图像矩阵大小相同的初始加密图像矩阵,对其进行分块,预处理Arnold映射参数,正反向联合映射将明文图像矩阵中随机位置像素值,存入初始加密矩阵随机块中的随机位置,并同时进行块内像素、块间自适应扩散,直至填满初始加密矩阵,完成加密.结果 针对多种类型灰度图像,通过仿真实验与性能对比分析表明: BDAM算法在信息熵、密钥空间、相关性、敏感性等方面均优于其他加密算法,置乱效果好,对密钥及明文的敏感性高,可取得较好加密效果.结论 结合随机置乱的分块双层非线性自适应扩散BDAM算法可有效抵御多种攻击,安全性较高,适用于各种类型灰度图像加密,具有潜在应用价值.     

一种基于高维矩阵变换的混沌图像加密

提出了一种基于Henon混沌系统和高维准对角矩阵变换的图像加密算法.由初始密钥控制二维Henon混沌映射生成两个置换矩阵和多个环上二阶可逆矩阵.利用获得的置换矩阵结合两类平移变换置乱原始图像;进一步,以二价可逆矩阵为子矩阵构造高维准对角矩阵,再对置乱密文进行高维矩阵变换(模运算)实现灰度值替代二次加密.仿真实验结果表明,该算法易于实现,加密效果理想,对密钥和明文具有敏感依赖性,安全性高。     

一种基于混沌系统及Henon映射的快速图像加密算法

提出一种新的基于混沌系统及Henon映射的图像加密算法．使用经过取模处理的可逆二维非线性Henon映射对各像素点的灰度值进行链式循环迭代,每个迭代环节中Henon映射的参数与迭代次数依次取自一维混沌映射生成的混沌序列．该算法设计简单、运算快速、解密准确,尤其是解决了基于混沌或非线性变换的加密算法中普遍存在的由于计算机的有限精度或各计算机精度不同所导致的解密失败的难题,避免了常用置乱变换算法固有的缺陷及密码强度的不足,具有很高的安全性．     

位级同步置乱扩散和像素级环形扩散图像加密算法

目的 针对基于位平面信息量分布的选择性加密算法安全性不高、像素置换加密算法不能很好抵抗统计攻击问题,提出一种基于位级同步置乱扩散和像素级环形扩散的图像加密算法（BSPDPAD算法）,提高图像加密效率和安全性。方法 BSPDPAD算法首先通过分段线性混沌映射产生两组混沌序列,其中一组混沌序列对图像进行随机分块,另一组混沌序列分解到位平面构成位级密钥流;然后,将各像素块分解到位平面,利用位级密钥流同步置乱扩散高位平面、置乱低位平面,实现位平面上块内置乱扩散及块间扩散;最后,再次迭代分段线性混沌映射产生新的密钥流,利用该密钥流对经过位级加密的中间密文图像进行横向顺序扩散和纵向逆序扩散,完成图像加密。结果 灰度图像及彩色图像上的计算机仿真实验与性能分析表明：BSPDPAD算法密钥空间大于2¹⁰⁰,信息熵接近于8,密文图像直方图趋近于均匀分布;与其他加密算法相比,BSPDPAD算法密文图像相邻像素相关性系数绝对值减小约12数量级,像素变化率和归一化平均强度明显提高,说明BSPDPAD算法在密钥、明文敏感性、抵抗多种攻击能力等性能上优于其他加密算法,且算法扩散效果好,仅一轮加密就能获得较理想的加密效果。结论 将位级选择性加密与像素级环形扩散相结合的BSPDPAD算法可有效抵抗各种攻击,安全性高,适合各种类型的灰度及彩色图像加密,潜在应用价值大。     

混沌映射与比特重组的图像加密

目的 当前很多图像加密都采用基于比特的加密算法。针对这种比较流行的加密算法所存在的安全缺陷问题,提出一种能够解决比特面0比特和1比特置乱时的位置限制的图像加密算法,实现比特的全局重组。方法 首先利用Tent混沌映射生成一个伪随机序列,然后利用生成的伪随机序列对比特明文图像进行整行以及整列的置乱,将置乱后的比特像素矩阵分块分别进行Henon映射的置乱,最后经过扩散操作得到最后的密文图像。结果 加密后明文图像的像素值的分布由不均匀变成了均匀分布,明文图像的各像素间的相关性被打破,使得原图没有了统计特性,像素变化率（NPCR）以及归一化平均变化强度（UACI）皆接近理想值,算法能够抵抗穷举攻击和差分攻击,并且在能保证加密安全的同时能有较低计算复杂度。结论 本文所提出的图像加密算法具有加密后像素相关性低、密钥空间大,以及对明文图像和密钥高度敏感等特点,本文算法在进行比特级的置乱时,又加入了与明文相关的特性,增强了加密算法的明文敏感性,同时也加强了加密算法的扩散性,可有效地保障密文图像的安全。     

