基于混沌序列的DES彩色图像加密算法
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李 谦
（ 江万 里 学 院 ，浙 江 宁波 浙 ３ ５０ ） １ １ ０
摘 要 ：证 明 了 Ｄ Ｓ异 或运 算 的 一个 重 要性 质 ，结 合 混 沌 序列 的优 良特性 提 出 了一种 基 于 混 沌 序列 和 Ｄ Ｓ的彩 Ｅ Ｅ 色 图像 加 密 算法 和 解 密算 法 。 算 法 首先 由 Ｕ ａ ｖ ｎ Ｎ ｕ ａ ｎ映射 生 成加 密 的 密钥 ， 后 对 图像 进 行 Ｄ Ｓ异或 该 ｌ ｍ— ０ ｅ ｍ ｎ 然 Ｅ 运 算 ， 到加 密 图像 。 密 的过 程 就是 需要 得 到 与加 密 时相 同的 密钥 ， 用 Ｄ Ｓ异 或逆 运 算 的性 质 得 到解 密 图像 。 得 解 利 Ｅ 实 验 结果 表 明该 算 法 能够 得 到令 人 满 意 的结果 。 关 键 词 ：图像 加 密 ；Ｄ Ｓ Ｅ ；异 或算 法 ；混 沌 序 列
第 ４期
结， 并指 出了进一 步工 作 的方 向 。
１ Ｄ 密算 法 Ｓ加 Ｅ
Ｄ Ｓ是 １９ Ｅ ９ ７年美 国 国家 标 准局 公 布 的一 种加 密标 准 ，０年 来 一直 活跃 在 国际 保 密通 讯 的舞 台上 ， ２ 扮 演 着十分 出色 的角 色【 ｉ Ｄ Ｓ加密算 法 首先通 过 置乱矩 阵对 图像 进行 置乱 ， ｌ２ Ｅ ｌＪ ＿。 然后 通过 加密 位之 间 的异 或运算 以及 同密钥 之 间 的运 算来 对 明文进行 加密 。 密 的过程 是加密 运算 的逆 过程 。 Ｅ 解 Ｄ Ｓ过 程可 用数学
中图分 类 号 ：ＴＰ ９ ．１ ２１ ４ 文献 标 识码 ：Ａ 文章 编 号 ：１ ７ —２ ５ ２ １ ０ ６ １ ２ ０（ ０ ０） ４一ｏ ６ ｏ ６—０ ５
近年来 ， 随着 个人计算 机 、 宽带 网络 、 讯 、 通 多媒 体技 术 的综 合发 展 ， 们都 不再 拘泥 于通 过文 本或语 人 音来 进行交 流 ， 是希望 使用 图像 、 而 视频等 多媒体 形式 交换信 息 ， 随时随地 做更 好 的沟通 。这 些 图像数 据 信息不但 涉 及个人 隐私 ， 而且 有 的涉 及到 国家安全 ， 因而图像 数据 的保 护越 来越 受到社 会 的普遍重 视 。 目前 已经有很 多文献 提 出了针 对数字 图像 的加密方 法【 。 图像 加密 算法 主要是 在空 间域 和频 率域进 行 的。 间域算法 的优 点是能 够充分 利用 图像数 据流 的点 阵特征使 算法 更直观 ， 空 实现 比较 简单 ， 加密过 且 程 中不 会 引入额外 的 图像 畸变 。 另一 方 面 ， 间域 的局 部随机 置乱效 果不 是很好 ， 空 因为传统 的 图像 置乱算 法， 如基 于几何 运算 的排 列变 换 ， 虽然使 密文 块看 起来 是 随机 的 ， 这 些排 列算 子 通常 是事 先确 定 好 的 ， 但 与密钥 无关 ． 这是 一个 明显 的缺 陷。 选 用 混沌序列 会使安 全性 有较 大改善 。 基于混沌 序列 的算 法 中 ， 在 以密钥作 为参 数 ． 数 能惟 一地确 参
