《基于導納的圖像加密算法的研究》的開題報告
1. 引言
近幾年來，隨著通信技術的快速發(fā)展，網絡系統(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。通過網絡，人們可以很方便的進行工作和學習，實現(xiàn)資源共享也變得方便易行。然而，隨著傳輸和接受設備的發(fā)展，通過無線電和一般的通信網絡非法獲取數(shù)據已經變得越來越容易。經常會吸引各種人為攻擊，包括信息竊取、數(shù)據篡改、數(shù)據刪添、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域的一個嚴峻難題，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。
從70年代以來，密碼學有了迅速的發(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)的加密技術大部分是針對文本信息，抗破譯不強。所以，大量針對圖像的加密算法被提出�？紤]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)據壓縮及只有加密而無數(shù)據壓縮兩類。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)據進行加密;另一類則是對圖像數(shù)據編碼的輔助信息進行加密，如應用DNA編碼信息結合混沌動力系統(tǒng)加密圖像數(shù)據�；煦缑艽a學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域：
l 基于多混沌系統(tǒng)的的高速高強度混沌密碼;
l 混沌系統(tǒng)的數(shù)字化實現(xiàn)問題極其在密碼學構造新的流密碼和分組密碼;
l 混沌通信(混沌調制、混沌鍵控、混沌擴頻、混沌掩蓋);
混沌系統(tǒng)的特征和許多密碼學的特征相聯(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-DNA序列，作為遺傳信息的載體，利用DNA分子的雙螺旋結構和堿基互補配對的性質，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問題的解空間;最后利用各種現(xiàn)代分子生物技術，聚合酶連反應PCR、聚合重復放大技術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算結果。如果說電子計算機是物理芯片計算機，那么DNA計算機則是化學反應計算機。和傳統(tǒng)的電子計算機相比，DNA計算機有高度的并行性、容量大、耗能低等優(yōu)點。
DNA編碼技術主要解決了數(shù)據相關性強的問題，圖像通過編碼壓縮后從統(tǒng)計學的角度看就是數(shù)據的相關性盡可能的低。圖像編碼以信息論為基礎，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。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)據量，方便了圖像的存儲、處理和傳輸。
2.國內外研究現(xiàn)狀分析
當前DNA加密技術已經應用到加密領域,并取得了一些初步的成果，如Reif等科學家認為，每克DNA就含有大約 個核苷酸，按照四進制編碼，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[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雜的生物實驗操作才能完成。事實上，由于高端技術的實驗設備，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，也會很快產生完全不相關的混沌序列，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典的一維混沌序列，它具有所有非線性系統(tǒng)的本質。
Logistic映射 當 =4時系統(tǒng)處于混沌狀態(tài)，此時系統(tǒng)具有類隨機性，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方法進行混沌系統(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映射產生一個浮點數(shù)序列，將其轉化為二進制序列這不可逆工程使得恢復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)再進行異或運算的算法。
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，再應用某種簡單的替代操作，經過多輪迭代來實現(xiàn)對數(shù)據的有效加密。多維混沌映射具有較大的密鑰空間，而且結構穩(wěn)定，對圖像的置亂算法速度也比較快，且構造簡單，通過矩陣運算就可以實現(xiàn)。這種技術比較適合對圖像數(shù)據進行加密。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映射進行象素位置變換，并分析了兩種映射的密鑰空間和可靠性。(責任編輯：admin)
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