基于Logistic和统一混沌系统的彩色图像加密方法

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一种新的基于混沌的彩色图像加密方案

收稿日期：2012-05-27；修回日期：2012-07-04作者简介：谢涛（1983-），男，四川巴中人，实验师，硕士，主要研究方向为虚拟现实、图像处理（grabtiger@163．com ）．一种新的基于混沌的彩色图像加密方案谢涛1，何兴2（1．重庆师范大学计算机与信息科学学院，重庆401331；2．重庆大学计算机学院，重庆401331）摘要：利用耦合logistic 映射产生随机性很强的密钥流，结合R 、G 、B 三者的关系，设计了一种初始简单扩散—联合置乱—联合扩散的加密方法。

仿真结果表明，比单独对每个颜色分量实施加密，该方法具有更强的安全性。

关键词：图像加密；联合置乱；联合扩散；耦合logistic 映射中图分类号：TP391；TP309文献标志码：A文章编号：1001-3695（2013）01-0318-03doi ：10．3969/j．issn．1001-3695．2013．01．082New color image encryption scheme based on chaosXIE Tao 1，HE Xing 2（1．College of Computer ＆Information Science ，Chongqing Nomal University ，Chongqing 401331，China ；2．College of Computer Science ，Chongqing University ，Chongqing 401331，China ）Abstract ：This paper firstly used the coupled logistic map to generate random strong key stream ，and then designed a kind ofinitial simple diffusion-joint scrambling-combined diffusion method from the point of the relationships of components RGB．Thesimulation results indicate that this algorithm has stronger security compared with the independent encryption of each color component．Key words ：image encryption ；joint scrambling ；combined diffusion ；coupled logistic map （CLM ）0引言随着计算机网络技术的飞速发展，多媒体安全变得越来越重要。

基于Logistic混沌置乱的图像加密算法

2020.36科学技术创新基于Logi s t i c 混沌置乱的图像加密算法刘为超1刘义沛2(1、洛阳师范学院信息技术学院,河南洛阳4710002、重庆大学数学与统计学院2018级数学与应用数学,重庆400000)1概述数字图像媒体的特点:数据量大、数据冗余性强、相邻像素点相关性。

图像加密算法分为一时空域的加密算法;二频域的加密算法。

文献[1]进行改进提出二维像素字节位循环移位,国际同行称为TD CEA 算法,他们都是针对将原图像分割成8×8像素块内进行操作。

文献[1-3,24]也是基于bi t 位置乱研究的,文献[3]将M N 的原图像当作字节位级的M (8N )图像来操作,利用混沌置乱先进行行操作再列操作。

根据目前图像加密分析算法的研究成果,以上大多数属于原图矩阵和密图矩阵间的双单射加密算法,其致命缺陷便是,对密码分析方法中的差分攻击抵抗性能非常脆弱。

2算法研究基础提出了一种基于字节位置乱的改进算法,借鉴了结合明文或者密文产生密钥的自适应加密思想。

选择一个bi t 位平面做为模板,生成参数做为密钥由Logi s t i c 映射生成置乱序列并置乱模板bi t 位平面,然后由模板bi t 位平面分别和其它位平面进行异或计算。

由已经完成异或、置乱运算的上一个bi t 位平面的数值产生混沌参数,来置乱下一个bi t 位平面。

最后将完成异或、置乱操作的8个bi t 位平面合成加密图像。

仿真实验证明,算法具有操作运算简便而又不会降低加密安全性能的优点,是一种比较实用的图像加密算法。

混沌技术被广泛研究和应用,混沌映射是Li -Y or ke 给出的Logi s t i c 映射[8]。

Logi s t i c 映射公式:x n+1=λx n (1-x n )(1)其中x n ∈[0,1],λ∈[0,4]。

Fei genbaum 指出Logi s t i c 映射分岔点的参数值λm (m =1,2,3…)形成无穷序列,并有一个极限值λ'=3.569945672…。

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

基于Logistic映射的彩色图像加密算法设计实现

２１．密钥生成
本算法利用单向散列函数ＳＨＡ１
术的快速发展，数字多媒体信息通信
逐渐成为人们进行交流的重要手段，
来生成ＬＯｉｔｃ映射迭代初始值。ｇｓｉ
同时，数字信息的安全与保密也显得越来越重要。对于多媒体信息，尤其是图像信息，传统的加密技术不考虑
局和美国国家安全局设计的与ＤＳＳ
一
起使用的安全散列算法，并作为安
这些多媒体数据的特点，将其作为普
通数据流进行加密，因此，在某种程度上有一定的局限性。由于彩色图像数据量过大，在
全散列标准（ＨＳ的联邦信息处理标Ｓ）准（Ｐ）ＦＩＳ而公布，ＳＨＡｌＳ是ＨＡ的
２ＴｅＣｍｍａｄＣＨｇｆＡｒｄＰｌｅＦｒｅ．ｈｏｎｏｅｅｏｍｅｏｉｏｃ，Ｈａｂｎ，１０７，Ｒ．ｈｎ）ｃｒｉ５００Ｐ．Ｃｉａ
ＡｂｔａｔＴｈｃｌｒｍａｅｈｏｉｅｃｙｔｏａｇｒｈｓｐｐｏｏｅｓｒｃ：ｅｏｏｉｇｃａｔｃｎｒｐｉｎｌｏｉｍａｅｒｐｓｄ．ＦｒｑｅｃｄｍａｎｌｏｉｍｓｓｔｅｕｎｙｏｉａｇｒｈｕｅＨａｈｕｃｉａｄｏｉｉｈｏｉｔｓｆｎｔｏｎｎＬｇｓｃｔｃａｔｍａｓｃｐｃｎｕｉｇｍａｅｏｃｏｐｉｈｎｒｐｉｎ，Ｅｐｒｎｓｒｖｔａｔｅｌｏｉｍｓｐｅｓｔｂａｃｍｐｉｅａｄａｅｔｏｇｅｕｉｙ，ｄｃｙｔｏｏｆｓｉｇｔａｃｍｌｅｃｙｔｏｎｓｘｅｉｔｐｏｅｈｔｈａｇｒｈａｅａｙｏｅｃｏｌｈｄｎｈｖｓｒｎｓｃｒｍｅｔｓｔｅｒｐｉｎｉｇ ’ ｓｉｏｔｏｉｌｗ．ＴｅｅｌｒｈｈｖｇｏｎｒｐｉｅｆｃｔｃｌｉｇｍａｅｄｓｒｉｎｓｏｔｈｓａｇｏｉｍｓａｅｏｄｅｃｙｔｏｔｎｆｅｔｏｏｏｍａｅｒＫｅｗｏｄｙｒｓ：ＣａｓＦｅｕｎｙｄｍａｎ；Ｌｇｓｉｈｏ；ｒｑｅｃｏｉｏｉｃｔｍａｐ