有 的像 素 点 中。 优势 在于 可 以将 加密 和压缩过 程一 步完成 ． 其 如利 用密钥 序列对 Ｄ Ｔ系数 进行 比例变换 Ｃ
或改 变 Ｄ Ｔ系 数 的符 号等 。但是 频域算 法无法 回避从 空 间域到频 域 的数 值变 换 ， 计算量 相对 较大 。更 Ｃ 其
严重 的是 ， 频域算 法会 导致 图像信息 损伤 ， 图像 产生 较大 的畸变 。 使 正如 前 面提到 的 ， 域算 法必 须要 解决 从空 间域 到频 域 的数 值 变换及 反 变换 ， 中的复 杂度 计算 是 频 其 不 可 回避 的 ， 当遇到 图像数 据较 大时必然 会导致 处理 时延 的增加 。 因此 解决 数字 图像 数据 量过 大的 问题 是 图像 加密 的核 心问题 之 一 ， 文在 文献 的基 础上 ， 出 了一 种基 于混 沌序 列和 Ｄ Ｓ Ｄ ｔ ｎｒｐｉｎ 本 提 Ｅ （ ａ Ｅ ｃｙｔ ａ ｏ Ｓａ ｄ ｒ） ｔｎ ａｄ 的彩 色 图像加 密算 法 ， 效地 解决 了上 述 空 间域 和频域 所存 在 的 问题 ， 有 该算 法 充分 利用 了混 沌 序列 的上 述优 良特性 ， 并结 合 Ｄ Ｓ加 密运 算 ， Ｅ 即由 Ｕ ａ — ｏ ｅ ｍ ｎ ｌｍ ｖ ｎ Ｎ ｕ ａ ｎ映 射生成 加密钥 ， 图像进 行 Ｄ Ｓ 对 Ｅ 异 或加密 运算 ， 得到 加密 图像 。解 密 的过程就 是得 到与 加密 时相 同 的密钥 ， 利用 Ｄ Ｓ异或 逆运算 的性 质 Ｅ 得 到解密 图像 。 实验 结果 表 明本 文提 出 的算法 能够 得到令 人满 意 的结 果 。 最后 ， 本文提 出 的算 法加 以总 对
第 ２ 卷 第 Biblioteka 期 ３２１ ０ ０年 ７月
浙 江 万里 学 院 学报
Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ｈ ｉ ｎ ａ ｌ Ｕｎｖ ｒｉ ｏ ｒ ａ ｆＺ ｅｉ ｚ Ｗ ｎｉ ａ ｉｅ ｓ
Ｖｏ１２３ Ｎｏ． ． ４
Ｊｌ ００ ｕ ２ １
基 于混沌序列 的 Ｄ Ｓ彩色 图像 加密算法 Ｅ
定混 沌序 列 的值 。因此 本文 的算 法 ， 通过 用户 给定 的密钥 （ 沌序 列初 始值 Ｘ 和密钥 个 数 ｎ 是 混 。 ）生成 一
系列 的伪 随机数 据来 实现 的 。 频率 域算 法特点 是在频 域 中每一点 的变化 对整个 数据 集合都 会产 生一定 的 影 响 ． 图像数 据经 过 Ｄ Ｔ后得 到 的 Ｄ Ｔ系数 中如果 有 一个 发生 改 变 ． 如 Ｃ Ｃ 就会通 过 Ｄ Ｔ逆 运算 体现 在所 Ｃ
收 稿 日期 ：２ １ ０ ０—０ ３—１ ５
作 者 简 介 ： 谦 （ ９ ４一 ， ， 李 １ ７ ） 男 湖南 常 德人 ， 江 万里 学 院计 算 机与 信 息 学院 讲 师 ， 究 方 向 ： 浙 研 网络 技 术 、 算机 图 形学 等 。 计
・
６６ ・
李
谦 ： 于混沌序 列 的 ＤＥ 基 Ｓ彩 色图像 加 密算 法
