基于圖像混沌的加密算法
ice 混沌系統(tǒng)由于其很好地反映了隨機(jī)性特征 ,近年來在圖像加密領(lǐng)域被學(xué)者們廣泛地研究。但加密技術(shù)仍面臨許多難題 ,傳統(tǒng)的混沌圖像加密算法難以抵御 已知明文攻擊 ,差分分析的抵御能力是衡量加密算法安全性的重要指標(biāo)之一。為了解決加密算法抵御已知明文攻擊的能力 ,國(guó)內(nèi)外的研究人員在此基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)的圖像加密算法。其中經(jīng)典的方法包括采用超混沌或復(fù)合混沌系統(tǒng)完成彩色圖像的加密 ,缺陷是時(shí)間復(fù)雜度較高。采用分層分塊的圖像加密算法可以有效提高加密速度 ,但是對(duì)圖像尺寸具有嚴(yán)格的局限性。針對(duì)上述情況 ,本文提 出了一種基于混沌 的像素混淆和擴(kuò)散的加密算法 ,根據(jù)分組密碼具有混淆和擴(kuò)散兩個(gè)機(jī)制 ,結(jié)合混沌動(dòng)力系統(tǒng)特有的優(yōu)點(diǎn) ,該方案簡(jiǎn)單、快速并且對(duì)密鑰敏感,不僅有效抵抗統(tǒng)計(jì)分析 ,而且對(duì)已知明文攻擊也具有較好的抵御能力。
1 ?Logistic 強(qiáng)混沌和 MDS 算法
Lgstic 映射是 一種廣泛使用的動(dòng)力 系統(tǒng) ,Lo-gistic強(qiáng)混沌映射的定義為:
2 本文加密算法
2.1像素混淆
為了使攻擊者無法從明文和密文的對(duì)應(yīng)關(guān)系中獲得它們和密鑰之間的聯(lián)系,采用混淆技術(shù)將 圖像像素的灰度值進(jìn)行替換。操作原理如圖1所示。
將明文分成 16 組 ,依次實(shí)現(xiàn)像素值的代替過程,若加密的明文不是16 的倍數(shù) ,則依次加密 數(shù)據(jù)流的每個(gè)字節(jié)。具體步驟如下:
3 仿真實(shí)驗(yàn)及分析
研究表明直方圖、像素相關(guān)性、密鑰敏感性可有效衡量算法抵御統(tǒng)計(jì)分析的能力 ,為此我們進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。如圖4 所示,加密前后圖像的直方圖信息具有很大區(qū)別,表明密文像素達(dá)到較好的置亂和擴(kuò)散效果。算法的密鑰空間是228。密鑰的敏感性是保障加密系統(tǒng)信息免受窮舉攻擊的重要特性之一。實(shí)驗(yàn)采用密鑰 Key:ZF6 9Elo63A72COCFA78DgF84BC-279D2。采用三個(gè)與之具有微小差別的密鑰對(duì)圖 5(b)解密效果如圖(d )(e)(f)所示。結(jié)果驗(yàn)證了本文算法的密鑰敏感性較強(qiáng)。三個(gè)密鑰分別為:
Keyl :3F6 E 1063 A 7 2 C0 C F A78D 9F 84 B C 279 D 22
KeyZ :3F6 9E 1063A7 2C0C FA78D9F8 4BC279 D23
Key3 :3F69E1063A7 2C0C EA7 8D9 F84B C279D2 2
圖像的本質(zhì)特征決定了圖像中相鄰像素間具有較強(qiáng)的相關(guān)性 ,基于該性質(zhì),利用統(tǒng)計(jì)攻擊方 法來分析圖像加密算法具有較高的可行性 ,因此用相關(guān)系數(shù)來衡量加密算法破壞相鄰像素相關(guān)性的能力.如表3所示,與均勻置亂算法相比,該算法去相關(guān)性能力較強(qiáng),表明加密圖像的灰度值分布具有良好的隨機(jī)性和均勻性.
利用 NpCR (next pixel ehange rate)可有效度量明文圖像一個(gè)像素的改變對(duì)密文圖像的影響。選取100組圖像進(jìn)行加密實(shí)驗(yàn),一幅是原圖像,另一幅是在該圖像基礎(chǔ)上隨機(jī)改變一個(gè)像素值得到的圖像,采用加密算法獲得密文圖像的 NPCR 值并與算法進(jìn)行對(duì)比,部分?jǐn)?shù)據(jù)如表 4 所示。
實(shí)驗(yàn)表明該算法抵御已知明文攻擊能力比均勻置亂和二維混沌序列的加密算法強(qiáng)。采用均勻置亂算法,當(dāng)塊內(nèi)像素點(diǎn)相對(duì)坐標(biāo)和塊坐標(biāo)相同時(shí)會(huì)導(dǎo)致置亂失敗。本文算法利用分組密鑰生成混沌序列初值 ,結(jié)合像素混淆和擴(kuò)散操作 ,降低了明文和密鑰序列之間的相關(guān)性,與二維混沌映射相比,圖像像素達(dá)到了更好的擴(kuò)散性和隨機(jī)性。
4 結(jié)論
本文提出了一種改進(jìn)的基于混沌的圖像加密算法?；诨煦鐚?duì)系統(tǒng)參數(shù)的敏感性,結(jié)合像素混淆和擴(kuò)散操作。該算法不僅密鑰敏感性較高,去相關(guān)性能力較強(qiáng),而且與均勻置亂算法和二維混沌圖像加密算法相比,有效提高了抵御差分攻擊的能力。