基于混沌映射的彩色图像加密算法设计实现

对于需压缩的图像而言，由于置乱变换破坏了图像像素之间的相关性，会使压缩的效果变差。对
于ＪＥＰＧ彩色图像，其数据压缩算法是在频域进行的，们如果将频域加密算法与压缩算法结合进我行，不会增加太多的计算量。但对ＪＥ就ＰＧ而言，
２频域算法设计
２１是图像信息，传统的加密技术不考虑这些多媒体数据的特点，其作将
为普通数据流进行加密，因此在某种程度上有一定
的局限性。
本算法利用单向散列函数ＳＡ来生成ＬｇｓＨ１ｏｉ —
赵方舟。赵怀勋李
（中国人民武装警察部队工程学院。西安摘
双刘佳馨
］０７）５００
７０８（１０６）中国人民武装警察部队哈尔滨指挥学院哈尔滨
要算法使用Ｌｇｔｏｉｉｓｃ映射产生混沌序列。采用单向散列函数生成Ｌｇｔｏｉｉｓｃ映射的两个初始值，进行混沌迭代产
维普资讯
总第２１期２２００８年第３期
计算机与数字工程
Ｃｏｍｐｕｅｔｒ＆ＤｉｉｌＥｎｇｎｅｉｇｇｔａｉｅｒｎ
Ｖｏ．６Ｎ．１３ｏ３
８７
基于混沌映射的彩色图像加密算法设计实现
ｔ映射迭代初始值。Ｓ１函数是由美国国家标ｉｃＨＡ准和技术局和美国国家安全局设计的与ＤＳ一起Ｓ

基于Logistic映射和超混沌的自适应图像加密算法

射的像素置乱方法．然而，这些单纯基于低维混沌系统的算法，具有较为简单的形式和密钥空间，难以有
）；重庆邮电大学自然科学基金（）基金项目：重庆市教委科研基金（ＫＪ１００５０５Ａ２００９３１－
第１期
李玲，等：基于Ｌｏｉｓｔｉｃ映射和超混沌的自适应图像加密算法ｇ
收稿日期：２０１１－０６－０３；修回日期：２０１１－０７－０１
地关注基于混沌的加密算法．对于图像加密方法来说，混沌系统是ＳＤＥＳ等传统算法的有效替代选择．混沌系统作为一种非线性动力系统，具有诸如伪随机性、无周期性、对系统初值有高度的敏感性以及遍
４３
效地抵御穷举攻击等．超混沌系统是一种结构复杂的四维混沌系统，主要优点表现为：与低维混沌系统相比，其系统产生的序列随机性更高，系统参数更多，共有四个初值可以作为密钥，密钥空间更大．通过利用超混沌系统的优点，本文提出了一种基于一维Ｌｏｉｓｔｉｃ混沌映射ｇ该算法根据和超混沌的复合混沌图像加密新算法．图像的自身特征通过 “ 一次一密 ” 的方法对明文进行从而增加了密文的随机像素置乱和像素灰度置换，性以及密码分析人员的破解难度．仿真实验分析表明，该算法具有较高的安全性，可以有效地抵御穷举攻击、统计攻击以及选择明文攻击等．
１１１２，Ｌ，ＬＩＬｉｎＷｅｉｎａｎＩＪｉｎｉｅＪＩＡＮＧＪｉｎ－－ｇ，ＷＡＮＧｊ
（，，１ＣｏｌｌｅｅｏｆＭａｔｈｅｍａｔｉｃｓａｎｄＰｈｓｉｃｓＣｈｏｎｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔＰｏｓｔｓａｎｄＴｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｇｙｇｑｇｙ；，Ｃｈｏｎｉｎ４０００６５，Ｃｈｉｎａ２ＣｏｌｌｅｅｏｆＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｉｎｅｅｒｉｎｇｑｇｇｇｇ，）ＣｈｏｎｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔＰｏｓｔｓａｎｄＴｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓＣｈｏｎｉｎ４０００６５，Ｃｈｉｎａｇｑｇｙｇｑｇ：，ａＡｂｓｔｒａｃｔＩｎｏｒｄｅｒｔｏｔｈｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｉｍａｅｓｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｎｏｖｅｌｉｍａｅｅｎｃｒｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅｂａｓｅｄｏｎｒｏｔｅｃｔｇｙｇｙｐｐＬｏｉｓｔｉｃｍａａｎｄｈｅｒｃｈａｏｓｓｓｔｅｍｉｓｒｏｏｓｅｄｉｎｔｈｉｓａｅｒ．Ｔｈｅｅｎｃｒｔｉｏｎｓｓｔｅｍｅｍｌｏｓｔｈｅｃｈａｏｔｉｃｓｅｕｅｎｃｅ－ｇｐｙｐｙｐｐｐｐｙｐｙｐｙｑｏｆＬｏｉｓｔｉｃｍａｃｏｍｂｉｎｉｎｈｅｒｃｈａｏｓｔｏｓｃｒａｍｂｌｅｔｈｅｍａｔｒｉｘａｎｄｍａｋｅｌｅｖｅｌｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｘｅｌｒａ－－ｇｐｇｙｐｐｇｙ，，ｅｘｅｒｉｍｅｎｔａｎｄｓｅｃｕｒｉｔａｎａｌｓｉｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｕｅｓｔｅｄａｌｏｒｉｔｈｍｉｓｏｆｈｉｈｓｅｃｕｒｉｔａｌａｒｅｋｅｓａｃｅａｎｄｐｙｙｇｇｇｇｙｇｙｐ， ’ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｈｉｈｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｔｏｓｅｃｒｅｔｋｅｓ．Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅｉｔａｃｈｉｅｖｅｓｔｈｅａｉｍｏｆ‘ ｏｎｅｔｉｍｅｏｎｅｋｅａｎｄｃａｎｄｅｆｅｎｄｙｇｙｙｙ，ｅｘｈａｕｓｔｉｖｅａｔｔａｃｋｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌａｔｔａｃｋａｎｄｃｈｏｓｅｎｌａｉｎｔｅｘｔａｔｔａｃｋ．－ｐ：；；Ｋｅｗｏｒｄｓｌｏｉｓｔｉｃｍａｈｅｒｃｈａｏｓｓｓｔｅｍ；ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌａｔｔａｃｋｃｈｏｓｅｎｌａｉｎｔｅｘｔａｔｔａｃｋ－－ｐｇｐｙｐｙｙ

