基于混沌和位平面交换的彩色图像加密算法

为了提高图像加密算法的加密性能和安全性，本文设计了一种新的基于混沌和位平面交换彩色图像加密算法。将彩色明文图像三颜色分量的高比特平面进行重构，并通过斜帐篷映射产生的伪随机序列，结合广义Arnold映射来进行位平面的置乱，将三颜色分量的高位平面的信息均匀分散到低位平面，有效降低高位平面之间的相关性。为了进一步提高加密算法的安全性和加密性能，算法使用实参数的广义Arnold映射生成混沌序列，对置乱图像进行扩散操作。实验和安全分析表明，该加密算法具有较高的安全性和较好的加密性能。

随着网络技术的快速发展，数字图像数据成为日常生活中交流信息的主要载体，经由网络在人群中传播共享。在公众重视信息安全和个人隐私的背景下，数字图像的保密需求也日益突出，减少图像数据受到非法复制、传播等有害行为的影响，保证图像在传输过程中的安全性和保密性具有重要的意义。图像数据本身具有信息量巨大、数据冗余度高、相邻像素高度相关性等固有特性，图像数据在通信中需要很强的实时性， 因此需要速度快、安全性高的加密方法。

这些特点使得针对文本数据设计的传统加密系统DES、AES已经不适用于图像加密[1]。因此有必要为图像的加密设计更有针对性的加密方法。许多学者对此作了诸多的研究，提出了许多有效算法，其中基于混沌理论的图像加密算法是被最广泛采用的方法之一。混沌现象是在非线性动力系统中出现的确定、伪随机的现象。混沌系统具有极强的初值和参数敏感性，生成的序列具有很强的伪随机性、遍历性和可重复生成等优良性质，这些属性与密码学的混淆与扩散等性质有着天然的高度相似性，因此混沌系统具有设计性能良好的图像加密系统的巨大潜力[2] [3]。

基于混沌理论的图像加密系统一般由置换与扩散两个过程构成。置乱过程通过混沌系统的遍历性与随机性将图像的像素灰度值重新排列，破坏图像灰度值对位置的高度相关性，有效地从视觉上破坏图像像素原本的位置信息。扩散过程利用混沌系统对初始值与系统参数高度敏感等特点，设计具有优良扩散效应的扩散函数，使得任何一个像素的亮度值的改变，可以对这个像素后面的像素产生骨牌多米诺效应的效果。

基于混沌系统的图像加密算法的像素置乱可以采用各种各样的变换实现，如Arnold 变换，Standard 变换等[3] [4]。

这些经典的变换置乱形式相对简单， 单一的应用会被轻易通过选择明文、已知明文等密码分析后破解[5] [6] [7]。为了提高加密算法抵御被黑客破解的能力，本文通过将经典的成熟混沌系统斜帐篷映射、Arnold 映射组成混合的系统，设计一种新的彩色图像加密算法。混沌系统的混合应用，可以扩大密码空间的大小，增强加密系统抵御蛮力攻击的性能。另一方面，通过使用明文图像信息相关的敏感特征量来修正Arnold 映射和斜帐篷映射的参数和初值，使得加密算法对明文图像的信息具有更好的敏感性，实现一次一密的加密效果。研究表明简单仅仅通过像素位置的置乱算法是脆弱的，很容易被黑客破解[7] [8]。

灰度图像的亮度值的高比特位占据图像的主要信息，彩色图像三颜色通道的分量值的高比特位也是颜色的主要贡献部分[9] [10]。图像相邻像素间，三颜色R、G、B 分量之间均具有很强的相关性，所以设计加密算法的时候，应该考虑通过像素层次和比特层次间的置乱，达到破坏这种彩色图像的像素间和颜色分量间的强相关性。因此本文首先通过将三颜色分量的高2 位比特值重组成6 比特值，其他低比特值