基于三维超混沌映射的图像加密及其FPGA实现

随着信息技术的不断发展,确保信息安全已成为重要问题,而图像作为被广泛使用的多媒体工具,时常面临着泄露的风险,针对该问题提出一种基于三维超混沌映射的图像加密算法。该算法首先构造一个离散三维超混沌系统,此系统相较于传统的混沌系统拥有更好的混沌特性,所生成的序列具有更强的随机性。然后在此序列的基础上对图片进行置乱和扩散:在置乱阶段,通过混沌序列对原始图片的像素点进行索引排序,实现像素置乱;在扩散阶段,使用处理后的混沌序列对置乱图像的像素值进行分层异或,实现像素扩散。软件仿真和性能分析表明,该算法具有较高的安全性和较强的抗干扰能力,最后通过FPGA硬件平台完成图像加密。整个算法包括软件仿真和硬件实现两个部分,能够有效提升学生将理论和实践相结合的能力,增强学生对非线性理论的理解。

忆阻超混沌映射的可调控性设计及光纤保密通信系统构建

通过引入平方忆阻函数非线性反馈,构建离散超混沌映射,并实现超混沌序列的全局调幅、局部调幅以及直接偏置调控。混沌映射的可调控性通过离散忆阻的阻值函数和内部变量积分速度来实现。简易的忆阻约束关系同时赋予了直接偏置调控的可能性,通过额外引入常数项参数可实现一维状态变量的直接偏置调控。基于RISC-V单片机CH32V307实现了所提出的可调控超混沌映射,并通过美国国家标准与技术研究院测试证明了超混沌序列的伪随机属性。基于以上超混沌映射构建了正交啁啾复用-非正交多址接入物理层加密方案,实验完成了2 km弱耦合七芯光纤通信的误码率测试,进一步证明了基于离散忆阻构建的超混沌加密正交啁啾复用-非正交多址接入系统可实现数据的可靠传输和解密,有效保护数据安全。

基于联合置乱的高维超混沌图像加密算法

针对图像信息在传输过程中面临着被非法窃取、篡改等威胁的问题,提出了一种基于Arnold变换和DNA混合编码联合置乱的高维超混沌图像加密算法。首先,通过一种八维六次高维超混沌系统产生多个混沌伪随机系列,并经整数化处理,得到多个混沌伪随机整数系列和一个混沌矩阵;然后,采用这些混沌伪随机整数系列动态选取DNA混合编码规则和运算规则,对混沌矩阵和经Arnold变换后的原始图像矩阵进行DNA动态编码、运算和解码,从而实现图像加密;最后,将该算法应用于图像加密,通过计算机仿真进行了加密性能分析。结果表明:所提出的加密算法具有优异的性能,可为图像加密提供可行的选项。

一种基于保守超混沌系统的脆弱水印算法

提出了一种新颖的基于混沌系统的数字图像脆弱水印算法。所提出的方案引入了一个高维保守超混沌系统与数字图像关联生成混沌序列,通过转置卷积重构后得到水印信息,将其嵌入到图像像素的最低有效位(Least Significant Bit,LSB)。相比耗散混沌,保守超混沌系统因其不具有混沌吸引子的性质和超混沌特性,可以在符合人眼视觉的掩蔽性的同时,增强安全性能。实验结果表明,该方法安全可靠,能够在各种攻击下获得较高的篡改检测和定位精度。

基于保守超混沌系统的虹膜特征提取算法

虹膜特征与其他生物特征相比具有独特优势,因其可以为加密算法生成足够长的密钥。虹膜特征提取是虹膜识别过程中的关键问题。针对密钥安全性和计算效率两大问题,提出了一种新颖的基于保守超混沌系统的虹膜特征提取方法,并结合局部二进制模式(Local Binary Pattern,LBP)和高斯函数差分(Difference of Gaussian,DOG)技术。首先,选择五维保守超混沌系统,验证其保守性和超混沌性质;其次,根据375位虹膜特征码和上述系统,产生特征矩阵,并对该矩阵进行图像增强处理;最后,通过提取DOG极值点和LBP特征,并根据提出的特征融合规则生成128位密钥。实验表明,生成的密钥可以通过美国国家标准与技术研究院(National Institute of Standards and Technology,NIST)随机性测试,且对虹膜特征码极其敏感。

