基于多维混沌系统的图像加密技术研究
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
射， Ｂ ａ ｋ ｅ ｒ 映射 等 ． ２ ）图像 的像 素值 一 般会 发生 变化 ． 可 以根 据 图像 的统计 直方 图来 进行 判别 ． 通 常情 况 下， 加 密 图像 的直 方 图看 上去 更加 匀称 ． ３ ）图像进 行加 密后 各相 邻像 素 点之 间 的相关 系数 会 变小 ． 我 们
阻止第三方对信息 的窃取． 图像加密属 于密码学范畴 ， 加 密者应用加密秘钥和一些变换 函数对 图像置 乱， 使原始图像中的像素位置 ， 或者像素值都产生大的转变 ， 让人们不能识别出真实的图像信息． 加密图 像 通 常有 以下 几个 特 征 Ｊ ： １ ）图像 各 像 素 点 的 位 置 进 行 转 移 变 换 ． 常 用 的置 乱 方 法 很 多 ， 比如 ｃ ａ ｔ 映
第１ ４卷第 １ 期 ２ ０ １ ５年 ３月
淮 阴师范学院学报 （ 自然科学 版）
Ｊ ＯＵ Ｒ Ｎ Ａ Ｌ Ｏ Ｆ ＨＵ Ａ Ｉ ＹＩ Ｎ Ｔ Ｅ Ａ Ｃ ＨＥ ＲＳ Ｃ Ｏ Ｌ Ｌ Ｅ Ｇ Ｅ（ Ｎ Ａ Ｔ Ｕ Ｒ Ａ Ｌ Ｓ Ｃ Ｉ Ｅ ＮＣ Ｅ Ｅ Ｄ Ｉ Ｔ Ｉ Ｏ Ｎ）
Ｖｏ１ ．１ ４ Ｎｏ ．１ Ｍａ ｒ ．２ ０１ ５
基 于 多维 混沌 系统 的 图 像 加 密技 术 研 究
武 剀 ，赵 国敏 ，李 国东
（ 新疆 财经大学 应用数学学 院 ， 新疆 乌鲁木 齐 ８ ３ ０ ０ １ ２ ）
摘
要： 利 用 细胞 神 经 网络 ， 提 出 了一种 基 于六 维细胞 神 经 网络 混沌 系统 的加 密算 法． 由六维
１ 细 胞 神 经 网络 混沌 系 统
细胞 神经 网络 最 先 由 Ｃ ｈ ｕ ａ和 Ｙ ａ ｎ ｇ在 １ ９ ８ ８年提 出 （ Ｃ ｅ ｌ ｌ ｕ ｌ ａ ｒ Ｎ ｅ ｕ ｒ ａ ｌ Ｎ ｅ ｔ ｗ ｏ ｒ ｋ ， 简称 Ｃ Ｎ Ｎ） ， 它 的基 本
单位是细胞 ， 是一种局部互连 的神经网络系统 挖 ． 一个
Ｏ 引 言
密码 学有 着 悠久 的历 史 ， 起初 只 是 作 为 军 事方 面 的一 项 研 究 技 术 ， 后 来 随 着 计 算 机技 术 的迅 猛 发 展， 被 广 泛用 于 民 间 社 会 ， 并 兴起 了商用 密 码学 的热潮． Ｓ ｈ ａ ｎ ｎ ｏ ｎ曾 经 发 表 的著 作 “ 保 密 的 通 信 理 论” ｌ ｌ 引， 引 领 了密码 学 的发展 方 向． 密 码 学 主要 钻 研 秘 密 通 信 ， 经 由某 种 映射 对 传 输 信 息 加 以保 密 ， 以
通 讯作者 ： 李 国东 （ １ ９ ７ ２ 一 ） ， 男， 黑龙 江鹤岗人 ， 教授 ， 博士， 硕 士生导 师， 研究方 向为数据 挖掘与图像处 理．Ｅ ． ｍ ａ ｉ ｌ ：ｌ ｇ ｄ ｚ ｈ ｙ ＠１ ２ ６ ． ｃ ｏ ｎ ｒ
可 以从多 大 方 向上它 们 的系数 ， 从 而 比较得 出结 果 ．
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
混沌 是 一种 非线 性现 象 ， 是确 定性 非 线性 系统 产生 的类 似 随机 性 的行 为 ， 确 定 但是 又 难 以预测 ｊ ． Ｐ ｅ ｃ ｏ ｒ ａ和 Ｃ ａ ｒ ｏ ｍ于 １ ９ ９ ０年发 现 了混 沌 可以被 同 步并且 用 电路 实现 了同步 Ｊ ． 混沌 系统 对 系统参 数 和初 值 的变化 特别 敏感 ， 即使初 始 条件 发生 很小 的变 化 ， 同样 的混 沌 系统 都 会 发生 巨大 的改变 ， 生 成 完 全 不 同 的两种 状态 ， 让 人无 法 预测 ． 所 以 只要确 定 了系统 的参 数 和初 始条 件 ， 就 能够 反 复呈 现混沌 特 征 ． 正 是
细胞 神经 网络 构造 出混沌序 列 ， 作 为加 密 的秘钥 源 ， 根 据 一种 无 限折叠 映射 的混 沌 系统进行 图