魔方变换及其在数字图像加密中的应用

提出了一种新的数字图像置乱方法：魔方变换，结合非线性动力学系统的Logistic映射。设计了基于魔方变换的图像加密／解密算法，首先由密钥生成得到自然数据混沌序列，以此序列为参数对图像矩阵进行魔方变换后得到加密图像，解密算法是加密算法的逆过程，实验结果表明，该算法能够得到令人满意的结果。     

一种基于交叉混沌序列的图像加密算法

当前研究的混沌加密算法大都是基于单级混沌系统或低维的混沌加密技术,而这些混沌映射的密钥空间太小,可以轻易地被破译,它们还不算具有严格密码学意义上的保密性。文中提出了一种利用Logistic映射与Chebyshev映射作为2个混沌发生器的算法,在这种交叉混沌映射的图像算法中,不仅通过加密矩阵对图像像素进行灰度置乱,而且根据离散映射生成相应的符号矩阵和置换矩阵。实验结果证明了该算法实现简单,计算量小,且图像的解密结果对混沌序列的初始值有较强的依赖性,安全性高,同时也证明了给出的图像置乱度能更好地反映图像加密前后的视觉差别和加密效果。     

基于多混沌映射算法的图像可逆化加密仿真

原图像经过对矩阵元素随机打乱可得到加密图像,加密后的图像可以有效防止已知攻击。可逆映射可以高效地实现像素置乱,但由于离散混沌序列的初始条件较为敏感,因此像素扩散置乱难度较大。为此提出基于多混沌映射算法的图像可逆化加密方法,在图像加密过程中,采用扩散置乱和Arnold变换置乱图像,通过Logistic映射系统和Chen系统生成离散混沌序列,置乱后图像中红、绿、蓝三基色分别执行异或运算,从而输出加密图像。在图像解密过程中,分别对扩散置乱、Arnold变换以及图像加密执行逆映射,输出解密图像,完成图像可逆化加密。实验结果表明,所提方法密钥敏感性和原图与解密图像像素值分布更均匀、相邻像素相关性更低,鲁棒性更强。     

基于混沌映射的图像加密算法

目前大多数图像加密方法都只是针对方形图像的加密,为了解决这一局限性提出了一种同时适用于方形和矩形图像的加密算法。将基于图像拉伸和折叠获得的新二维映射用于图像位置置乱,将含有混沌映射的扩散函数用来改变原图各像素点的灰度值,从而得到位置置乱和灰度置乱相结合的加密算法。实验仿真结果表明该算法能够很好地实现对任意大小和形状图像的加密,且加密效果令人满意。算法具有密钥空间大、密钥敏感性强以及能够抵御统计和已知明文攻击等优点。     

基于离散Hopfield网络的混沌图像加密算法

混沌图像加密算法在进行图像像素值置乱时,大多采用像素值整体处理的方式,因此难以抵抗已知明文攻击。针对该情况,提出一种基于离散Hopfield网络的高维混沌图像加密算法。使用R?ssler三维混沌序列中的两维动态调整所有像素每个比特位的置乱权值及阈值,实现图像像素值置乱,剩下的一维用于图像像素位置置乱,由此提高破译难度。实验结果表明,该算法可抵抗差分攻击和统计分析,鲁棒性较强。     

基于混沌和位运算的图像加密算法

为了有效改进图像加密效果及其安全性,在对基于混沌系统及位运算的图像加密算法进行研究的基础上,提出一种改进的数字图像加密算法,该算法首先采用Logistic映射产生混沌序列构造行、列置乱向量进行像素位置的置乱,再利用分段非线性Logistic产生的序列构造灰度置乱放大因子,对图像进行灰度置乱,且对两个过程进行迭代操作。该算法不仅密钥空间增大,灰度直方图更加均匀,而且像素相关性变弱,运算速度较传统算法更快。实验结果表明,改进算法具有良好的加密效果和安全性。     

基于多混沌系统的多图像加密算法

针对多幅图像在传输中的安全性问题, 本文提出了一种基于多混沌系统的多图像加密算法. 首先, 利用离散小波变换对多幅图像进行预处理, 得到一幅拼接的大图像; 接着, 利用logistic-sine-cosine (LSC)映射生成混沌序列, 进而生成用于置乱的矩阵O对像素位置进行置乱; 最后, 采用超混沌Lorenz系统生成四维混沌序列, 利用其对置乱后的图像进行双向扩散和行列置乱, 获得最终密文图像. 所提算法加解密过程简单, 执行效率高. 实验结果经多方面分析后得出该算法的密钥空间大, 可以抵御多种攻击手段, 具有较好的加密效果和安全性.     