一个大Lyapunov指数四维超混沌系统分析及同步

在一个三维混沌系统的基础上构造了一个有大Lyapunov指数的四维超混沌系统,分析了该系统的耗散性和平衡点的稳定性。在所有系统参数中,改变某个参数而固定其余参数,依次计算和分析了系统各个参数的变化对系统Lyapunov指数谱的影响,从Lyapunov指数谱随各参数的变化判断系统作混沌运动和超混沌运动的参数变化区间。然后用相图研究了系统随系统参数变化时的运动规律。最后设计了一种线性反馈控制器实现了该超混沌系统的混沌同步,结果表明该方法正确有效。该系统在混沌和超混沌运动参数区间表现出的混沌和超混沌特性可以给基于混沌和超混沌理论的工程应用提供更多选择。所得结果为该超混沌系统在混沌保密通信中的应用提供了理论参考。

基于双超混沌系统的分块图像加密方案

为提高混沌图像加密性能,本文基于超混沌LSCM系统和超混沌SLIM系统提出一种新型混沌图像加密方案。该方案包括两轮置乱一轮扩散,利用超混沌LSCM系统依次完成图像分块行置乱与列置乱;在外部密钥的控制下调用超混沌SLIM系统完成CBC一轮扩散。仿真实验、χ2检验、相关系数分析、密钥敏感性分析和信息熵分析的结果表明,本方案具有较好的随机性、密钥敏感性、可有效抵抗统计分析攻击。

基于一个四维超混沌系统的图像加密算法

针对低维混沌系统复杂性低、应用在图像加密中效果差等问题,通过相图、分岔图、Lyapunov指数谱以及谱熵复杂度等方面探究了一个四维超混沌系统的动力学特性及其加密应用。仿真结果表明上述系统的混沌状态分布在较大的参数范围内并且具有较大的复杂度值,说明上述系统能够很好的应用于图像加密。为此设计了一种基于四维超混沌的图像加密方案。算法主要利用改进的Arnold变换将明文图像的像素点位置进行扰乱,并通过加取模运算对置乱后的图像进行扩散,得到加密图像。最后通过密钥空间、相邻像素间相关性、信息熵、直方图以及差分攻击等方面分析了算法的安全性能。实验结果表明,上述加密算法不仅能够有效地对图像进行加密而且具有较高的安全性能。

基于遗传粒子群算法的超混沌S盒设计

针对目前基于混沌系统所构造的S盒难以拥有良好密码学性能的问题,提出一种基于超混沌系统及遗传粒子群优化算法的S盒设计方案.在一维混沌映射基础上,引入正余弦函数以及指数因子,构造一个二维超混沌系统,从系统分叉图、相图、Lyapunov指数图进行性能分析,该混沌系统在参数范围内有着连续的超混沌区间,混沌行为复杂.通过改变混沌系统的初值、参数以及迭代次数可以动态生成S盒,随后结合粒子群优化算法和遗传算法提出一种针对S盒的遗传粒子群优化算法,将混沌系统生成的S盒作为初始种群,利用粒子群算法改进遗传算法中的交叉操作,同时结合爬山算法提出一种新的变异策略.为验证所生成S盒性能,对S盒的双射特性、非线性度、严格雪崩准则、差分均匀性及输出比特间独立性进行仿真测试,仿真结果表明:所提出的优化算法能够生成非线性度、差分均匀性、输出比特间独立性方面表现良好的S盒.

基于超混沌系统及有限域的图像加密算法

混沌系统由于其自身的混沌特性,被广泛应用于安全通信领域;但近年来,低维的混沌系统存在退化现象、密钥空间小等问题,应用于图像加密其安全性能并不高.为了提高混沌系统的复杂性,从相图、平衡点、Lyapunov指数谱、分岔图以及谱熵复杂度等方面探究了一个四维超混沌系统的动力学特性.分析结果表明,该系统能够在较大的参数范围内展示出混沌现象,且在一定的参数范围内有2个正的Lyapunov指数,进一步证实该系统为超混沌系统,从而基于该系统和有限域理论设计了一个加密算法.在加密过程中先用2次置乱对图像进行预处理,再基于有限域进行扩散以达到加密的目的.安全性实验结果证明该加密方案安全性能较高,可以抵抗常见的攻击.