（ 江万 里 学 院 ，浙 江 宁波 浙 ３ ５０ ） １ １ ０
摘 要 ：证 明 了 Ｄ Ｓ异 或运 算 的 一个 重 要性 质 ，结 合 混 沌 序列 的优 良特性 提 出 了一种 基 于 混 沌 序列 和 Ｄ Ｓ的彩 Ｅ Ｅ 色 图像 加 密 算法 和 解 密算 法 。 算 法 首先 由 Ｕ ａ ｖ ｎ Ｎ ｕ ａ ｎ映射 生 成加 密 的 密钥 ， 后 对 图像 进 行 Ｄ Ｓ异或 该 ｌ ｍ— ０ ｅ ｍ ｎ 然 Ｅ 运 算 ， 到加 密 图像 。 密 的过 程 就是 需要 得 到 与加 密 时相 同的 密钥 ， 用 Ｄ Ｓ异 或逆 运 算 的性 质 得 到解 密 图像 。 得 解 利 Ｅ 实 验 结果 表 明该 算 法 能够 得 到令 人 满 意 的结果 。 关 键 词 ：图像 加 密 ；Ｄ Ｓ Ｅ ；异 或算 法 ；混 沌 序 列
第 ４期
结， 并指 出了进一 步工 作 的方 向 。
１ Ｄ 密算 法 Ｓ加 Ｅ
Ｄ Ｓ是 １９ Ｅ ９ ７年美 国 国家 标 准局 公 布 的一 种加 密标 准 ，０年 来 一直 活跃 在 国际 保 密通 讯 的舞 台上 ， ２ 扮 演 着十分 出色 的角 色【 ｉ Ｄ Ｓ加密算 法 首先通 过 置乱矩 阵对 图像 进行 置乱 ， ｌ２ Ｅ ｌＪ ＿。 然后 通过 加密 位之 间 的异 或运算 以及 同密钥 之 间 的运 算来 对 明文进行 加密 。 密 的过程 是加密 运算 的逆 过程 。 Ｅ 解 Ｄ Ｓ过 程可 用数学
中图分 类 号 ：ＴＰ ９ ．１ ２１ ４ 文献 标 识码 ：Ａ 文章 编 号 ：１ ７ —２ ５ ２ １ ０ ６ １ ２ ０（ ０ ０） ４一ｏ ６ ｏ ６—０ ５
近年来 ， 随着 个人计算 机 、 宽带 网络 、 讯 、 通 多媒 体技 术 的综 合发 展 ， 们都 不再 拘泥 于通 过文 本或语 人 音来 进行交 流 ， 是希望 使用 图像 、 而 视频等 多媒体 形式 交换信 息 ， 随时随地 做更 好 的沟通 。这 些 图像数 据 信息不但 涉 及个人 隐私 ， 而且 有 的涉 及到 国家安全 ， 因而图像 数据 的保 护越 来越 受到社 会 的普遍重 视 。 目前 已经有很 多文献 提 出了针 对数字 图像 的加密方 法【 。 图像 加密 算法 主要是 在空 间域 和频 率域进 行 的。 间域算法 的优 点是能 够充分 利用 图像数 据流 的点 阵特征使 算法 更直观 ， 空 实现 比较 简单 ， 加密过 且 程 中不 会 引入额外 的 图像 畸变 。 另一 方 面 ， 间域 的局 部随机 置乱效 果不 是很好 ， 空 因为传统 的 图像 置乱算 法， 如基 于几何 运算 的排 列变 换 ， 虽然使 密文 块看 起来 是 随机 的 ， 这 些排 列算 子 通常 是事 先确 定 好 的 ， 但 与密钥 无关 ． 这是 一个 明显 的缺 陷。 选 用 混沌序列 会使安 全性 有较 大改善 。 基于混沌 序列 的算 法 中 ， 在 以密钥作 为参 数 ． 数 能惟 一地确 参