整合神经网络置乱图像的动态自反馈混沌系统图像加密

目的 针对当前大多数数字图像加密算法多采用单一的混沌系统,且置乱方法基本只采用像素行列互换、Arnold变换、Baker变换、序列排序构造替换表等几类,提出一种新的整合神经网络置乱图像的动态自反馈混沌系统图像加密算法。方法 该算法通过1维Logistic混沌、chebyshev混沌和自定义m（x）运算构造了一种动态自反馈混沌系统,通过频数检测、序列分布图、平衡度分析、相关性分析、Lyapunov指数验证了系统的随机性,并对其序列进行了均匀化处理,通过序列均匀性证明、序列分布图、序列期望和方差验证了均匀化效果。该算法从混沌序列中随机选取输入值和参数输入神经网络,采用每组神经网络输出值构造置乱矩阵进行初次全局置乱,再从bit位进行二次置乱;采用两组与明文相关的秘钥序列进行像素值替代扩散,使得明文到密文经过中间密文变化,增强了算法的安全性。结果 通过计算机仿真和性能分析表明该加密算法体现了良好的密码学特征,从秘钥空间、秘钥敏感性、统计分析、信息熵、差分分析、相邻像素相关性分析各方面验证了其安全性,数据表明该算法秘钥空间达到了2²¹⁶,信息熵为7.998 3,水平、垂直、对角方向相邻像素相关系数分别为-0.000 381、0.000 607、-0.000 309,NPCR值介于（0.995~80.996 6）之间,UACI值介于（0.333~0.338）之间。结论 该算法可以实现良好的加密效果,在数据对比上优于超混沌系统图像加密、像素位置和bit位双重置乱加密等,可以被广泛应用在灰度图像加密中乃至扩展到彩色图像加密中,能够起到图像信息在网络传输、存储中的隐私保护作用。     

基于改进的CAT置乱与Henon_Kent混沌系统的彩色图像自适应加密算法

为了解决彩色图像加密算法中密钥与明文图像不关联的安全性不足以及CAT映射成立条件的问题,提出一种基于改进的CAT置乱系统与Henon_Kent混沌扩散系统的彩色图像自适应加密算法。该算法首先利用明文图像特征信息生成密钥;然后通过改进的CAT置乱系统对图像进行像素位置的三维置乱,再将Henon_Kent混沌系统所产生的三个混沌序列分别对RGB三个通道的像素灰度值进行扩散;重复以上两个步骤,以密文图像的信息熵大于7.99为结束条件。仿真表明该算法能够抵抗现有的攻击方法,具有较强的加密性能。     

基于Zig-Zag扫描的空域图像置乱新算法

传统的图像置乱算法如基于Arnold变换的数字图像置乱、基于Hilbert曲线图像置乱、基于仿射变换等都是将图像中像素的位置重新排列,从而使原始图像变换成一个杂乱无章的新图像。但是,其本身的像素值并未发生改变,所以置乱后图像的灰度直方图都不发生改变,而灰度直方图又是衡量一幅图像的重要特征。对于那些对安全性要求比较高的领域,如军事或牵涉到国家安全的机构,这类置乱方法的安全性可能达不到人们期望的要求。针对以上问题,本文提出了一种基于Zig-Zag扫描的空域图像置乱新算法。该算法首先对原始图像进行Zig-Zag扫描形成一个一维向量,然后对一维向量中每个像素和它前面相邻的像素进行按位异或运算,同时对其异或运算的结果进行像素值的交叉换位,再次改变像素点的灰度值,从而提高图像置乱效果。实验结果表明,该算法与传统的图像置乱算法相比,置乱后的图像不仅直方图发生了显著改变,而且置乱图像的统计特征更像白噪声,更加适用于图像文件的加密传输和秘密图像信息在数字水印技术中的置乱预处理。     

混沌系统和DNA编码的并行遥感图像加密算法

目的 针对传统基于混沌系统的图像加密算法在加密遥感图像时存在速度差、安全性不足等问题,提出一种混沌系统和脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid,DNA）编码的并行遥感图像加密算法,提升图像加密的效率和安全性。方法 利用明文图像的安全散列算法256（secure Hash algorithm 256,SHA-256）哈希值修改混沌系统的参数和初始值,提高算法的明文敏感性,并通过2维Hénon-Sine映射置乱图像,打乱像素之间的分布规律;然后利用图形处理器（graphics processing unit,GPU）并行计算密钥序列,缩短加密时间,通过选择多个高维混沌系统和修改混沌系统初始值确保密钥序列的随机性;最后利用密钥序列和GPU对图像进行DNA并行加密,得到最终的密文图像。在DNA并行加密过程中,生成一种DNA-S盒,对DNA编码进行非线性替换。结果 在遥感图像以及普通彩色图像上的仿真实验和安全性分析结果表明,本文算法在加密遥感图像上速度达到80 Mbit/s以上,密钥空间大于10²⁰⁰,信息熵趋近于8,密文图像直方图平坦均匀,且通过了美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology,NIST）随机测试以及卡方检验;与其他算法相比,本文算法在密钥空间、相邻像素相关性、像素改变率（number of changing pixel rate,NPCR）、统一平均变化强度（unified averaged changed intensity,UACI）和信息熵等评价指标上更接近理想值。结论 本文算法在大幅提升加密速度的同时,保证算法足够安全,能够抵抗各种攻击,适合遥感图像以及大容量图像的保密存储和网络传输。