视觉有意义的图像加密算法研究与实现

作     者：邹鲁 

作者单位：北京工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨宇光

授予年度：2021年

学科分类：0839[工学-网络空间安全] 08[工学] 081201[工学-计算机系统结构] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 

主      题：混沌系统 量子随机游走 视觉有意义图像加密 无载体隐写 

摘      要：21世纪是信息化的时代,各种便捷的生活福利沐浴着各行各业的普通百姓,然而人们同样也苦于信息泄露所带来的各种麻烦。因此对于一些机密信息的保护一直是人们所关注的重点,如图像加密技术。对于传统的图像加密,人们将明文图像加密成类噪声或纹理图像。这个过程的安全性取决于其所设计的加密算法。然而问题是这种类噪声图像等于在向攻击者传递一种‘该图像已加密’的信号,难以避免地会遭受各种攻击。针对这一问题,本文对视觉有意义图像加密算法(Visually meaningful image encryption,简称VMIE算法)展开了深入研究。在这类方案中,加密图像表现为跟普通图像在视觉上无差异的图像,可以躲避攻击者的注意。所取得的创新性成果包括:首先,设计了一种基于载体修改的视觉有意义图像加密算法。整个算法分为三个部分。第一部分生成分数阶Qi超混沌序列,并采用混沌系统的初始值作为密钥。第二部分应用分数阶Qi超混沌序列为图像进行预加密。类似于传统的图像加密算法,此部分通过对明文图像进行置乱和扩散等操作将其转换为类噪声图像。同时从图像直方图、相关性等方面来证明算法的安全性。第三部分是第二步加密算法。该部分选择一幅普通图像作为载体,并通过一些数学模型将第二部分得到的预加密图像嵌入其中。最终得到的加密图像在人眼看来几乎与载体图像没有差异。然而由于对载体图像进行了一定的修改,因此称为基于载体修改的VMIE算法。进一步分析了该加密算法的安全性、鲁棒性等。实验结果表明,该VMIE方案具有优秀的图像加密性能。其次,提出了一种无载体VMIE算法。该算法第一部分是通过量子随机游走系统生成随机序列,并采用量子随机游走系统的初始值作为密钥。第二部分是应用n个结点环上双粒子量子随机游走系统对图像进行预加密。同样地,通过对明文图像进行置乱和扩散等操作将其转换为类噪声图像。并从直方图分析、相关性分析等方面来证明算法的安全性。第三部分是第二步加密算法。该部分通过合成指纹图像来隐藏预加密图像数据。由于该算法采用了无载体隐写技术,即不修改载体图像来隐藏数据,因此本文称之为无载体VMIE算法。该算法最终得到的加密图像表现为一组指纹图像,不仅人眼无法分辨,还能够躲避机器的隐写分析。进一步分析了该加密算法的安全性、鲁棒性等。实验结果表明,该VMIE方案是有效且安全可靠的。最后,基于前文的研究成果设计并实现了一个视觉有意义图像加密系统。该系统不仅界面简洁明了,而且操作简单。首先,通过该系统可以方便地实现图像加解密操作,同时也能进行加密效果方面的各种分析。接着,该系统还能展示混沌系统和量子随机游走系统。值得一提的是,该系统还能模拟图像传输过程中所遭受的各种攻击并尝试解密图像。