有 的像 素 点 中。 优势 在于 可 以将 加密 和压缩过 程一 步完成 ． 其 如利 用密钥 序列对 Ｄ Ｔ系数 进行 比例变换 Ｃ
或改 变 Ｄ Ｔ系 数 的符 号等 。但是 频域算 法无法 回避从 空 间域到频 域 的数 值变 换 ， 计算量 相对 较大 。更 Ｃ 其
严重 的是 ， 频域算 法会 导致 图像信息 损伤 ， 图像 产生 较大 的畸变 。 使 正如 前 面提到 的 ， 域算 法必 须要 解决 从空 间域 到频 域 的数 值 变换及 反 变换 ， 中的复 杂度 计算 是 频 其 不 可 回避 的 ， 当遇到 图像数 据较 大时必然 会导致 处理 时延 的增加 。 因此 解决 数字 图像 数据 量过 大的 问题 是 图像 加密 的核 心问题 之 一 ， 文在 文献 的基 础上 ， 出 了一 种基 于混 沌序 列和 Ｄ Ｓ Ｄ ｔ ｎｒｐｉｎ 本 提 Ｅ （ ａ Ｅ ｃｙｔ ａ ｏ Ｓａ ｄ ｒ） ｔｎ ａｄ 的彩 色 图像加 密算 法 ， 效地 解决 了上 述 空 间域 和频域 所存 在 的 问题 ， 有 该算 法 充分 利用 了混 沌 序列 的上 述优 良特性 ， 并结 合 Ｄ Ｓ加 密运 算 ， Ｅ 即由 Ｕ ａ — ｏ ｅ ｍ ｎ ｌｍ ｖ ｎ Ｎ ｕ ａ ｎ映 射生成 加密钥 ， 图像进 行 Ｄ Ｓ 对 Ｅ 异 或加密 运算 ， 得到 加密 图像 。解 密 的过程就 是得 到与 加密 时相 同 的密钥 ， 利用 Ｄ Ｓ异或 逆运算 的性 质 Ｅ 得 到解密 图像 。 实验 结果 表 明本 文提 出 的算法 能够 得到令 人满 意 的结 果 。 最后 ， 本文提 出 的算 法加 以总 对
第 ２ 卷 第 Biblioteka 期 ３２１ ０ ０年 ７月
浙 江 万里 学 院 学报
Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ｈ ｉ ｎ ａ ｌ Ｕｎｖ ｒｉ ｏ ｒ ａ ｆＺ ｅｉ ｚ Ｗ ｎｉ ａ ｉｅ ｓ
Ｖｏ１２３ Ｎｏ． ． ４
Ｊｌ ００ ｕ ２ １
基 于混沌序列 的 Ｄ Ｓ彩色 图像 加密算法 Ｅ
定混 沌序 列 的值 。因此 本文 的算 法 ， 通过 用户 给定 的密钥 （ 沌序 列初 始值 Ｘ 和密钥 个 数 ｎ 是 混 。 ）生成 一
系列 的伪 随机数 据来 实现 的 。 频率 域算 法特点 是在频 域 中每一点 的变化 对整个 数据 集合都 会产 生一定 的 影 响 ． 图像数 据经 过 Ｄ Ｔ后得 到 的 Ｄ Ｔ系数 中如果 有 一个 发生 改 变 ． 如 Ｃ Ｃ 就会通 过 Ｄ Ｔ逆 运算 体现 在所 Ｃ
收 稿 日期 ：２ １ ０ ０—０ ３—１ ５
作 者 简 介 ： 谦 （ ９ ４一 ， ， 李 １ ７ ） 男 湖南 常 德人 ， 江 万里 学 院计 算 机与 信 息 学院 讲 师 ， 究 方 向 ： 浙 研 网络 技 术 、 算机 图 形学 等 。 计
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李
谦 ： 于混沌序 列 的 ＤＥ 基 Ｓ彩 色图像 加 密算 法