基于混沌系统和DNA计算的图像加密研究

论文摘要

随着人工智能、物联网和大数据等技术的迅速发展与应用,网络空间安全同时也面临着极大的挑战和威胁,保证数字信息在传输和储存过程中的安全问题已然成为大家关注的热点,其中图像信息作为如今主流信息载体,其加密安全性的研究变得尤为重要。因此,找到一种能有效保障加密图像的安全性方案是非常具有科研价值。本文在研究混沌系统和DNA计算的基础上,提出了两种图像加密算法,并对加密算法的安全性进行深入的研究和分析。(1)结合时空混沌和DNA剪切插入操作设计了一个两幅图像同时加密的密码算法。该算法首先通过非相邻耦合方式的时空混沌系统生成伪随机密钥流,控制置乱和扩散过程中DNA剪切插入操作的节点和长度。随后依次对两幅编码后的加密图像的每行和每列使用DNA剪切和插入操作,置乱两幅加密图像,再将两幅置乱后的图像互相作为对方的扩散密钥,使用同样的DNA操作对它们的每行和每列进行交叉扩散,最后通过DNA解码得到两幅加密图像。仿真结果和安全性能分析证明了该图像加密方案可以很好地抵抗穷举攻击、统计攻击及差分攻击,并且具有较好的鲁棒性。(2)第二种加密方案结合超混沌系统和DNA连接操作,设计了一种双向扩散的图像加密算法。为了提高密码系统的安全性,引入hash函数,生成512位的hash值更新超混沌系统的初值和控制参数,使得混沌序列具有更好地随机性,密码系统在DNA层采用“前向扩散—置乱—后向扩散”的结构,使得DNA计算完全应用于图像加密,不仅可以创新DNA计算,也可以提高加密算法的安全性,DNA连接操作是一种类似于DNA异或的运算,它有16种有效的连接方式,通过DNA连接计算对编码后的DNA图像进行前向扩散,再逐个交换DNA碱基的位置,最后再使用DNA连接操作进行后向扩散,解码扩散后DNA矩阵,即可得到最后的加密图像。仿真分析验证了该加密方案的可实施性和优良的安全性能。

论文目录

摘要

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第一章引言

1.1 研究背景

1.2 国内外图像加密的研究及现状

1.3 论文主要研究内容及结构安排

第二章图像加密基础

2.1 密码学基本概念

2.2 混沌理论

2.2.1 混沌的定义

2.2.2 混沌运动特征

2.2.3 常见的混沌系统

2.3 DNA基本理论

2.3.1 DNA计算理论

2.3.2 DNA编码

2.3.3 DNA的代数运算

第三章基于时空混沌和DNA操作的双图像加密

3.1 混沌系统与DNA计算

3.1.1 Arnold猫映射耦合映射格子

3.1.2 DNA删减插入操作

3.2 加解密算法

3.2.1 生成初始密钥

3.2.2 加密过程

3.2.3 解密过程

3.3 实验结果与性能分析

3.3.1 密钥空间

3.3.2 敏感性分析

3.3.3 统计分析

3.3.4 信息熵

3.3.5 裁剪分析

3.3.6 噪声分析

3.3.7 加密效率分析

3.3.8 比较分析

3.4 本章小结

第四章基于DNA连接的双向扩散图像加密方案

4.1 基础理论

4.1.1 Lorenz超混沌系统

4.1.2 Hash函数

4.1.3 DNA连接操作

4.2 加密过程

4.2.1 密钥的产生

4.2.2 加密算法

4.3 解密过程

4.4 安全性能分析

4.4.1 密钥空间

4.4.2 密钥敏感性

4.4.3 差分攻击

4.4.4 直方图

4.4.5 信息熵

4.4.6 相关性分布

4.4.7 鲁棒性分析

4.5 本章小结

第五章总结与展望

5.1 工作总结

5.2 工作展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 喻文茜

导师: 刘晔,欧阳春娟

关键词: 双图像加密,时空混沌系统,计算,函数

来源: 南昌大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,计算机软件及计算机应用,计算机软件及计算机应用

单位: 南昌大学

分类号: TP309.7;TP391.41;O415.5

DOI: 10.27232/d.cnki.gnchu.2019.000638

总页数: 68

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