一种改进的多混沌系统彩色数字图像加密方案

一种改进的多混沌系统彩色数字图像加密方案赵文金【摘要】提出一种改进的基于Logistic映射和Lorenz映射相结合的彩色图像加密方法。

将三维空间的彩色图像转换成二维的灰度图像,分别利用Logistic、Lorenz混沌系统生成的混沌序列对二维图像进行像素位置与像素值的置乱,对置乱后的图像按折叠算法进行处理。

Matlab仿真实验结果可知,转换成二维灰度图像后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（R、G、B）亮度值的完全混合,取得了较好的加密效果,安全性更高。

%An improved color image encryption scheme based on the combination of Logistic map and Lorenz system is given in this paper.The color image in 3-dimensional space is turned into the gray image in 2-dimensional space,and then the chaotic sequences generated by Logistic and Lorenz chaotic system are used to scramble the pixel position and pixel values in 2-Dimensional image respectively.The disordered image can be handled by folding algorithm.From the results of Matlab simulation,the strength of calculation and space requirement to the algorithm are descended after converting into 2-Dimensional gray-scale images.Different levels of（R,G,B）luminance values have been completely mixed in scrambling,thus achieving better encryption effects and high security.【期刊名称】《扬州职业大学学报》【年(卷),期】2012(016)001【总页数】5页(P6-10)【关键词】混沌;彩色图像;加密;Logistic映射;Lorenz系统;Matlab仿真【作者】赵文金【作者单位】扬州职业大学,江苏扬州225009【正文语种】中文【中图分类】TP309.7混沌现象是非线性确定性系统中的一种类似随机的过程，把两个十分相近的初值带入同一个混沌系统进行迭代运算，经过一定阶段的运算后，数值序列变得毫不相关。

基于Logistic混沌系统的图像加密算法研究

优先出版计算机应用研究第32卷--------------------------------基金项目：陕西省科技计划项目(2012JM8031)；陕西省教育厅科学研究项目(2013JK0569)；渭南市科技计划项目(2011YKJ-2)；渭南师范学院科学研究项目(13YKP016)；渭南师范学院大学生创新训练项目(201210723022)作者简介：张永红(1976-)，男，陕西合阳人，副教授，硕士，主要研究方向计算机图形学及图像处理；张博(1971-)，陕西长安人，男，副教授，博士，主要研究方向数字图像处理．基于Logistic 混沌系统的图像加密算法研究 *张永红1，张博2(1．渭南师范学院数学与信息科学学院，陕西渭南 714000；2．西北大学数学学院，西安 710069)摘要：给出了一种基于Logistic 混沌系统的快速数字图像加密算法。

首先通过给定的密钥序列生成混沌系统的初值，由此初值生成混沌矩阵；然后，利用此混沌矩阵与原图像进行按位异或运算得到中间过渡图像；最后再对中间过渡图像做混沌置乱运算和混沌块置乱操作。

该算法的优点是不论融合还是置乱均是利用混沌序列进行操作。

实验数据表明，该算法简单易行，加密与恢复效果良好，具有较好的安全性。

关键词：数字图像；加密；混沌映射；相关系数；统计分析中图分类号：TP391.41 文献标志码：AAlgorithm of image encrypting based on logistic chaotic systemZHANG Yong-hong 1, ZHANG Bo 2(1. College of Mathematics & Information Science, Weinan Normal University, Shanxi Weinan 714000; 2. College ofMathematics Northwest University, Xi ’an 710069)Abstract: Chaos-based encryption appeared recently in the early 1990s as an original application of nonlinear dynamics in the chaotic regime. In this paper, we propose an implementation of digital image encryption scheme based on the Logistic Chaotic System in order to meet the requirements of secure image transfer. In the digital image encryption algorithm, an external secret key of 256-bit is employed to generate the initial condition. The initial condition for the Logistic maps is derived using this external secret key by providing weighting to all its bits. The initial conditions application external secret key of chaotic maps shows advantage so large key space and high-level security. The algorithm has the advantage of both convergence and scrambling were operated using the chaos sequence. The results of several experimental, statistical analysis and key sensitivity tests show that the proposed image encryption scheme provides an efficient and secure way for real-time image encryption and transmission.Key Words: digital image; encryption; chaos map; correlation coefficient; statistical analysis0 引言随着互联网络的飞速发展与普及，数字图像、音频或视频作为最为重要的信息载体已越来越多地在网上传输、交流，因此，信息的安全与保密工作就显得尤为重要。

