《基于導(dǎo)納的圖像加密算法的研究》開題報告
選題依據(jù)(包括國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析、研究的學(xué)術(shù)價值及應(yīng)用價值)1. 引言
近幾年來，隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、分布式多媒體系統(tǒng)中存在著大量的數(shù)字圖像的傳輸。多媒體通信逐漸成為人們之間信息交流的重要手段。通過網(wǎng)絡(luò)，人們可以很方便的進(jìn)行工作和學(xué)習(xí)，實現(xiàn)資源共享也變得方便易行。然而，隨著傳輸和接受設(shè)備的發(fā)展，通過無線電和一般的通信網(wǎng)絡(luò)非法獲取數(shù)據(jù)已經(jīng)變得越來越容易。經(jīng)常會吸引各種人為攻擊，包括信息竊取、數(shù)據(jù)篡改、數(shù)據(jù)刪添、病毒攻擊等，給信息擁有者造成巨大的損失。信息安全儼然成為通信領(lǐng)域的一個嚴(yán)峻難題，解決信息安全傳輸?shù)囊粋�有效的途徑就是對其采用加密技術(shù)。
從70年代以來，密碼學(xué)有了迅速的發(fā)展，已有的DES(Data Encryption Standard)、3DES、RSA(Rivest Shamir Adleman)等加密方法存在一定的局限性和脆弱性。傳統(tǒng)的加密技術(shù)大部分是針對文本信息，抗破譯不強(qiáng)。所以，大量針對圖像的加密算法被提出。考慮到圖像信息的特征，目前發(fā)展的圖像加密系統(tǒng)主要有加密的同時有數(shù)據(jù)壓縮及只有加密而無數(shù)據(jù)壓縮兩類。而按加密的對象來分，也可分為兩類：一類是直接對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行加密;另一類則是對圖像數(shù)據(jù)編碼的輔助信息進(jìn)行加密，如應(yīng)用DNA編碼信息結(jié)合混沌動力系統(tǒng)加密圖像數(shù)據(jù)�；煦缑艽a學(xué)是一種新的密碼加密算法。具有簡單、高效、安全等優(yōu)點，已成為密碼學(xué)的研究熱點。
同線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)相比，混沌系統(tǒng)有其獨特的特征，如隨機(jī)性、有界性、各態(tài)遍歷性以及對初值的敏感性。由于混沌系統(tǒng)對初始條件的敏感性，人們一直難于駕馭混沌系統(tǒng)。直到上世紀(jì)90年代，OGY方法和P-C同步方法的出現(xiàn)，并且分別在帶狀磁彈體和電子線路中得到驗證，由此揭開了混沌控制研究的序幕，各種混沌的方法也如雨后春筍般涌現(xiàn)出來。目前，混沌系統(tǒng)的研究主要集中在以下領(lǐng)域：
l 基于多混沌系統(tǒng)的的高速高強(qiáng)度混沌密碼;
l 混沌系統(tǒng)的數(shù)字化實現(xiàn)問題極其在密碼學(xué)構(gòu)造新的流密碼和分組密碼;
l 混沌通信(混沌調(diào)制、混沌鍵控、混沌擴(kuò)頻、混沌掩蓋);
混沌系統(tǒng)的特征和許多密碼學(xué)的特征相聯(lián)系，可見混沌系統(tǒng)是一種天然的密碼系統(tǒng)。
生命信息的遺傳物質(zhì)-DNA序列，作為遺傳信息的載體，利用DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)和堿基互補(bǔ)配對的性質(zhì)，將要處理的問題映射到DNA分子;然后再生物酶的作用下，通過可控的生化反應(yīng)問題的解空間;最后利用各種現(xiàn)代分子生物技術(shù)，聚合酶連反應(yīng)PCR、聚合重復(fù)放大技術(shù)POA、超聲波降解、親和層析、分子純化、電泳、磁珠分離等手段破獲運(yùn)算結(jié)果。如果說電子計算機(jī)是物理芯片計算機(jī)，那么DNA計算機(jī)則是化學(xué)反應(yīng)計算機(jī)。和傳統(tǒng)的電子計算機(jī)相比，DNA計算機(jī)有高度的并行性、容量大、耗能低等優(yōu)點。
