【摘 要】
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数字图像是最重要的信息载体之一,其内容可能涉及个人隐私、企业机密或国家安全,且在传输和存储过程中,存在传输、存储成本大和易遭受非法攻击的问题。针对这些问题,可同时考虑图像的加密和压缩。然而,加密会大幅度降低图像的空间冗余,使密文难以被压缩。为了缓解图像加密与图像压缩之间的矛盾,本文设计了一种基于混沌系统与加密后压缩（Encryption then Compression,EtC）算法的有损压缩图像
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数字图像是最重要的信息载体之一,其内容可能涉及个人隐私、企业机密或国家安全,且在传输和存储过程中,存在传输、存储成本大和易遭受非法攻击的问题。针对这些问题,可同时考虑图像的加密和压缩。然而,加密会大幅度降低图像的空间冗余,使密文难以被压缩。为了缓解图像加密与图像压缩之间的矛盾,本文设计了一种基于混沌系统与加密后压缩（Encryption then Compression,EtC）算法的有损压缩图像加密算法,主要研究内容如下:1.为了生成高质量的密钥流,通过脉冲控制方法将Logistic电平信号引入到Lorenz系统中,构建了一个多涡卷混沌系统。从平衡点、相图、Lyapunov指数和C0复杂度方面分析系统的基本动力学特性,结果表明,与Lorenz系统相比,该系统的混沌序列复杂度更高、密钥参数更多以及具有一维多涡卷、二维多涡卷、时变多涡卷等混沌吸引子。接着,基于多Logistic映射耦合映像格子设计了一种并行Hash算法,该Hash算法具有稳定的混淆和扩散性能以及常数阶的时间复杂度。最后,基于Hash算法和多涡卷系统设计了一个具有大密钥空间的伪随机序列生成器（Pseudo-Random Number Generator,PRNG）。NIST随机特性测试和比特变化统计测试结果表明,该PRNG可生成随机性强、对明文高度敏感的伪随机序列。2.设计了一种基于混沌系统与EtC算法的有损压缩图像加密算法。传统EtC算法容易遭受统计攻击,本文对其进行改进:（1）引入伪随机序列生成器以提高算法抗差分攻击能力;（2）对亮度分量和色度分量分别采取负正变换和像素替换的加密策略以提高算法抵抗统计分析攻击能力;（3）对加密图像执行两轮子块旋转和翻转以提高算法抗拼图攻击能力。算法的安全性和密文压缩性能分析结果表明,相较于传统EtC算法,本文算法在多个方面的抗攻击性能均有较大提升,且在密文压缩比相差不大的情况,解密图像失真度较小。最终,本文算法在安全性与密文压缩性之间取得了一个较好的平衡。3.基于FPGA设计了一种多涡卷混沌系统和Hash算法的硬件实现方案。通过Modelsim时序仿真验证了FPGA设计的逻辑功能,并在AC6102开发板上实现了多涡卷混沌系统的硬件系统。实验结果表明,系统具有物理可实现性和较好的抗混沌退化性能。
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