基于混沌系统的图像加密算法研究

基于混沌系统的图像加密算法研究基于混沌系统的图像加密算法研究1.引言随着信息技术的快速发展，图像的加密与安全保护成为了一个重要的研究领域。

传统的加密算法在应对大数据和高效加密的需求时面临一定的挑战。

而混沌系统作为一种复杂且具有随机性的动力学系统，特别适合应用于图像加密领域。

本文旨在探讨基于混沌系统的图像加密算法，并研究其加密效果和性能。

2.混沌系统及其特点混沌系统是一类非线性动力学系统，具有高度敏感性和无周期性的行为，其数学特性决定了其在加密领域具有很高的应用潜力。

混沌系统有许多种类，如Logistic映射、Henon映射和Lorenz系统等，本文以Logistic映射为例进行讨论。

Logistic映射的数学表达式为：x(n+1) = λx(n)(1-x(n))其中，x(n)为第n次迭代后的值，λ为控制参数。

Logistic映射在不同的参数范围内可以表现出丰富的动力学行为，包括周期轨道、混沌轨道以及在吸引子的分岔等特征。

这使得其成为一种理想的加密工具。

3.基于混沌系统的图像加密算法设计与实现图像加密算法主要包括两个过程：加密过程和解密过程。

在加密过程中，首先需要对原始图像进行像素混淆，然后再对混淆后的图像进行像素扰动。

其具体步骤如下：（1）选择合适的控制参数。

不同的参数选择会导致不同的混沌效果，为了提高加密强度，选择适当的参数十分重要。

（2）初始化混沌系统。

选择一个合适的初始值，用于启动混沌系统，并进行一定次数的迭代，以消除系统的初始状态对后续加密过程的影响。

（3）像素混淆。

将原始图像的像素值与混沌序列进行异或运算，改变像素值的分布情况，使得原始图像的结构难以被察觉。

（4）像素扰动。

将混淆后的图像的像素值与混沌序列再次进行异或运算，进一步改变图像中像素值的位置，增加加密强度。

（5）产生密钥。

将加密过程中使用的混沌序列作为密钥保存，以便后续的解密过程使用。

解密过程与加密过程相似，仅需要将混淆与扰动的过程反向进行即可。

基于混沌系统的彩色图像加密新方案

ａｅｕｅｏｈｆｅｔｅｏｉｏｓｆｉｇｉｅｓｒｏｒｓｄｔｓｕｌｈｐｓｔｎｏｍａｅｐｘｌｉｆｍｒｗａｄｃｌｍｎｅａａｅｙＴｅｈｆｅｉｇｉｎｒｐｅａｄｅ — ｏｎｏｕｓｐｒｔｌ．ｈｓｕｌｄｍａｅｓｅｃｙｔｄ，ｎｎ
ＣｏｌｇｆＩｆｒｔｎＥｎｉｅｒｇ，ａｇｈｕＵｎｖｒｉＹａｇｈｕ，ｉｎｓ２０９，ｉａｌｅｏｎｏｍａｉｇｎｅｎＹｎｚｏｉｅｓｙ，ｎｚｏＪａｇｕ２５０Ｃｈｎｅｏｉｔ
好，全性更高安
关键词：沌系统；色图像；密混彩加
Ｄ：０７８．ｓ．０２８３．１．．７文章编号：０２８３（０１０．０００文献标识码：ＯＩ１．７／ｉｎ１０．３１０１３０３ｊｓ２０２１０．３ｌ２１）３０９ —４Ａ中图分类号：Ｐ０．Ｔ３９７
ｓａｅｏｅｖｒｉｈｓｇｏｆｃｎｉｈｓｃｒｈｏｇｈｆｉｇｉｇｉｅｆｄｆｒｎｅｅ（Ｇ，．ｐｃ．ｒｏｅ，ａｏｄｅｅｔａｄｈｇｅｕｉｔｒｕｈｓｕｎｍａｅｐｘｌｏｉｅｅｔｌｌＲ，）Ｍｔｙｔｌｓｖｓ
Ｅ－ｉ：ｙｍａｌｌ
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２００＠１３ｔｍ２５１６．ｏ
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基于Logistic和统一混沌系统的彩色图像加密方法

基于Logistic和统一混沌系统的彩色图像加密方法
张志锋;赵进超
【期刊名称】《华中师范大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2015(049)003
【摘要】为了增强彩色图像的加密效果,论文提出一种基于Logistic和统一混沌系统的彩色图像加密方法.该方法首先由Logistic系统生成128位Hash值以便在行、列全局位置置乱中确定各行和各列的交换次序,然后使用统一混沌系统的x、y和z
序列分别对三基色图像像素进行逐点替代加密.仿真实验结果及其分析表明,该方法
不仅实现简单,安全性强,具有良好的像素值混淆、扩散性能和较大抵抗强力攻击的
密钥空间,而且加密图像像素值具有类随机均匀分布特性且相邻像素的值具有零相
关特性.
【总页数】5页(P352-356)
【作者】张志锋;赵进超
【作者单位】郑州轻工业学院软件学院,郑州450002;郑州轻工业学院计算机与通
信工程学院,郑州450002
【正文语种】中文
【中图分类】TP391
【相关文献】
1.一种基于Logistic与Henon混沌系统的彩色图像加密方法 [J], 陈翎;潘中良
2.基于多混沌系统的彩色图像加密方法 [J], 蒋君莉;张雪锋
3.基于logistic混沌序列的彩色图像加密方法 [J], 陈国亮;杨凌;张海桥
4.基于高维混沌系统的JPEG彩色图像加密方法 [J], 陈景柱;鲍玉斌
5.基于广义logistic混沌系统的快速图像加密方法 [J], 楚春阳;高瑜翔;谢建峰因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