DNA編碼技術(shù)主要解決了數(shù)據(jù)相關(guān)性強(qiáng)的問題，圖像通過編碼壓縮后從統(tǒng)計學(xué)的角度看就是數(shù)據(jù)的相關(guān)性盡可能的低。圖像編碼以信息論為基礎(chǔ)，圖像編碼的方法主要有信息保存型和信息損失型，本文所研究的就是基于混沌系統(tǒng)的圖像加密技術(shù)。圖像存在一定的冗余度，在保證視覺效果的前提下，消除冗余，減少了一幅圖像的數(shù)據(jù)量，方便了圖像的存儲、處理和傳輸。
2.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析
當(dāng)前DNA加密技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到加密領(lǐng)域,并取得了一些初步的成果，如Reif等科學(xué)家認(rèn)為，每克DNA就含有大約 個核苷酸，按照四進(jìn)制編碼，就可以看做是大約 字節(jié)。高容量的存儲密度非常適合加密，Celland等人用DNA微點實現(xiàn)了信息隱藏，把著名的的 “J une 6 invasion : Normandy” 隱藏到DNA 微點中。Catherine提出了一種基于DNA微粒的信息隱藏方法，并且用DNA微粒隱藏信息的方法實現(xiàn)對信息的保護(hù)[9]。例如，字母A可以用生物操作表示成DNA序列GGT。很顯然，這種方法是難于實現(xiàn)的，并且它不適合于圖像的加密。Gehani提出一種基于DNA串的一次一密的圖像加密算法[10]，Gehani的算法是有效的，但是這個加密過程必須通過復(fù)雜的生物實驗操作才能完成。事實上，由于高端技術(shù)的實驗設(shè)備，計算精度的限制以及靈敏的實驗環(huán)境，目前的DNA加密系統(tǒng)研究仍是理論多于實踐[5-11]。最近，Ning提出了一種偽DNA加密方案[11]，Ning的方法不僅具有好的加密效果，而且在加密的過程中不需要復(fù)雜的生物操作，大大的提高了算法的效率，但是該方法只能實現(xiàn)字符信息的加密。
基于混沌的圖像加密方式總體上可以劃分為擾亂圖像像素值和置亂圖像像素位置兩大類，從而達(dá)到圖像加密的目的。由于混沌系統(tǒng)對于初始條件的敏感依賴特性，對于同一個混沌系統(tǒng)，存在微小差異的初始條件，也會很快產(chǎn)生完全不相關(guān)的混沌序列，因此基于混沌的圖像加密方式具有較好的安全特性。
現(xiàn)有圖像加密方案中, 大多采用一維混沌系統(tǒng), 而Logistic映射在混沌中是比較經(jīng)典的一維混沌序列，它具有所有非線性系統(tǒng)的本質(zhì)。
Logistic映射 當(dāng) =4時系統(tǒng)處于混沌狀態(tài)，此時系統(tǒng)具有類隨機(jī)性，遍歷性，對初值的敏感性，其范圍為(0,1)。這些特性正好符合圖像加密的特性。但一維混沌系統(tǒng)加密已被證明安全性不高。原因之一是密鑰空間不夠, 不能抵御窮舉攻擊，二是容易利用相空間重構(gòu)方法進(jìn)行混沌系統(tǒng)識別，從而不能抵御已知明文攻擊。許多方案僅進(jìn)行圖像像素的位置置亂或像素值的替代加密。單純的置亂不能改變圖像的直方圖，而單純的替代不足以破壞圖像相鄰像素的相關(guān)性。Bianco發(fā)表文章High Speed Encryption System and Method[12]，文中使用的就是一維Logistic混沌，Bianco用logistics映射產(chǎn)生一個浮點數(shù)序列，將其轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制序列這不可逆工程使得恢復(fù)原始信號變得不可能，類似的方法還有protpoopescu提出的用一個初值應(yīng)用于M個不同的混沌映射，它們的參數(shù)仍為密鑰，在每個映射中抽取1字節(jié)，共m字節(jié)再進(jìn)行異或運(yùn)算的算法。
