【摘 要】
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随着互联网技术的发展及通信设备的升级换代,不论是国家还是个人都在经受着网络安全问题的威胁,信息存储和传输时的安全问题已经备受重视。在日常的通信交流中,随处可见的图像以其生动形象、信息承载量大等优点,成为人们信息传递的重要载体,因此图像加密技术越来越受到重视。学者们提出了许多性能优良的图像加密算法,其中应用比较广泛的是混沌理论。利用混沌系统迭代出的伪随机序列实现图像的像素位置及像素值的改变,也就是图
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随着互联网技术的发展及通信设备的升级换代,不论是国家还是个人都在经受着网络安全问题的威胁,信息存储和传输时的安全问题已经备受重视。在日常的通信交流中,随处可见的图像以其生动形象、信息承载量大等优点,成为人们信息传递的重要载体,因此图像加密技术越来越受到重视。学者们提出了许多性能优良的图像加密算法,其中应用比较广泛的是混沌理论。利用混沌系统迭代出的伪随机序列实现图像的像素位置及像素值的改变,也就是图像加密框架中常见的置乱-扩散操作。随着混沌理论的应用,结构简单、运行速度快的一维混沌系统被发现存在随机性和安全性不足的问题,因此本文结合ZUC（ZU Chongzhi）流密码来改善一维混沌系统的不足,并提出一些分块加密的图像加密算法,其中分块操作的优点是通过并行的加解密处理来提高加密及传输效率。本文的主要研究内容如下:（1）在混沌置乱-扩散的基础上,引入ZUC流密码来扩大图像加密算法的密钥空间。利用ZUC系统产生的二进制序列对一维混沌序列进行采样,通过计算Lyapunov指数（Lyapunov Exponent,LE）证明采样操作对混沌序列的随机性有增强作用。随后利用采样后的混沌序列,设计一种随机的图像分块方法,在分块阶段降低明文图像的像素相关性,提高算法抵抗恶意攻击的能力。（2）在混沌系统的ZUC采样的基础上,利用可逆元胞自动机（Reversible Cellular Automata,RCA）提出一种在频率域加密的图像加密算法。将图像按频率分块后,利用ZUC流密码来控制RCA的迭代次数和规则,将包含重要信息的低频图像块与其他部分区别处理,避免对整个图像进行相同程度的RCA迭代,减少时间和资源的浪费,然后通过实验证明算法的安全性和加密效率。（3）考虑到图像的高冗余度以及通信信道资源的有限性,本文结合混沌压缩感知理论提出一种分块图像加密算法,首先利用随机分块方法对图像的稀疏系数矩阵进行分块,并利用ZUC系统采样后的混沌序列构造压缩感知的测量矩阵,后续使用并行压缩感知技术来实现图像的压缩加密,最后通过整体的置乱和扩散操作来避免块效应。通过仿真实验对算法的安全性和压缩感知后的重构效果进行分析,结果表明引入ZUC流密码能扩大算法的密钥空间,提高安全性,混沌序列的采样操作可以使图像的重构效果更好。
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