基于Lorenz超混沌系统和DNA计算的三维图像加密算法

为实现多种场景下大容量三维图像的实时、安全传输,本文提出了一种基于劳伦兹(Lorenz)超混沌系统和DNA计算的三维图像加密算法。首先,该算法利用明文图像的哈希值进行密钥扩展。其次,采用Lorenz超混沌系统生成的伪随机矩阵来确定DNA编码、重组、计算和解码的规则与次序。最后,基于“一像素一规则”思想,利用DNA计算的高度并行性有效提高了算法的加密和解密效率。仿真试验和性能分析表明,该算法具有良好的统计性能,满足安全性要求,并能有效抵御各种常规的密码攻击。

基于超混沌系统与DNA编码的图像加密研究

针对图像加密方案中密钥敏感性弱、相邻位置像元相关性强等问题,提出一种基于超混沌系统置乱、扩散及DNA编码的彩色图像加密算法。首先,将原图像经R、G、B通道分层得到的3个二维灰度图像矩阵进行补零操作后划分为16个子块;然后,对各模块进行扩散得到一个随机矩阵,利用多混沌系统产生的4条混沌序列值确定DNA编码与运算规则,分别对补零后的矩阵和随机矩阵进行DNA运算。为获得更好的扩散效果,在对两个矩阵子块进行DNA运算及解码操作后,由Logistic混沌映射迭代的两条混沌序列对其进行行列位置置乱,重新组合图像子块得到彩色加密图像。仿真表明,改进后的加密算法密钥空间达到10128数量级,在图像水平、垂直及对角方向上相关性系数平均达到-0.0043,计算得到的UACI值为33.3687%,NPCR值为99.6956%,对降低图像相邻位置像素数值相关性及各种攻击的能力更强。

基于CNN超混沌特性的网络图像加密传输方法研究

加密传输是保证网络图像安全的一种手段,现行方法在实际应用中相邻位置像素值相关性系数较高,图像峰值信噪比(peak signal-to-noise ratio,PSNR)较低,传输抗攻击性较弱,失真性较强。针对现行方法存在的不足和缺陷,提出基于卷积神经网络(convolutional neural networks,CNN)超混沌特性的网络图像加密传输方法,采用压缩感知技术采集信道中网络图像样本,利用CNN超混沌特征对网络图像加密处理,通过逆运算实现对网络图像解密,完成基于CNN超混沌特性的网络图像加密传输。经实验证明,加密传输的网络图像相邻位置像素值相关性系数接近0,峰值信噪比在40 dB以上,该方法在网络图像加密传输领域具有良好的应用前景。

n维离散超混沌系统及其在音频加密中的应用

与现有其他混沌系统不同,本文探索了一种具有简单结构的n维离散超混沌系统.首先,利用正弦函数和幂函数以及简单运算构建n维离散超混沌系统;然后,理论分析该系统可以设置正的Lyapunov指数;接下来,以六维混沌系统为例,对其进行了相图、分岔图、Lyapunov指数、复杂性等动力学特征分析;最后,将新的混沌系统结合前后项异或运算和真随机数构建一次一密音频加密新方法.通过实验仿真,所提出的算法与现有音频加密算法进行比较,该算法具有更高安全性,能够抵御各种常见攻击.

一个具有大范围超混沌状态的五维多稳态系统

大范围混沌系统由于能提供更宽的混沌区间,常用于保密通信等领域,已有的大范围混沌系统多为三维和四维系统,为了得到混沌特性更强和更复杂的系统,本研究提出了一个具有大范围超混沌状态且能产生多种共存吸引子的五维系统。通过用共存分岔图、共存相轨图、Lyapunov指数谱以及计算系统散度等方法去分析该五维系统的动力学特性。结果表明:该系统是一个耗散的超混沌系统;参数固定时,仅改变初始值系统能产生多个共存吸引子,当参数d取不同的值时,该系统会产生12种类型的共存现象,分别为周期1、周期2、周期4、拟周期、一涡卷吸引子、双涡卷吸引子等相互共存;当参数m在[0.1,4000]区间变化时,该系统会一直保持超混沌状态,并且m在[70,4000]范围内,系统的Lyapunov指数谱保持不变且维持3个正Lyapunov指数的超混沌状态,说明了该系统具有不变Lyapunov指数特性。此外,用现场可编程门阵列(FPGA)进行数字电路实现,在示波器上观察实验结果,验证了该超混沌系统的可实现性。

