混沌图像加密及其安全性分析_冯伟著_9787564384715

　　《混沌图像加密及其安全性分析》内容分为7章，主要聚焦于现有图像加密算法的安全性分析与验证，同时也指出了所分析的图像加密算法中存在的一些可行性、实用性和合理性问题。在对三种具有代表性的图像加密算法进行安全性分析之后，该书也提出了两种新颖的图像加密算法，以解决目前图像加密算法中存在的一些问题，从而为未来的图像加密研究人员提供有益参考。

　　随着网络技术和信息技术的飞速发展，数字图像因能生动、直观、便捷和迅速地传达信息，其应用极其广泛。可以说，人们工作和生活的方方面面都离不开数字图像。各行各业在其形形色色的生产和经营活动中也都需要广泛运用数字图像。然而，数字图像的广泛运用在给人们带来便利的同时，也带来了巨大的信息安全挑战。因此，为了确保商业安全、军事安全和实现隐私保护等，人们迫切希望在数字图像的传输、使用和存储过程中为其提供安全、高效的保护。众所周知，在各种各样的图像数据保护技术中，图像加密是最便捷和最有效的一种。经过加密得到的密文图像看起来类似于噪声图像，可以很好地掩盖原有的图像信息。在没有正确的秘密密钥的情况下，攻击者难以从中获取有价值的信息。值得注意的是，图像数据具有许多不同于文本数据的显著特征，比如数据量大、信息冗余度高、相邻像素间相关性强等。这样一来，在诸如工业物联网等许多新兴应用场景中，主要针对文本数据而设计的传统加密方案，比如数据加密标准（Data Encryption Standard，DES）、高级加密标准（Advanced Encryption Standard，AES）和国际数据加密算法（International Data Encryption Algorithm，IDEA），都无法很好地满足保护图像数据的要求。目前，图像加密的相关研究正越来越受到广大研究人员的重视，他们正致力于使用新的技术和方法来提高图像加密的安全性与效率，以便能更好地满足人们对于图像数据的加密保护需求。在这些新技术和新方法中，基于混沌系统的图像加密算法或方案（为简单起见，后面将图像加密算法或图像加密方案统称为图像加密算法）得到了众多研究人员的青睐。
　　自1963年Lorenz发现第一个混沌吸引子以来，混沌系统已经被广泛地应用于包括系统优化、神经网络、图像数据处理、高速检索、模式识别和故障诊断在内的众多领域。作为一种确定性的伪随机和非线性现象，混沌系统具有许多非常适合现代密码系统设计要求的特性。例如，混沌系统的轨迹对其初始状态值和控制参数极其敏感，即使两者只发生极小的变化，混沌系统也会呈现出完全不同的轨迹。混沌系统的这一特性使得其初始状态值或控制参数非常适合用作密码系统的秘密密钥。因此，近年来有越来越多的研究人员利用混沌系统来设计新的图像加密算法，这些新的图像加密算法即所谓的混沌图像加密算法。
　　密码分析作为密码学的一个重要分支，对加密技术的发展起着至关重要的推动作用。与图像加密算法的设计者一样，也有许多研究人员致力于图像加密算法的密码分析研究。他们的工作主要是基于现代密码学的相关知识和原理，对设计者们提出的图像加密算法的安全性进行分析与验证，同时也对这些图像加密算法的可行性、实用性和合理性进行评估。毫无疑问，对于密码分析工作中所指出的现有图像加密算法中存在的安全性、可行性、实用性和合理性问题，后续的图像加密算法的设计者都会予以重视，从而避免类似问题的再次发生。可以说，针对图像加密算法的密码分析研究是图像加密技术健康发展的重要保障。
　　本书内容分为7章，主要聚焦于现有图像加密算法的安全性分析与验证，同时也指出了所分析的图像加密算法中存在的一些可行性、实用性和合理性问题。在对三种具有代表性的图像加密算法进行安全性分析之后，本书也提出了两种新颖的图像加密算法，以解决目前图像加密算法中存在的一些问题，从而为未来的图像加密研究人员提供有益参考。各章主要内容如下：
　　第1章包括混沌图像加密的发展情况、混沌图像加密的相关基本概念以及混沌图像加密的发展趋势，主要是对混沌图像加密及安全性分析的研究背景、研究内容、国内外研究现状以及研究意义进行简要介绍。
　　第2章首先对基于集成式混沌系统的图像加密算法（Integrated Chaotic Systems Based Image Encryption algorithm，ICS-IE）进行了简要介绍，然后描述了ICS-IE在整数序列转换、行列置换、随机数的使用、模数使用、扩散过程、密钥流以及解密密钥流重建方面存在的一些问题。接下来，对ICS-IE进行了必要的改进，并对其进行了密码分析。在密码分析的基础上，提出了可以完全恢复明文图像的选择明文攻击算法。随后还就加密过程中使用的模数以及攻击算法的有效性与可行性进行了测试。最后，本章从混沌序列的使用、加密过程设计以及抵御特定攻击的能力三方面，提出了进一步改进ICS-IE的建议。