一种基于Logistic与Henon混沌系统的彩色图像加密方法

映射和Ｈｅｏｎｎ混沌映射进行结合，设计了一种基于混沌的图
在Ｈｅｏｎｎ映射中，含有两个参数ａ和ｂ可以取一个参数，
为常数，另一个参数作为变量进行迭代，把这样可以得到类似于Ｌｇｔｏｉｉｓｃ映射的分岔，也是经历了一系列的倍周期分岔而达
近年来，随着网络通信技术特别是Ｉｔｒｅ的快速发展，ｎｅｔｎ
信息安全正越来越受到普遍关注。例如对数字图像而言，在传
沌具有各态历经的遍历性，混沌系统可以在特定范围内，自按身规律不重复地遍历所有状态。
ｏｉｔＬｇｓｃ映射是一个典型的非线性混沌方程，它起源于一ｉ
而在长期内却不可预测，因此与确定解和随机解都不同。混沌有着自己独有的遍历性、有界性、内随机性和普适性等特征。例如混沌具有对初值的敏感依赖性，只要初始条件稍有差别或有微小的扰动，就会使系统的最终状态出现很大的差异；混
一。将１９＋，０，．３１０作为Ｈｎｎｅｏ
收稿日期：０００ — ９２１－１０基金项目：广东省自然科学基金资助项目（０５３）广东省教育部产学研结合资助项目（９３０３）７０８３；０００３９。作者简介：翎（９８）女，陈１６～，四川成都人，工程师，研究方向：电路与系统；中良（９６）男，潘１６一，重庆市人，教授，士，博研究方向：电路与系统。

基于统一超混沌系统的彩色图像加密算法研究

Value Engineering0引言随着互联网的迅猛发展，大量的数字图像信息通过网络进行传输，数字图像的安全性问题逐渐引起了人们的关注。

混沌系统由于其优良特性，已被引入至密码学领域。

自英国数学家Matthews 提出混沌加密的思想以来[1]，现已提出了多种混沌图像加密算法，主要为图像位置置乱[2，3]、图像像素扩散[4]，以及位置置乱与像素扩散相结合[5]的三大类图像加密算法，但研究发现现有算法还有待提高：采用的混沌系统维数较低而造成的安全性欠缺、难以抵抗恶意穷举攻击；图像位置置乱与像素扩散两个过程完全独立，没有相互耦合嵌套；现有的位置置乱与像素扩散过程通常仅依赖混沌信号，没有建立与原始图像特征值的关联，从而导致混沌图像加密算法有待进一步深入研究。

本文利用混沌信号的优良性能，研究提出了一种新的彩色图像混沌加密算法，通过算法测试和性能分析发现，所提算法在直方图、密钥空间、密钥敏感性和相关性方面具有较强的保密性。

1彩色图像混沌加密算法1.1算法概述算法采用图像位置置乱（图像像素抽取、填放）与像素扩散相互嵌套的结构：首先将原始图像分解为R 、G 、B 三基色；然后利用外部加密密钥以及原始图像的特征值，根据自定义抽取规则进行数据抽取（置乱），分别得到R 、G 、B 基色像素序列；随后建立原始图像（内部密钥）与系统初值的关系，利用超混沌系统产生混沌信号，进行像素扩散运算；再将扩散后图像R 、G 、B 基色的像素值，根据自定义填放规则进行数据填放（置乱），得到三基色像素矩阵；最后将R 、G 、B 基色像素矩阵组合得到密文图像。

1.2统一超混沌系统统一混沌系统是Lorenz 系统、Chen ’s 系统和L ü系统的统一体，同时引入非线性控制器x 4和非线性时滞项函数，得到一个新型的统一超混沌系统，以产生混沌加密密钥流，其形式表示如式（1）：（1）其中a ，b ，c 和τ是系统参数，当a=0.9，b=0.3，c=3.1，τ=0.01时，系统具有混沌特性，其混沌吸引子见图1。

基于混沌序列的彩色图像量子加密方案

以 n = 256ω = 20μ = 4a = 0.3x(0) = 0.32 为
例，四种混沌映射序列如图 1 所示。
中，该图像可描述为下式。
I(θ) = 1n
2
22n - 1
åk
k=0
⊗ (cos θ k 0 + sin θ k 1 ) （1）
(c kR ´ 216 + cGk ´ 28 + c kB) π
3.2
图像，根据 FRQI 描述，R、G、B 三通道的颜色值只需
1 个量子比特描述。以一幅 2n ´ 2n 的彩色图像为
例，描述整幅图像只需要 2n + 1 个量子比特。
4.1
量子图像的制备
为便于描述 I(θ) 的准备过程，下面给出量子
logistic 映射
Logistic 映射是研究动力系统、混沌、分形等复
一个二维混沌映射，其广泛运用在混沌加密系统
中，在混沌扩频码的产生、混沌加密系统构造和混
(
H = 1 1 1
2 1 - 1
æ cos θ k - sin θ k ö
R k (θ k ) = ç
÷
è sin θ k cos θ k ø
口模型，是在一定地域范围内，统计昆虫数目时得
x(n + 1) = μ x(n)(1 - x(n))
x(n + 1) = f [x(n)] = cos{ω arccos[x(n)]}
彩色图像的量子加密方案
对于三基色颜色值范围 {01 255} 的彩色
（3）
其中整数 ω 为模型的阶数，只有当 ω ³ 2 时，
模型呈现混沌序列，其值 -1 < x(n) < 1 。若取 0 为阈

