面向混沌图像加密系统的密文分析方法

目的 密文评估方法在衡量和增强混沌图像加密系统的安全性方面发挥着至关重要的作用。现有以密钥空间、密文密钥敏感性、像素个数变化率和统一平均变化强度等为代表的评估方法虽无法保证通过测试的加密系统一定具有非常高的安全性。而以选择明文攻击为代表的分析方法,与前者相比缺乏通用性和一致性,需要针对不同的加密系统设计不同的攻击方案。针对上述问题,本文基于深度学习模型面向混沌图像加密系统提出了一种兼具通用性和有效性的密文评估方法。方法 该方法的核心思路是以降噪自编码器为基础模型,使用编码器分别对图像加密方法中的扩散密文、置乱密文和完整加密密文进行深度表示,然后使用解码器以上述深度表示为输入生成相应的不同明文,最后统计该明文与真实明文间的结构相似度作为度量加密方法抵抗密码学常用攻击手段能力的量化指标。对于一个加密方法来说,不仅其完整加密密文必须完全不可破译,而且其置乱阶段和扩散阶段的密文中也必须有一项是完全不可破译的,否则表明加密方法存在严重的安全缺陷。另外,密文数据集是影响上述方法有效性的关键因素。针对该问题,本文提出了一种相关性密文生成方法,该方法充分利用了明文敏感性密钥的特性,确保了生成的密文和本文评估方法的真实性和有效性。结果 本文以Arnold置乱、2D-SCL(2D chaotic map based on the sine map,the chebyshev map and a linear function)加密和基于二维交叉混沌映射的量子加密为例对提出的密文评估方法进行了实验验证,实验中用到的数据集分别是MNIST(modified national institute of standards and technology database)和Fashion-MNIST。实验结果显示,本文提出的密文分析模型对上述加密方法及其各个阶段生成的密文图像表现出不同的密文分析能力:对Arnold置乱、2D-SCL扩散和量子bite置乱的密文来说,破译图像与真实图像间结构相似性指数(structural similarity,SSIM)的值均大于0.6;虽然在其他阶段的密文分析方面的效果较低,但也能破译出部分关键明文信息,呈现出较高的结构相似度。结论 本文提出的密文图像分析方法通过客观的评价指标数据,能够有效地评估加密方法的安全性,为提升混沌图像加密方法的安全性提供了直观有效的量化依据,具有较高的指导意义。