　　第3章首先对基于DNA编码和扰乱的超混沌图像加密算法（DNA encoding and Scrambling based Hyperchaotic Image Encryption Scheme，DS-HIES）的三个主要加密步骤进行了简要介绍。然后描述了DS-HIES算法中存在的问题，并就这些问题进行了改进或提出了改进建议。接下来，对DS-HIES进行了密码分析并提出了具体的攻击算法。随后又就DS-HIES的明文敏感性以及攻击算法的有效性与可行性进行了测试。最后，本章就混沌系统初始值的生成、混沌序列的使用和加密过程的设计等方面，阐述了进一步改进DS-HIES的建议。
　　第4章首先对基于二维混沌映射的图像加密算法（2D Logistic Adjusted Sine map based Image Encryption Scheme， LAS-IES）进行了简要介绍。然后描述了LAS-IES算法在算法描述、混沌矩阵生成、混沌系统参数生成、等价秘密密钥、随机值插入、置换过程以及密钥流等方面存在的问题。接下来，对LAS-IES进行了密码分析，并提出了通过选择明文攻击来构建和求解异或方程组的攻击算法。随后通过模拟测试验证了攻击算法的有效性和可行性。最后，本章也提出了进一步改进LAS-IES的建议。
　　第5章提出了一种基于离散对数和忆阻混沌系统的混沌图像加密算法（Discrete logarithm and Memristive chaotic system based Image Encryption algorithm，DLM-IE）。首先，对忆阻混沌系统、混沌序列的生成以及离散对数进行了简要介绍。然后，本书对基于离散对数和忆阻混沌系统的图像加密算法的主要加密步骤进行了介绍。接下来，从密钥敏感性、密钥空间、像素间关联性、信息熵、选择明文攻击等方面测试和分析了DLM-IE的安全性，并与一些最新的混沌图像加密算法进行了对比分析。相关的模拟测试和对比分析表明，该混沌图像加密算法具有极高的实用性和安全性。
　　第6章提出了一种基于离散对数和DNA序列操作的明文相关的混沌图像加密算法（Plain image related Chaotic Image Encryption algorithm based on DNA sequence operation and Discrete logarithm，DD-PCIE）。首先，对明文图像散列值的使用、离散对数的使用、DNA序列操作以及2D-LSCM进行了简要介绍。然后，详细地描述和分析了DD-PCIE的主要加密步骤，即明文相关的置换与更新、明文相关的DNA序列操作以及明文相关的扩散。接下来，从密钥空间、密钥敏感性、像素值分布、信息熵、像素关联性、明文敏感性、选择明文攻击、加密效率等方面，对PP-DCIE进行了模拟测试和对比分析。相关的测试和分析表明，PP-DCIE不仅具有极高的加密效率，还拥有极高的明文相关性和明文敏感性，能够有效抵御选择各种常见攻击。
　　第7章对全书内容进行了总结，概述了全书所展现的研究成果和创新点，然后对混沌图像加密的未来发展方向和趋势进行了讨论。
　　本书由攀枝花市指导性科技计划项目（编号：2020ZD-S-40）和攀枝花学院博士科研启动项目（编号：2020DOC0019）资助出版。
　　在多方面的帮助与支持之下，本书得以顺利出版。作者在此感谢母校合肥工业大学的培养以及所在工作单位攀枝花学院的大力支持；感谢导师何怡刚教授的悉心指导和谆谆教诲；感谢攀枝花学院的张靖教授、秦振涛教授、钟玉泉教授和罗学刚副教授，感谢你们在工作中所给予的指导与支持；感谢湖南理工学院的李宏民教授与李春来教授、湘潭大学的李澄清教授、南京航空航天大学的张玉书研究员、安庆师范大学的张朝龙副教授以及华东理工大学的邓芳明副教授等，感谢你们在科研方面所给予的无私帮助与支持。
　　最后，郑重感谢西南交通大学出版社理工分社黄庆斌社长以及出版社其他相关领导和工作人员，感谢你们为本书出版所提供的鼎力支持以及所付出的巨大努力。

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