基于l-k双混沌系统的彩色位级图像加密算法

ＡｂｓｔｒａｃｔＡｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｌｉｍｉｔｅｄｐｒｅｃｉｓｉｏｎａｎｄｌｏｗｓｅｃｕｒｉｔｙｏｆｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ，ｗｅｐｒｏｐｏｓｅａｎｅｗｃｏｌｏｒｉｍａｇｅｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍ．ＴｈｅｃｈａｏｔｉｃｓｅｑｕｅｎｃｅｇｅｎｅｒａｔｅｄｂｙｔｈｅＬｉｕｃｈａｏｔｉｃｓｙｓｔｅｍｗａｓｕｓｅｄｔｏｓｃｒａｍｂｌｅｔｈｅｌｏｗｅｒｆｉｖｅｂｉｔｓｏｆｔｈｅｔｈｒｅｅｌａｙｅｒｓｏｆｔｈｅｃｏｌｏｒｉｍａｇｅＲ，Ｇ，ａｎｄＢ，ａｎｄｔｈｅｎＡｒｎｏｌｄｗａｓｓｃｒａｍｂｌｅｄｆｏｒｔｈｅｕｐｐｅｒｔｈｒｅｅｂｉｔｓ．Ｔｈｅｎｗｅａｄｏｐｔｅｄａｎａｄａｐｔｉｖｅｍｅｔｈｏｄｔｏｐｅｒｆｏｒｍｄｉｆｆｕｓｉｏｎ，ａｎｄｃｙｃｌｅｄｔｈｅＲ，ＧａｎｄＢｃｉｐｈｅｒｔｅｘｔｉｍａｇｅｓｔｏｏｂｔａｉｎｔｈｅｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙｃｉｐｈｅｒｔｅｘｔｉｍａｇｅｓ．Ｆｉｎａｌｌｙ，Ｈｉｌｂｅｒｔｓｃｒａｍｂｌｉｎｇｗａｓｐｅｒｆｏｒｍｅｄｂｙｃｏｍｂｉｎｉｎｇｐｉｘｅｌｌｅｖｅｌｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ，ａｎｄｔｈｅＫａｗａｋａｍｉｈｙｐｅｒｃｈａｏｓｗａｓｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｉｍａｇｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｆｏｒｆｒａｃｔａｌｄｉｆｆｕｓｉｏｎｔｏｏｂｔａｉｎｔｈｅｆｉｎａｌｃｉｐｈｅｒｔｅｘｔｉｍａｇｅ．ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅＮＰＣＲａｎｄＵＡＣＩｏｆｔｈｅａｌｇｏｒｉｔｈｍｒｅａｃｈ９９．７８％ａｎｄ３３．３７％，ａｎｄｔｈｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｅｎｔｒｏｐｙｉｓ７．９９７０，ａｎｄｉｔｓｓｅｃｕｒｉｔｙｉｓｖｅｒｙｈｉｇｈ．
的比特级量子彩色图像加密方案。针对传统加密算法精度有限、安全性不高、加密空

基于改进的Logistic混沌映射彩色图像加密算法

基于改进的Logistic混沌映射彩色图像加密算法黄硕【摘要】针对彩色图像加密算法需满足加密速度快、Kerckhoff原则、密钥空间大、解密保真度高这4个基本要求，提出了一种改进的具有较大密钥空间的Logistic混沌映射来产生混沌密码序列并在序列异或加密算法上进行改进，通过实验仿真，从直方图、加密效果评价参数、抗剪裁、抗噪声、相关性、密钥空间大小等方面进行了加密效果分析，结果表明该算法可以实现快速地对图像数据流进行实时加解密。

