摘要
随着互联网与数字技术的飞速发展，各行业领域通过网络进行信息交互的行为日益频繁。作为最常见的网络信息载体之一，数字图像不仅可以高效储存大量信息，还能很好地展现出信息所蕴含的感情色彩。然而，数字图像在传输的过程中一旦被他人获取，其蕴含的可视化信息极易面临泄露的风险。因此，图像信息安全的保护工作尤为重要，而图像加密技术作为一种保护图像信息安全的有效方法备受关注。混沌系统作为一种非线性系统具备众多优良的特性，如遍历性、初始条件敏感性以及不可预测性等。根据以上特性，研究人员将混沌系统与图像加密技术进行了有机结合，混沌图像加密技术应运而生。 为了更好地保护图像的信息安全，本文利用混沌系统生成的混沌序列设计了三种混沌图像加密算法，具体内容如下： （1）提出了一种基于无平衡点混沌系统的混沌魔方变换图像加密算法（CMCT-IEA）。首先，通过一种预处理操作方式将明文图像中的所有像素转换为一个三维魔方像素矩阵并根据明文图像的尺寸大小生成相应的密钥。其次，利用密钥使本文所提出的无平衡点混沌系统生成混沌序列，并根据预处理结果将混沌序列转换为与三维魔方像素矩阵大小相同的三维魔方混沌矩阵。然后，利用三维魔方混沌矩阵对三维魔方像素矩阵进行置乱与扩散操作。最后，经过三轮的置乱、扩散,得到密文图像。不同于以往的一些基于低维空间的图像加密算法，CMCT-IEA的所有加密操作过程都在三维空间中进行，这使得加密结果具备更高的复杂度与随机性。 （2）提出了一种基于2D-Price混沌映射的索引同步置乱-扩散图像加密算法（ISPD-IEA）。首先，对经典的Price函数进行改进，得到了一个新的二维Price映射，并将该映射产生混沌序列转换为混沌矩阵。然后，将混沌矩阵中的值进行放大、取整后再与初始图像的像素进行加和取模运算得到随机像素矩阵。最后，利用混沌矩阵对随机像素矩阵进行两轮置乱-扩散操作，得到加密图像。ISPD-IEA中的同步置乱-扩散机制能够在改变图像的像素点位置的同时将图像的细微变化影响至所有像素点，具备较高的安全性与加密效率。 （3）提出了一种基于忆阻超混沌正弦映射的比特级双循环移位图像加密算法（MHSM-IEA）。首先，利用一个新的二维忆阻超混沌正弦映射生成混沌序列并转换为与明文图像尺寸相同的混沌矩阵。其次，混沌矩阵所有序列值经放大、取整操作后再与明文图像进行加和、取模运算，得到新的像素矩阵。然后，利用混沌矩阵对像素矩阵进行位置索引置乱操作。然后，对置乱后得到的像素矩阵进行列/行方向上的比特级双循环位移扩散，再将每一列/行的像素值与前一列/行的像素值进行异或运算。最终，经过两轮的置乱、扩散操作后得到密文图像。MHSM-IEA结合了像素级别的位置置乱与比特级别的双循环位移扩散，丰富了加密过程的多样性，有效保障了图像的信息安全。 实验仿真与安全性分析结果表明，本文所设计的三种图像加密算法都能够有效地保护图像的信息安全，具备较高的实用性和安全性。
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