基于多維混沌映射的加密算法。這種算法的基本思路是:應(yīng)用多維混沌系統(tǒng)，如Baker映射、Cat映射、Lorenz映射等實現(xiàn)對明文的置亂操作，再應(yīng)用某種簡單的替代操作，經(jīng)過多輪迭代來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的有效加密。多維混沌映射具有較大的密鑰空間，而且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，對圖像的置亂算法速度也比較快，且構(gòu)造簡單，通過矩陣運(yùn)算就可以實現(xiàn)。這種技術(shù)比較適合對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。1998年Fridrieh發(fā)表了文章：Symmetric ciphers based on two-dimensional chaotic maps，該方案中研究了利用二維的Baker映射和Cat映射進(jìn)行象素位置變換，并分析了兩種映射的密鑰空間和可靠性。
超混沌是在混沌基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它本身具有混沌的基本特性。但是，超混沌具有更高的復(fù)雜性、隨機(jī)性和更好的不可預(yù)測性[30-49],更能有效地抵御相空間重構(gòu)等破譯方法的進(jìn)攻,其保密性強(qiáng),算法實現(xiàn)簡單、密鑰空間大。因此,超混沌加密已成為混沌圖像加密的新的方向。比如2008年Gao等發(fā)表的文章A new image encryption algorithm based on hyper-chaos[44]，就具有很好的加密效果，實驗結(jié)果論證了這種圖像加密算法具有密鑰空間大，安全性高的特征，此外，對灰度值的分布具有一定的隨機(jī)性。
3.學(xué)術(shù)價值及應(yīng)用價值
人類跨入了信息時代，隨著Internet技術(shù)和多媒體技術(shù)的飛速發(fā)展，人們的交流變得日益方便，同時信息的安全性得到了廣泛的關(guān)注。信息安全關(guān)系著國家的軍事、政治、外交以及經(jīng)濟(jì)，所以信息安全得到了社會的廣泛關(guān)注。
圖像加密技術(shù)可以用于對圖像數(shù)據(jù)的安全保存。隨著計算機(jī)技術(shù)和多媒體技術(shù)的發(fā)展，多媒體技術(shù)的應(yīng)用日益普及。對于敏感的圖像數(shù)據(jù)，通常要求進(jìn)行保護(hù)處理，以防止未授權(quán)用戶的訪問。
目前采集的信息很多是圖像信息，比如指紋、條碼、人臉、虹膜、醫(yī)學(xué)、車輛等等。這些信息在實際應(yīng)用的過程中很涉到信息的保密性和可靠性，需要尋找安全有效的加密方法，保證信息能安全的存儲、處理、傳輸。
為了保護(hù)數(shù)字多媒體的版權(quán),利用混沌序列加密具有隨機(jī)性好、保密性強(qiáng)、密鑰空間大的特點，從而保證版權(quán)所有者的權(quán)益�？梢酝ㄟ^圖像加密算法來實現(xiàn)版權(quán)控制。只有購買了版權(quán)，用戶才可以正確解碼這些數(shù)據(jù)，否則，所能看到的都是混亂不可理解的數(shù)據(jù)。目前，混沌已經(jīng)有效的應(yīng)用于該領(lǐng)域，取得了令人滿意的效果。由于DNA分子能源的消耗非常低，資源豐富廉價，有極強(qiáng)的推廣意義，對經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、軍事和科技水平的提高有極大地推動作用。
基于DNA編碼和混沌映射的圖像加密算法，能夠高效的實現(xiàn)圖像加密，提高圖像加密的安全性，
近幾年來，隨著航天技術(shù)的飛速發(fā)展，各種人造地球衛(wèi)星在運(yùn)行過程中通過照相機(jī)等電子設(shè)備獲得地球圖像資料，為保證資料的安全可靠性，在圖像傳輸?shù)倪^程中需要對其進(jìn)行加密處理。
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