%In order to satisfy the color image encryption algorithms′four basic requirements which are the encryption speed,Kerck-hoff principle,large key space,and high fidelity of decryption,this paper proposes an improved and large-key-space-having Logistic chaotic map,which can generate the chaotic password sequences. Meanwhile,this paper presents an improved sequence and XOR en-cryption algorithm,fulfills the experimental simulations,and analyzes the encryption effects through the histogram,the encryption effect evaluation parameters,the performances of cutting-resistant and noise-resistant,correlation,and the size of the key space,re-spectively. The experiment results show that the proposed algorithm can realize the real-time encryption and decryption of color image stream quickly.【期刊名称】《河南工程学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(000)002【总页数】5页(P63-67)【关键词】彩色图像;加密算法;Logistic混沌映射;异或;加密效果【作者】黄硕【作者单位】信阳职业技术学院数学与计算机学院，河南信阳464000【正文语种】中文【中图分类】TP339图像加密是保护图像安全的一种直接有效的手段，众多学者对图像加密技术做了大量研究并取得了丰富的成果，如基于现代密码体制的图像加密、基于矩阵变换的图像加密、基于混沌的图像加密、基于分存的图像加密、基于频域的图像加密、基于SCAN语言的图像加密和基于DNA计算的图像加密等[1].针对彩色图像加密设计，需要考虑以下四点基本要求：加解密速度快、Kerckhoff原则、密钥空间大、解密保真度高.根据这四点基本要求，在不需要压缩加密的前提下，应该尽量选择在RGB色彩模型空间或空域上进行，并综合考虑运行速度、抗攻击能力、密钥空间大小、抗噪声及抗剪裁能力等因素来设计加解密算法.因此，针对密钥情况提出了一种改进的、具有较大密钥空间的Logistic混沌映射来产生混沌密码序列；针对加密算法在序列异或加密算法上进行改进，以避免单纯异或加密的缺点，同时又保留了加解密速度快的优点；针对加密效果，通过实验仿真，并从直方图、加密效果评价参数、抗剪裁、抗噪声、相关性、密钥空间大小等方面进行了深入分析.Logistic映射方程来自现实中的人口统计，是典型的非线性用来描述混沌状态的方程,能够简单地表现混沌运动的一般特征.传统单一性的Logistic算法过程如下：① 挑选恰当的Logistic方程生成密钥序列的算法；② 输入作为加解密初始密钥的初值；③ 从目前所处的轨迹启动迭代程序；④ 形成混沌运动的实数序列，将这些序列转化为方便处理的二进制序列；⑤ 将其中某部分的明/密文选为带加/解密明文；⑥ 用异或运算来处理所得到的二进制序列与当前的待加密明文/待解密密文，结果为密/明文序列；⑦ 将目前运算的行踪作为下一次加/解密的初始密钥；⑧ 对加/解密是否完成进行判断,没有完成则返回到第③步；⑨ 加/解密完成.传统的Logistic加密算法方便快捷、便于实现，并且由于混沌系统本身对初值比较敏感，又有随机性，这使得传统的Logistic算法具有一定的安全性.但是，传统的Logistic算法缺点也非常明显，主要有以下几点：(1) 通过试验总结出来的混沌序列的周期、伪随机性和复杂性，很难保证这些参数都足够高；(2) 为了保证一样的周期，混沌函数内部所使用的存储器数目是寄存器的两倍；(3) 混沌序列发生器使用的是有限精度器，有限的精度是实际应用混沌序列的一大障碍.其中，缺陷(3)非常突出，故基于此对传统的Logistic系统进行了改进.Logistic映射是用得最广的一种混沌系统，其定义如下：其中，0<μ≤4称为分支参数，xk∈(0,1)，当3.569 946<μ≤4时，Logistic映射处于混沌状态，也就是说初始条件x0在Logistic映射的作用下所产生的序列{xk}是非周期性的、不收敛的并对初始值非常敏感.因此，若仅仅用以上一维Logistic混沌映射来产生混沌密码序列已不够安全，极易暴露混沌系统的相关信息.为了提高系统的混沌程度，张靓[2]提出了一种改进的二维Logistic混沌映射，如下式所示:当3．81≤u≤3．815时，其最大Lyapunov指数在2.2左右，该映射处于混沌状态.但是，根据Kerckhoff原则，要求密钥空间尽可能大，为了增大式(2)Logistic 混沌映射的混沌度，结合Chebychev混沌映射，如下式所示:对式(2)所示的Logistic混沌映射的参数μ进行扰动，即μ不再是一个定值，而是随Chebychev混沌映射的值而动态地变化.当参数k=6时，Chebychev系统的Lyapunov指数为1.791 733…，映射处于混沌状态且zn∈[-1 1].由此,可构造新的参数μ的表达式，如下式所示：从而,式(2)变成了式(5)，即为本算法所提出的改进的Logistic混沌映射：通过Matlab编程，当x0=0.345 678,y0=0.578 993,z0=0.234 567时，式(5)在迭代1 000次后的三维散点图如图1所示.在迭代100万次后，统计得到xn,yn,zn的值域(只显示16位有效数字)分别如下：同时，通过Matlab中的tabulate函数对xn,yn,zn进行了频数统计，发现每一个值都只出现了1次，表明所提出的Logistic混沌映射系统能产生较高随机性的3组混沌序列.针对一幅M×N的24位真彩色图像，共有M×N个像素和M×N×3个灰度值.鉴于图像异或加密的简单性与快速性，将其进行改进，提出一种新的加解密算法，整体流程如图2所示.加密步骤如下：(1)输入密钥x0,y0,z0和I，其中x0,y0,z0分别为式(5)所示混沌映射的初始值，I为混沌序列的初始迭代次数.然后,产生两组长度为M×N×3的一维混沌密码序列SX和SY，其产生方式如下式所示:其中，i∈[1M×N×3]，xi和yi分别为式(5)在迭代I+i次后的值.(2)对原图像的数据序列进行先异或运算再求和求余运算，其加密公式如下式所示: 其中，Pi表示彩色图像每个像素的R或G或B分量的值，为加密后的值.解密算法是加密的逆过程，具体步骤如下：(1)与加密过程一样，由式(5)和式(6)产生两组长度为M×N×3的一维混沌密码序列SX,SY;(2)对加密图像的数据序列进行先求和求余运算再异或运算，其解密公式如下式所示，最后得到解密图像:式(8)也可以写成式(9)的形式:以大小为256×256个灰度级、24位真彩色的Lina图像(如图3(a)所示)为实验对象，设定初始密钥值为x0=0.345 678,y0=0.578 993,z0=0.234 567,I=222，加密效果如图3(b)所示，正常解密图像如图3(c)所示，当改变密钥x0=0.345 678 1时的解密图像如图3(d)所示.可以看出,加密图像在直观上已经变得杂乱无章，即使微小改动初始密钥值，也不能获得原图像的任何信息，体现了该加密算法对密钥有较强的敏感性.原图像和加密图像的直方图分别如图4(a)和4(b)所示.可以看出,加密后的直方图变得非常均匀，图像的像素变化大，通过直方图信息来破解图像将会变得非常困难. 图像加密效果的评价是在原始图像与加密后的图像之间进行的.设原始图像为O，加密后的图像为E，则O(i)和E(i)分别代表各自数组中第i个元素代表的亮度值，数组的长度为n.(1)信息熵:其中，p(xi)表示符号集中符号xi在消息中出现的概率，l表示灰度等级数，也表示符号的个数，本系统中l为256个，即为0~255.显然，信息X的不确定性越大，信息熵越高.当所有变量出现的概率都相同时，信息熵最大，本系统中的最大信息熵为log2256=8.(2)灰度平均变化值:当两个图像的灰度产生均匀变化时，图像置乱的效果是最好的，并且越均匀安全性越高，最好的情况应该是图像灰度平均变化值为128.(3)图像相似度:若原图像与加密图像完全相同，则其相似度为1，即完全相似.对于加密图像来说，与原图像的相似度越小，安全性就越高.以蓝色分量为例，对加密前后图像的信息熵、灰度平均变化值和图像相似度进行了统计，如表1所示.可以看出，加密后图像的信息熵大大增加，加密前后的相似度也较小，表明加密效果较好.由于算法没有涉及像素间的置乱操作，故灰度变化值不是特别大.对加密后的图像(如图3(b)所示)进行1/8剪裁，如图5(a)所示，然后进行解密操作，得到解密后的图像,如图5(b)所示.可以看出,剪裁部分对未被剪裁部分图像的解密没有任何影响，表明该算法抗剪裁能力较强.对加密后的图像如图3(b)所示，每个像素的RGB分量都增加0~20的随机值，当值超过255时以255代替，然后进行解密操作，得到解密后的图像如图6所示.可以看出,解密后的图像基本能恢复原图像的信息，但存在部分失真，这表明该算法具有一定的抗随机噪声能力.(1)在改进的方法中，对μ进行扰动，使它不再是一个定值,这样增大了密钥空间并提高了Logistic的混沌度，使得混沌系统的相关信息不易被暴露，提高了安全度；(2)经过改进之后，对xn,yn,zn进行处理，在统计过程中每个值都出现了一次，这说明在迭代的过程中，没有出现同样的xn,yn,zn，这解决了单纯的Logistic映射的有限精度所导致的周期循环问题；(3)彩色图像加密算法设计应考虑以下四点基本要求：加解密速度快、Kerckhoff原则、密钥空间大、解密保真度高.对传统的算法和改进后的算法做一些随机性的比较，结果见表2.(1)为了抵抗解密图像的破解攻击，需在保证加密运算速度和低资源消耗的前提下，尽量增大系统的密钥空间.因此，结合Chebychev混沌映射的值域为[-1，1]的特性，设计算法对二维Logistic混沌系统的参数μ进行迭代变化，大大增加了密钥空间.该算法在序列异或加密算法上进行了改进，改进后的算法非常简单，可以对图像数据流快速地实时加解密.(2)彩色图像加密算法设计时应考虑以下四点基本要求：加解密速度快、Kerckhoff 原则、密钥空间大、解密保真度高.在不需要压缩加密的前提下，应该尽量选择在RGB色彩模型空间或空域上进行，并且要综合考虑运行速度、抗攻击能力、密钥空间大小、抗噪声及抗剪裁能力等因素.[1] 张晓强,王蒙蒙,朱贵良,等.图像加密算法研究新进展[J].计算机工程与科学,2012,34(5):1-6.[2] 张靓.混沌伪随机序列发生器设计及应用[D].哈尔滨:黑龙江大学,2008.Key words:color image; encryption algorithm; Logistic chaotic map; XOR; encryption effect。

