基于混沌的高安全性实时数字图像加密技术研究

The subject is a cross-cutting-edge research which combines of chaos theory, cryptography, information science, computer science as well as mathematical statistics, and it is applied theoretical studies which utilize nonlinear science to solve the image information security issues. In recent years, chaos-based image encryption technologies are widely investigated and a number of achievements are obtained in both theoretical and application aspect. However, there are still many deficiencies in existing technologies in respect of security, encryption speed as well as joint coding with frequency domain compression. Moreover, the existing cryptography evaluation system for image encryption is not comprehensive. All these problems have seriously restricted the development of the great potential chaos-based imager cipher technology. This project intends to create a chaotic image encryption system with high security and efficiency through proposing a series of improvement and innovation schemes, such as design a high-quality PRNG under finite precision platform, construct an image encryption system based on complex multi-scroll chaotic systems, construct a novel permutation algorithm with significant diffusion properties, construct a high-speed parallel image encryption algorithm as well as construct a chaos-based joint frequency domain image compression and encryption scheme. Compared with existing technology, these new schemes are superior in many aspects, such as key stream statistical properties, key space, the ability against known/chosen plaintext attack, statistical attack, and differential attack as well as the encryption speed, which can well satisfy the demand for real-time secure transmissions of large volume images over broadband network.

本课题是混沌理论、密码学、信息学、计算机科学与数理统计相结合的交叉性前沿研究，是利用非线性科学理论解决图像信息安全问题的应用理论研究。近年来基于混沌理论的图像加密技术取得了广泛研究并取得了大量理论及应用成果。然而，现有技术在安全性、加密速度、以及与频域压缩编码结合方面仍存在诸多不足，并且目前对图像加密系统的密码学评估体系尚不完善，这些问题严重制约了这一极具潜力技术的发展。本课题拟通过设计有限精度下高质量混沌PRNG、基于复杂多涡卷混沌系统的图像加密系统、具有显著扩散特性的置乱算法、并行图像加密算法、时域加密与频域压缩联合编码算法等一系列改进与创新方案，创建一种高安全性、高效率混沌图像加密系统。与现有技术相比，新方案在密钥流统计特性、密钥空间、抗己知/选择明文攻击，抗统计攻击，抗差分攻击以及加密速度等方面具有诸多优点，可很好的满足宽带网络环境下的大容量图像实时、安全传输需求。

近年来，伴随着数字图像在网络中传播的激增，其安全问题得到了广泛的关注。基于混沌的加密方案具有安全性与加密效率的良好平衡性，特别适合于实现大容量数字图像的实时、安全传输，目前已成为图像加密的主流技术并得到了广泛的研究。本课题研究对现有混沌图像加密技术进行了全面的跟踪与分析，针对安全性存在的不足，提出了两种改进方案：(1) 现有图像置乱方法通常基于保面积可逆混沌映射实现，此类方法存在“周期性”、“不动点”以及“图像比例限制”等缺陷。本课题提出了一种基于格雷码的图像置乱技术，有效解决了以上问题。此外，由于格雷码的转换基于CPU原子操作，该置乱方法拥有比传统算法更高的运算效率。(2) 通过明文影响混沌系统的迭代过程，从而建立密钥流与明文相关机制，是保证加密系统抵御已知明文和选择明文攻击的一种通用手段。但其带来的问题是混沌序列不能够被不同轮的加密操作所重用。本课题提出了一种在加密过程中动态改变密钥流元素值的方案，有效解决了该问题。针对加密效率存在的不足，提出了三种改进方案：(1) 基于轻量级哈希函数设计了一种与明文相关的像素置乱算法。通过在置乱过程中引入扩散机制，加速了扩散过程并提高了扩散强度，减小了为达到安全要求所需的最少加密轮数。(2) 设计了一种基于置乱矩阵复用技术的图像加密方案。在该方案中，扩散密钥流通过对置乱矩阵进行合适的变换产生，而不再基于具有较高计算代价的混沌系统迭代和混沌序列量化过程，系统的效率因而获得显著提升。(3) 提出了一种基于多核计算模式的彩色图像加密方案。该方案在置乱与扩散算法设计中引入了新的并发计算模式，通过充分利用处理器资源提高了加密效率。针对图像压缩加密联合编码研究所存在的不足，提出了一种JPEG格式兼容的联合编码方案。该方案针对DC与AC两类系数的不同特点，分别设计了不同的加密方案，实现了加密效果与码率膨胀间的良好平衡。以上研究成果对本领域的技术发展具有重要的促进作用与参考价值。