混沌加密系统国内外研究现状

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1949年，Claude Shannon发表了一篇文章，题目叫做《Communication theory of secrecy systems（保密系统的信息理论）》[4]，实际上是通过运用信息论的方法，较为全面地论述了信息保密这一概念，这标示着现代密码学理论的正式建立。如、、 [5-7]等这些加密技术都是以现代密码体制的图像加密技术为根基，虽然这些算法的密钥空间大，也很难被破解，但这些加密算法是根据文本加密提出来的。一方面，图像具有信息量大、相邻像素之间灰度的相关性强，图像具有特定的数据格式等等特点，另外图像在解密时允许存在一定程度的失真现象。另一方面，用这些文本加密算法加密图像，会有加密速度慢，很容易受到区域分析的攻击，在对图像进行加密之前需要对图像数据进行预处理等不足之处。因而会破坏图像原有的样子，使图像变得没有意义，不能彻底满足图像加密的需求，因此迫切需要更加高效的图像加密算法。87720

由于混沌系统的对初始值极度的敏感性，同时又能够重复大量地生成混沌序列，这些特性使得其非常适用于图像的加密[8,9]。因此，利用混沌技术加密图像受到了广大研究人员的关注，并围绕常见的一维和二维混沌系统如Henon，Mackey-Glass, Logistic, Quadratic和Ikeda等如何加密图像进行探讨[10-12]。近年来，国内外学者针对传统图像加密技术和低维混沌加密技术各自的局限性，提出了一些改进算法。如Chong Fu等[13]研究了一种改进的扩散策略，从而提高最广泛研究置换扩散型图像加密的效率。该策略使用了一种称之为双向的扩散方法，可以通过更少的整体加密轮次来实现。此外，为了进一步提高密码的安全性，混沌轨道机制在扩散过程中根据加密图像像素所采用的混沌系统的控制参数引入。该算法具有较低的复杂度。Chen Jun-xin，Zhu Zhi-liang，Fu Chong，Yu Hai [14]提出了一种改进的基于混沌轨道的扰动置换扩散型图像密码的机制。算法的具体思想是：在置换阶段，像素平面由像素-交换机制产生，并且由混沌映射多次迭代产生伪随机位置，同时还引入了与平面像素相关的混沌轨道扰动机制[15]，使得在普通图像中的一个细微的变化将在混乱中被放大，从而产生了一种有效的扩散效应。通过对该算法的仿真结果和密码分析也验证了提出的方案具有较低并且安全的复杂度。涂正武，金聪等[16]在混沌系统和DNA密码学相融合的基础上，提出了一种针对彩色图像的基于DNA序列的加密算法。依次经过（1）平面分解彩色图像位、DNA编码，（2）将DNA平面置乱，并进行加法、减法以及异或运算。（3）对DNA解码、合并位平面，最终得到密文图像。通过对该算法的安全性分析[17]，该加密算法对密钥有极高的敏感性，而且难以被穷举破译。牛永洁、赵耀锋[18]等人提出了一个通过混沌扩散构建图像置乱隐匿算法，该算法将载体图像隐藏后，再通过处理公式进行迭代运算，论文网并使用映射[19，20]生成Baker序列，最后通过四轮的置乱，将其隐匿进载体图像中去。该算法充分运用了混沌加密算法技术的密钥空间丰富和图像置乱藏匿性能好这两个优点来达到加密效果，有效地解决了传统图像在这两个方面的缺点，并且用并行方法处理算法模块和图像藏匿的Baker映射的置乱模块，提高了运行效率。葛滨，鲁华祥，陈旭，金敏[21]采用优化像素置乱，像素替换和密文扩散的手段进一步模糊加密前图像和加密后图像间的关系。具体做法是：（1）通过低维混沌系统[22]生成的置乱矩阵打乱图像的像素位置，（2）通过像素替换操作完全隐藏了明文图像的信息，（3）通过密文扩散方法将明文信息均匀地扩散到整个密文图像中去。而像素替换和密文扩散过程的密钥是经由量化原始超混沌数据产生的，并且通过引入一种不同的超混沌数据量化方式，很大程度地降低了系统的迭代轮次，使运行效率得到提高。王英[22]等人研究了以算法为基础的混沌数字图像加密方法，将数字图片置乱技术和混沌系统相结合，提出了一个以三维的混沌系统为基础的数字图片加密算法。该算法的具体思想是，（1）预处理系统输出的混沌实数序列，（2）用该混沌实数序列来直接组成图像置乱检索矩阵，（3）以为单位实现数字图像的空域加密。通过步骤（1）得到的混沌实数序列具有很明显的伪随机特点；另外三维混沌系统本身参数多，初始值多，所以拥有更丰富的密钥空间，使其很难被破译，同时也很难被攻击。黄峰，冯勇[23]则运用二维混沌映射的两个子映射——左映射和右映射，对图像进行折叠及伸缩处理，从而完成对图像的加密。具体做法是，首先沿着图片的对角线，将图片分割为两个等腰三角形的子区域。其次，按水平方向，根据三角形两列像素之间像素点个数的数目差，顺次将一列中的像素插入到邻近的那一列像素间，直到原始图像变换为一条直线。接着，依据原始图像的尺寸对此直线进行折叠，变成一幅新的图片。通过对该方法的模拟仿真发现，此方法加密过程速度快，安全性高，而且不存在信息损失，方便移植。张琼 [24]等人结合小波变换和混沌映射，提出针对彩色图像的一种加密技术。首先利用三维猫映射来置乱明文图像的RGB三通道的小波变换系数，其次，在空域上利用耦合映像格子模型对置乱后明文图像进行扩散。该算法充分利用空域和频域的加密的优点，加深了加密效果。