基于混沌系统和DNA编码的彩色图像加密算法研究

基于混沌系统和DNA编码的彩色图像加密算法研究基于混沌系统和DNA编码的彩色图像加密算法研究摘要：随着信息技术的发展，图像加密算法在信息安全领域中越来越重要。

本文针对彩色图像加密，提出了一种基于混沌系统和DNA编码的新型加密算法，以提高图像的保密性和安全性。

首先，通过引入混沌系统来生成随机的扰动序列，并通过DNA编码对图像像素进行变换和重排，增加了加密算法的不可预测性。

然后，采用扩散和混淆的策略，对图像进行分组和混合操作，进一步增强了算法的加密强度。

实验结果表明，所提出的算法能够有效保护彩色图像的机密性和完整性。

关键词：彩色图像加密；混沌系统；DNA编码；扩散；混淆引言随着信息技术的飞速发展，网络通信和数字媒体技术得到广泛应用，图像数据的传输和存储变得越来越容易。

然而，图像数据的敏感性和机密性在信息交换和存储过程中也变得越来越重要。

因此，图像加密技术成为了信息安全领域中的热点研究方向之一。

目前，已经有许多图像加密算法被提出，其中包括基于混沌系统、遗传算法、人工神经网络等各种方法。

然而，这些算法多数针对灰度图像进行加密，并且存在加密强度不足以及加密效果不理想等问题。

因此，本文通过结合混沌系统和DNA编码，提出了一种基于混沌系统和DNA编码的彩色图像加密算法。

1. 混沌系统的引入混沌系统具有高度敏感依赖初值和参数的不可预测性，因此被广泛应用于密码学领域。

本文选择了混沌系统中的Logistic映射作为初值，通过迭代得到无法预测的随机数列。

将得到的随机数与原始图像像素进行异或运算，实现基本的图像扰动操作。

2. DNA编码的应用DNA编码作为一种强大的编码方式，具有高度的可靠性和安全性。

本文将混沌系统生成的随机序列作为DNA编码的输入，对图像像素进行DNA编码。

具体操作为，根据混沌系统生成的随机序列将图像像素值进行映射和变换，然后按照DNA编码的规则对像素值进行重排。

这种操作增加了加密算法的不可预测性，增强了图像的加密强度。