隐藏吸引子的新四维超混沌系统及多通道同步

针对混沌多通道同步效率低的问题,基于经典Lorenz混沌系统提出了一种新四维超混沌系统,并通过详细分析其混沌特性,探讨其在保密通信中的应用潜力。首先,通过相图、Lyapunov指数谱、分岔图、Poincare截面图和复杂度等方法对其动力学行为进行了分析。其次,通过Multisim电路仿真验证了系统的数值分析结果。最后,采用错位投影法设计了一种多通道同步控制方案。研究结果表明,新四维超混沌系统具有复杂的动力学行为,在不同的初始条件下能够产生隐藏吸引子。电路仿真结果与数值分析相吻合,多通道误差系统具有良好的混沌特性。证明了该系统具有较高的可靠性和灵活性,为研究混沌系统在信息安全领域奠定了良好的基础。

基于RSA算法和Chen超混沌系统的数字图像加密研究

将Chen超混沌系统与RSA加密体制相结合,提出了新的非对称图像加密方案.利用非对称加密体制RSA算法生成Chen超混沌系统的初始值参数,并迭代生成密钥流,实现图像信息的3次隐藏得到密文图像.为了实现明文像素点的信息扩散到整个密文图像中,加取模扩散算法循环2次.结果表明,RSA算法和Chen超混沌系统的图像加密方案是有效的,而且具有较强的抗攻击性以及密钥敏感性.另外,该加密方案的安全性依赖于RSA算法,从而具有较高安全性.

基于四维超混沌系统的图像加密算法设计

目的 针对构造具有混沌特性的复杂四维超混沌系统以及提高图像数据保护的安全问题,提出在经典系统Lü基础之上,引入一个状态反馈控制器构建只有一个平衡点的四维超混沌系统,通过理论分析四维超混沌系统的动力学特性并设计超混沌加密算法以保护图像加密后的数据安全性。方法 利用Matlab软件对该超混沌系统进行数值仿真,如系统耗散性和平衡点稳定性、Lyapunov指数谱和分岔图、Poincare截面;同时设计了四维超混沌系统的模拟电路,通过基本的电路元件,以运算放大电路为基础搭建超混沌系统的模拟电路模型;最后将四维超混沌系统与置乱-扩散算法相结合,利用超混沌系统混沌序列的复杂性和伪随机性设计了一种高效且安全的四维超混沌图像加密算法,通过Matlab软件对明文和密文图像进行直方图、相邻像素相关性、信息熵和抗攻击性分析。结果仿真数据表明:该四维超混沌系统具有周期、混沌、超混沌吸引子的复杂混沌行为,同时利用Multisim软件验证电路实现的准确性和物理可实现性。图像加密实验数据表明:该超系统对混沌密钥和明文非常敏感,超混沌加密算法的安全性更高,同时在保证安全性的前提之下,可以有效抵御统计攻击和差分攻击,也加快了图像解密和加密的速度。结论 实验结论表明:该四维超混沌系统在不同参数下可以表现出复杂的动力学特性,利用超混沌系统产生的混沌序列设计的混沌加密算法安全性很高。

基于超混沌系统与DNA编码结合的图像加密算法

为了提高图像加密系统的安全性,提出一种利用新的三维超混沌系统与DNA编码结合的图像加密算法,首先,构造具有更好混沌动力学性能和更大密钥空间的三维超混沌系统并生成混沌序列作为密钥流,然后利用DNA编码与密钥流结合,采用遗传交叉运算与逻辑运算结合对图像加解密,通过实验验证得到的密文图像具有像素相关性低,直方图均匀,说明其能够抵御常见的攻击,具有良好的安全性能。

基于新型五维超混沌系统的单片机安全通信研究

单片机的通信数据在传输过程中,易受到数据干扰,导致数据丢包率增加。因此,需要寻找一种新的加密算法来确保通信系统的安全性,实现数据的安全传输。为进一步提高单片机安全通信数据传输安全及加解密效率,本研究提出基于五维超混沌安全通信系统。首先,构建五维超混沌系统;其次,分析其平衡稳定性和Lyapunov指数等特征。实验结果表明,五维超混沌模型的训练时间及模型干扰检测时间分别为12 ms、26 ms。而深度学习算法、卷积神经网络算法、随机森林算法的训练时间及检测时间均大于五维超混沌模型。五维超混沌模型丢包量最少为0 MB,最大为2.8 MB,可以有效地防止单片机安全通信终端之间的数据传输阻塞问题,提高数据传输性能。