中文引用格式: 付國慶,李英娜,李進(jìn)成. 基于復(fù)合超混沌系統(tǒng)與計(jì)算全息的圖像加密算法[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用,2025,51(8):74-82.
英文引用格式: Fu Guoqing,Li Yingna,Li Jincheng. Image encryption algorithm based on composite hyper-chaotic system and computational holography[J]. Application of Electronic Technique,2025,51(8):74-82.
引言
隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展,數(shù)字圖像作為一種信息密集且易于理解的載體,已在醫(yī)療、金融、軍事、智能交通等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。然而,隨著數(shù)據(jù)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和傳輸技術(shù)的進(jìn)步,數(shù)字圖像面臨的隱私泄露和篡改風(fēng)險日益增加。特別是在開放網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中,數(shù)字圖像在傳輸過程中容易被非法訪問、截獲和篡改,數(shù)據(jù)安全面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。因此,確保數(shù)字圖像在傳輸過程中的保密性、完整性和安全性,成為信息安全領(lǐng)域的一個重要研究方向。
現(xiàn)有的傳統(tǒng)安全保護(hù)措施,如虛擬專用網(wǎng)絡(luò)(Virtual Private Network,VPN)和物理隔離等,雖然在一定程度上增強(qiáng)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?,但圖像數(shù)據(jù)仍以明文形式傳輸,存在被非法竊取或篡改的風(fēng)險。為了彌補(bǔ)底層安全保護(hù)機(jī)制的不足,圖像加密技術(shù)被廣泛應(yīng)用,成為保障數(shù)據(jù)安全的重要手段。
隨著高性能計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)加密算法逐漸暴露出局限性,催生了混沌加密、量子加密等新興技術(shù)的發(fā)展。這些技術(shù)在提升加密強(qiáng)度、傳輸效率和防御復(fù)雜攻擊方面展現(xiàn)出巨大的潛力,為圖像加密領(lǐng)域帶來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。
混沌加密技術(shù)因其對初始條件的高度敏感性、偽隨機(jī)性和不可預(yù)測性,能夠顯著增強(qiáng)加密算法的隨機(jī)性和復(fù)雜性,滿足嚴(yán)格的數(shù)據(jù)保密需求,在圖像加密領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在圖像加密中,混沌加密技術(shù)無需外部密鑰,可直接利用圖像本身作為密鑰。通過將生成的隨機(jī)實(shí)數(shù)序列量化為整數(shù)序列,有效降低了像素間的高相關(guān)性,從而進(jìn)一步提升了加密效果和安全性。同時,其他技術(shù)如壓縮感知[1]、DNA編碼[2]、光學(xué)計(jì)算全息[3]、細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[4]、S盒[5]等也被提出并與混沌理論結(jié)合,用于圖像加密算法的研究。
然而,現(xiàn)有的圖像加密算法仍存在一定的安全性和效率方面的局限。例如,譚琳等人[6]提出的基于混沌系統(tǒng)和DNA序列的加密方案無法有效抵抗選擇明文攻擊。王厚林等人[7]提出的基于混沌系統(tǒng)和壓縮感知結(jié)合的加密算法雖然能夠有效抵御統(tǒng)計(jì)攻擊和差分攻擊,但在噪聲攻擊面前表現(xiàn)較弱。Wang等人[8]提出的光學(xué)加密方案在實(shí)時處理要求高的場景中可能存在性能瓶頸。Gao等人[9]提出的基于改進(jìn)帳篷混沌圖的變電站圖像數(shù)據(jù)加密方案在安全性和抗攻擊性方面仍有待提高。
綜上,針對傳統(tǒng)圖像加密算法在安全性和效率上的不足,本文提出一種基于壓縮感知、超混沌系統(tǒng)與計(jì)算全息技術(shù)相結(jié)合的圖像加密方案。首先,超混沌系統(tǒng)生成的混沌序列為加密過程提供了高隨機(jī)性和復(fù)雜性。其次,采用隨機(jī)相位編碼與傅里葉變換相結(jié)合的計(jì)算全息技術(shù),進(jìn)一步增強(qiáng)了加密效果并提升了算法的安全性。最后,應(yīng)用壓縮感知技術(shù)對多幅圖像進(jìn)行壓縮加密,顯著減少了數(shù)據(jù)傳輸量和密鑰消耗,提升了加密過程的傳輸效率。
具體來說,壓縮感知技術(shù)減少了需要處理的數(shù)據(jù)量,混沌細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與改進(jìn)的Logistic混沌產(chǎn)生的混沌序列增強(qiáng)了加密強(qiáng)度,計(jì)算全息技術(shù)則增加了數(shù)據(jù)的復(fù)雜性,使破解變得更加困難。該方案具備高安全性、較高效率、良好的抗噪聲魯棒性與較強(qiáng)的靈活性,可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求進(jìn)行調(diào)整。MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文提出的圖像加密算法在多項(xiàng)性能指標(biāo)上表現(xiàn)優(yōu)異。具體而言,密鑰空間高達(dá)2372,有效抵御暴力破解攻擊;對于256×256大小的圖像,加密時間僅需0.034 41 s,傳輸效率顯著提升;相鄰像素相關(guān)系數(shù)低至0.001 3,驗(yàn)證了算法在減少加密后像素關(guān)聯(lián)性方面的卓越表現(xiàn);此外,信息熵接近理想值7.997 3,說明密文具有極高的隨機(jī)性;并且在針對常見的統(tǒng)計(jì)攻擊和差分攻擊的測試中表現(xiàn)良好。這些結(jié)果綜合驗(yàn)證了算法在加密效果、傳輸效率和抗攻擊能力方面的全面優(yōu)勢。
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作者信息:
付國慶1,2,李英娜1,2,李進(jìn)成1,2
(1.昆明理工大學(xué) 信息工程與自動化學(xué)院,云南 昆明 650500;
2.云南省計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,云南 昆明 650500)