基于改進Clifford混沌系統的圖像加密算法
2022年電子技術應用第6期
張文宇，幸榮盈，李國東
桂林電子科技大學 數學與計算科學學院，廣西 桂林541004
摘要： 信息安全是人們日益關注的問題，在大數據時代，很多信息的傳輸都是通過數字圖像進行的。為了減少數字圖像在信息傳遞過程中存在的安全隱患，改進了Clifford系統，通過混沌吸引子圖和Lyapunov指數分析改進的Clifford系統的混沌特性，并且基于改進的Clifford系統設計了一種圖像加密新算法。該算法先將明文圖像像素矩陣轉化為二進制矩陣，對二進制矩陣的行和列分別進行循環位移；然后再將明文圖像分成9個大小不同的矩陣塊，對每個矩陣塊進行置亂操作，在塊置亂時，塊間結合混沌序列進行置亂，塊內進行循環位移，保證了每個像素點的位置都發生了變化；最后用混沌序列和置亂后的圖像進行異或運算，得到最終的密文圖像。仿真實驗以及安全性分析說明該算法具有良好的加密效果。
中圖分類號： TP391
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.211584
中文引用格式： 張文宇，幸榮盈，李國東. 基于改進Clifford混沌系統的圖像加密算法[J].電子技術應用，2022，48(6)：73-78.
英文引用格式： Zhang Wenyu，Xing Rongying，Li Guodong. Image encryption algorithm based on improved Clifford chaotic system[J]. Application of Electronic Technique，2022，48(6)：73-78.
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.211584
中文引用格式： 張文宇，幸榮盈，李國東. 基于改進Clifford混沌系統的圖像加密算法[J].電子技術應用，2022，48(6)：73-78.
英文引用格式： Zhang Wenyu，Xing Rongying，Li Guodong. Image encryption algorithm based on improved Clifford chaotic system[J]. Application of Electronic Technique，2022，48(6)：73-78.
Image encryption algorithm based on improved Clifford chaotic system
Zhang Wenyu，Xing Rongying，Li Guodong
School of Mathematics and Computing Science，Guilin University of Electronic and Technology，Guilin 541004，China
Abstract： Information security is an increasingly concerned issue. As the carrier of information transmission, digital image contains a large amount of information. In order to improve the security of digital image transmission, this paper improves the Clifford system, analyzes the chaotic characteristics of Clifford system through chaotic attractor graph and Lyapunov exponent, and designs a new image encryption algorithm based on the improved Clifford system. Firstly, the plaintext is transformed into a binary matrix. The rows and columns of the binary matrix are circularly shifted. Then, the plaintext is divided into nine matrix blocks with different sizes, and each matrix block is scrambled. In block scrambling, chaotic sequences are used to scramble between blocks, while cyclic displacement scrambling is used to scramble within blocks which ensures that the position of each pixel has changed. Finally, the image is diffused to get the ciphertext. Simulation experiments and security analysis show that the algorithm is safe and reliable for image encryption.
Key words : chaotic system；Clifford system；image encryption；block scrambling；diffuse
0 引言
大數據時代的發展有利有弊，信息高速傳遞的時候也導致了大量的安全漏洞，越來越多的學者也將保護數據化的隱私問題當成核心研究。與文字信息相比，數字圖像相鄰像素間的相關性較大、所含信息容量大并且數據冗余性強，所以數字圖像加密不適合應用傳統加密技術(如AES和DES)。而混沌系統有偽隨機性和初始值很敏感等特性，很適合用來圖像加密，而應用混沌系統對圖像加密也成為現代科研的熱點。趙洪祥等人[1]針對以往的Henon映射存在的混沌空間小，在加密時安全性低的問題，對傳統的Henon映射進行了創新，并利用創新型Henon映射對圖像進行加密，其采用分塊的方式對圖像進行加密處理，很大程度上減少了算法的運行時間；馬開運等人[2]針對明文圖像與加密密鑰無關引起的安全性問題，提出了將Logistic映射所迭代的混沌序列和明文圖像相結合生成的密鑰當作三維Chen系統迭代的初始值，再運用Fisher-Yates算法對圖像進行置亂操作，該算法可以抵御大多數攻擊；Wang等人[3]針對低維混沌系統安全性不高，設計了一個新型的六維混沌系統，結合比特置亂和DNA編碼技術對圖像進行加密；Xian等人[4]提出一種基于螺旋變換的置亂方法，該方法在一次加密過程中可以引起所有像素點位置的變化，巧妙地簡化了圖像置亂過程。擴散算法利用兩個混沌序列來提高擴散過程的效率。
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作者信息：
張文宇，幸榮盈，李國東
(桂林電子科技大學 數學與計算科學學院，廣西 桂林541004)
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