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基于螺旋相位变换和广义Fibonacci混沌的光学图像加密

郭媛 许鑫 敬世伟 金涛 金梅

引用本文: 郭媛, 许鑫, 敬世伟, 金涛, 金梅. 基于螺旋相位变换和广义Fibonacci混沌的光学图像加密[J]. 电子与信息学报, doi: 10.11999/JEIT1900514 shu
Citation:  Yuan GUO, Xin XU, Shiwei JING, Tao JIN, Mei JIN. Optical Image Encryption Based on Spiral Phase Transform and Generalized Fibonacci Chaos[J]. Journal of Electronics and Information Technology, doi: 10.11999/JEIT1900514 shu

基于螺旋相位变换和广义Fibonacci混沌的光学图像加密

    作者简介: 郭媛: 女,1974年生,教授,研究方向为光电检测与传感器技术、光学散斑测量、光学图像加密与隐私保护;
    许鑫: 女,1994年生,硕士生,研究方向为信息安全、光学图像加密;
    敬世伟: 男,1995年生,硕士生,研究方向为信息安全、光学图像加密;
    金涛: 男,1980年生,副教授,研究方向为图像加密;
    金梅: 女,1977年生,讲师,研究方向为图像加密
    通讯作者: 许鑫,2254512063@qq.com
  • 基金项目: 国家自然科学基金(61872204),黑龙江省自然科学基金(F2017029),黑龙江省省属高等学校基本科研业务费科研项目(135109236)

摘要: 为了解决光学加密技术中混沌序列分布不均匀,抗选择明文攻击能力弱以及菲涅尔域双随机相位编码系统对第1个衍射距离不敏感等问题,该文基于螺旋相位变换和新型广义Fibonacci混沌系统,提出一种光学图像加密算法。在菲涅尔域的双随机相位编码中对明文图像进行相位编码和螺旋相位变换,克服系统对第1块随机模板和衍射距离不敏感的缺陷,提高光学密钥敏感性。添加安全图像与明文进行加权干涉,进一步提高光学密钥敏感性和密钥维度。构造可产生均匀混沌序列的广义Fibonacci混沌系统生成随机模板,解决密钥体积过大分发传递困难问题,克服Logistic混沌分布不均匀的缺点,提高密钥传输效率及密钥敏感性。同时用明文哈希值SHA-256生成混沌初值和螺旋相位变换参数,使得密钥流随明文自适应变化,达到“一次一密”的效果,提高算法抵抗选择明文攻击能力和明文敏感性,雪崩效应更强。实验对比表明该算法明文及密钥敏感性高,密钥空间大,鲁棒性好,能有效抵御各种攻击,是一种高安全性的光学图像加密方法。

English

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  • 图 1  加密原理框图

    图 2  FDT-DRPE加密系统

    图 3  Logistic混沌系统和广义Fibonacci混沌系统序列分布图

    图 4  效果分析图

    图 5  算法的加解密图像

    图 6  密钥敏感性对比分析

    图 7  选择明文攻击模拟结果

    图 8  剪切攻击下密文和解密图像

    图 9  噪声污染下的解密图像

    图 10  相关系数随噪声强度系数变化图

    图 11  明密文直方图和垂直方向相邻像素分布图

    表 1  NPCR和UACI值对比

    改变方式比较项文献[14]文献[19]本文算法
    像素值加1NPCR$1.0082 \times {10^{{\rm{ - 5}}}}$$1.5259 \times {10^{{\rm{ - 5}}}}$0.9910
    UACI000.0787
    两像素点交换位置NPCR$3.0025 \times {10^{{\rm{ - 5}}}}$$3.0518 \times {10^{{\rm{ - 5}}}}$0.9917
    UACI$1.0003 \times {10^{{\rm{ - 5}}}}$$1.1070 \times {10^{{\rm{ - 5}}}}$0.0700
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    表 2  性能对比结果

    比较项文献[19]文献[14]本文算法
    相邻像素相关性水平0.00010.0334-0.0036
    垂直0.00140.02480.0004
    对角0.00140.0288-0.0082
    光学密钥敏感性${d_1}$${10^{{\rm{ - }}3}}$${10^{{\rm{ - 4}}}}$${10^{{\rm{ - 4}}}}$
    ${d_2}$${10^{{\rm{ - 4}}}}$${10^{{\rm{ - 5}}}}$${10^{{\rm{ - 5}}}}$
    $\lambda $${10^{{\rm{ - 11}}}}$${10^{{\rm{ - 9}}}}$${10^{{\rm{ - 12}}}}$
    抵御选择明文攻击
    是否依赖于明文
    密钥空间${10^{{\rm{114}}}}$${10^{203}}$${10^{300}}$
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  • 通讯作者:  许鑫, 2254512063@qq.com
  • 收稿日期:  2019-07-10
  • 录用日期:  2020-02-27
  • 网络出版日期:  2020-03-12
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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