像 置乱 ， 实 现 图像 的加 密． 编 程模 拟 实验仿 真 结果表 明 ， 加 密 图像 与原始 图像 相 比 ， 直 方 图更加 均匀 ， 相邻像 素 间的相 关性 较 小 ， 抗 攻 击性较 强 ， 安全保 密性较 高．
关键 词 ：细胞 神 经 网络 ；混 沌 系统 ；无 限折 叠 映射 ；图像 加 密
中图分 类号 ： Ｔ Ｐ １ ８ ３ ； Ｔ Ｐ ３ ０ ９ ． ７ 文 献标 识码 ： Ａ 文章 编 号 ：１ ６ ７ １ － ６ ８ ７ ６ （ ２ ０ １ ５ ） ０ １ － ０ ０ ３ ３ ０６ －
使 得混 沌 序列 能够 成 为一 种加 密序 列 ． 英 国数 学家 Ｍａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｗ ｓ 于２ Ｏ世 纪 ８ Ｏ年代 末 首 次提 出了混 沌 序 列 在 密码 学 中 的应 用 Ｊ ． 本 文把 混沌 理论 和 图像 加密 紧 密联 系在 一起 ， 构 造 出一 个 新 的加 密 算 法 ， 并 且 对 该 系统 的可 靠性 进行 了具 体 的验 证 ．
Ⅳ的细胞神经 网络有 行 Ⅳ列的细胞排列
组成 ， Ｃ （ ｉ ， ）表示第 ｉ 行第 列 的细胞 ， 图１ 是 一个 ３行 ３列 的细 胞神 经 网络结 构 图．
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ４ － １ ２ － ２ ８ 基 金 项 目 ：国家 自然 科 学 基 金 资 助 项 目（ １ １ ４ ６ １ ０ ６ ３ ） ；新 疆 维 吾 尔 自治 区高 校 科 研 计 划 项 目 （ Ｘ Ｊ Ｅ Ｄ Ｕ ２ ０ １ ３ Ｉ ２ ６ ）
由于混沌系统 的这些确定性 ， 敏感性 ， 遍历性等特点 ， 使得它可以更好的应用 于密码学． 利用混沌系统， 可 以产生 数 量很 多 、 不相关 、 类 似 噪声 和可 以再 生 的混沌 序 列 ， 这 种 序列难 以预测 和重 构 ， 从 而使 密码 分 析者难 于破译 ， 因而 非常适 合 信息 的加 密处 理 ， 其 随机性 、 抗 破译 能力 均优 于传 统 的序 列密码 ， 这 些特 性
阻止第三方对信息 的窃取． 图像加密属 于密码学范畴 ， 加 密者应用加密秘钥和一些变换 函数对 图像置 乱， 使原始图像中的像素位置 ， 或者像素值都产生大的转变 ， 让人们不能识别出真实的图像信息． 加密图 像 通 常有 以下 几个 特 征 Ｊ ： １ ）图像 各 像 素 点 的 位 置 进 行 转 移 变 换 ． 常 用 的置 乱 方 法 很 多 ， 比如 ｃ ａ ｔ 映
第１ ４卷第 １ 期 ２ ０ １ ５年 ３月
淮 阴师范学院学报 （ 自然科学 版）
Ｊ ＯＵ Ｒ Ｎ Ａ Ｌ Ｏ Ｆ ＨＵ Ａ Ｉ ＹＩ Ｎ Ｔ Ｅ Ａ Ｃ ＨＥ ＲＳ Ｃ Ｏ Ｌ Ｌ Ｅ Ｇ Ｅ（ Ｎ Ａ Ｔ Ｕ Ｒ Ａ Ｌ Ｓ Ｃ Ｉ Ｅ ＮＣ Ｅ Ｅ Ｄ Ｉ Ｔ Ｉ Ｏ Ｎ）
Ｖｏ１ ．１ ４ Ｎｏ ．１ Ｍａ ｒ ．２ ０１ ５
基 于 多维 混沌 系统 的 图 像 加 密技 术 研 究
武 剀 ，赵 国敏 ，李 国东
（ 新疆 财经大学 应用数学学 院 ， 新疆 乌鲁木 齐 ８ ３ ０ ０ １ ２ ）
摘
要： 利 用 细胞 神 经 网络 ， 提 出 了一种 基 于六 维细胞 神 经 网络 混沌 系统 的加 密算 法． 由六维
１ 细 胞 神 经 网络 混沌 系 统
细胞 神经 网络 最 先 由 Ｃ ｈ ｕ ａ和 Ｙ ａ ｎ ｇ在 １ ９ ８ ８年提 出 （ Ｃ ｅ ｌ ｌ ｕ ｌ ａ ｒ Ｎ ｅ ｕ ｒ ａ ｌ Ｎ ｅ ｔ ｗ ｏ ｒ ｋ ， 简称 Ｃ Ｎ Ｎ） ， 它 的基 本
单位是细胞 ， 是一种局部互连 的神经网络系统 挖 ． 一个
Ｏ 引 言
密码 学有 着 悠久 的历 史 ， 起初 只 是 作 为 军 事方 面 的一 项 研 究 技 术 ， 后 来 随 着 计 算 机技 术 的迅 猛 发 展， 被 广 泛用 于 民 间 社 会 ， 并 兴起 了商用 密 码学 的热潮． Ｓ ｈ ａ ｎ ｎ ｏ ｎ曾 经 发 表 的著 作 “ 保 密 的 通 信 理 论” ｌ ｌ 引， 引 领 了密码 学 的发展 方 向． 密 码 学 主要 钻 研 秘 密 通 信 ， 经 由某 种 映射 对 传 输 信 息 加 以保 密 ， 以
通 讯作者 ： 李 国东 （ １ ９ ７ ２ 一 ） ， 男， 黑龙 江鹤岗人 ， 教授 ， 博士， 硕 士生导 师， 研究方 向为数据 挖掘与图像处 理．Ｅ ． ｍ ａ ｉ ｌ ：ｌ ｇ ｄ ｚ ｈ ｙ ＠１ ２ ６ ． ｃ ｏ ｎ ｒ
可 以从多 大 方 向上它 们 的系数 ， 从 而 比较得 出结 果 ．
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
混沌 是 一种 非线 性现 象 ， 是确 定性 非 线性 系统 产生 的类 似 随机 性 的行 为 ， 确 定 但是 又 难 以预测 ｊ ． Ｐ ｅ ｃ ｏ ｒ ａ和 Ｃ ａ ｒ ｏ ｍ于 １ ９ ９ ０年发 现 了混 沌 可以被 同 步并且 用 电路 实现 了同步 Ｊ ． 混沌 系统 对 系统参 数 和初 值 的变化 特别 敏感 ， 即使初 始 条件 发生 很小 的变 化 ， 同样 的混 沌 系统 都 会 发生 巨大 的改变 ， 生 成 完 全 不 同 的两种 状态 ， 让 人无 法 预测 ． 所 以 只要确 定 了系统 的参 数 和初 始条 件 ， 就 能够 反 复呈 现混沌 特 征 ． 正 是
细胞 神经 网络 构造 出混沌序 列 ， 作 为加 密 的秘钥 源 ， 根 据 一种 无 限折叠 映射 的混 沌 系统进行 图
像 置乱 ， 实 现 图像 的加 密． 编 程模 拟 实验仿 真 结果表 明 ， 加 密 图像 与原始 图像 相 比 ， 直 方 图更加 均匀 ， 相邻像 素 间的相 关性 较 小 ， 抗 攻 击性较 强 ， 安全保 密性较 高．
关键 词 ：细胞 神 经 网络 ；混 沌 系统 ；无 限折 叠 映射 ；图像 加 密
中图分 类号 ： Ｔ Ｐ １ ８ ３ ； Ｔ Ｐ ３ ０ ９ ． ７ 文 献标 识码 ： Ａ 文章 编 号 ：１ ６ ７ １ － ６ ８ ７ ６ （ ２ ０ １ ５ ） ０ １ － ０ ０ ３ ３ ０６ －
使 得混 沌 序列 能够 成 为一 种加 密序 列 ． 英 国数 学家 Ｍａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｗ ｓ 于２ Ｏ世 纪 ８ Ｏ年代 末 首 次提 出了混 沌 序 列 在 密码 学 中 的应 用 Ｊ ． 本 文把 混沌 理论 和 图像 加密 紧 密联 系在 一起 ， 构 造 出一 个 新 的加 密 算 法 ， 并 且 对 该 系统 的可 靠性 进行 了具 体 的验 证 ．
Ⅳ的细胞神经 网络有 行 Ⅳ列的细胞排列
组成 ， Ｃ （ ｉ ， ）表示第 ｉ 行第 列 的细胞 ， 图１ 是 一个 ３行 ３列 的细 胞神 经 网络结 构 图．
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ４ － １ ２ － ２ ８ 基 金 项 目 ：国家 自然 科 学 基 金 资 助 项 目（ １ １ ４ ６ １ ０ ６ ３ ） ；新 疆 维 吾 尔 自治 区高 校 科 研 计 划 项 目 （ Ｘ Ｊ Ｅ Ｄ Ｕ ２ ０ １ ３ Ｉ ２ ６ ）
由于混沌系统 的这些确定性 ， 敏感性 ， 遍历性等特点 ， 使得它可以更好的应用 于密码学． 利用混沌系统， 可 以产生 数 量很 多 、 不相关 、 类 似 噪声 和可 以再 生 的混沌 序 列 ， 这 种 序列难 以预测 和重 构 ， 从 而使 密码 分 析者难 于破译 ， 因而 非常适 合 信息 的加 密处 理 ， 其 随机性 、 抗 破译 能力 均优 于传 统 的序 列密码 ， 这 些特 性