前言
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，信息數(shù)據(jù)呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)暴增，大數(shù)據(jù)時(shí)代已經(jīng)開啟，全球信息網(wǎng)絡(luò)化急速擴(kuò)張，破壞力驚人的網(wǎng)絡(luò)攻擊正在成為世界的新威脅。為此，保護(hù)網(wǎng)絡(luò)上的信息不被泄露、篡改和破壞已成為各國研究的重要課題。美國軍方在 2017 年公布的一份長達(dá) 35 頁的《20162045 年新興科技趨勢報(bào)告》顯示，在 20 項(xiàng)最值得關(guān)注的趨勢技術(shù)中，有 11 項(xiàng)趨勢技術(shù)和信息技術(shù)有關(guān)，更為重要的是這 11 項(xiàng)技術(shù)都談到了安全問題。2018 年 5 月 25 日歐盟正式頒布的《通用數(shù)據(jù)保護(hù)條例》（GDPR）表明，一旦網(wǎng)絡(luò)安全出現(xiàn)問題，對(duì)于個(gè)人乃至社會(huì)都會(huì)造成重大的影響。
研究安全可靠的圖像加密方法對(duì)于保衛(wèi)國家安全、維護(hù)國計(jì)民生、發(fā)展信息科學(xué)，具有十分重大的戰(zhàn)略意義和科學(xué)意義。數(shù)字圖像生動(dòng)明了，是多媒體信息的重要載體之一。對(duì)于某些特殊領(lǐng)域，如軍事、商業(yè)和醫(yī)學(xué)、數(shù)字圖像通常具有更高的保密性要求。例如：通過一幅軍事照片，我們不僅可以知道其大小、武器配置，還可以獲取其粗略的物理位置和軍事任務(wù)等信息；一張個(gè)人照片不僅顯示了他的樣子，還包括他的大概年齡和健康狀況等特點(diǎn)；一幅醫(yī)學(xué)圖像的內(nèi)容不僅包含患者的病理解剖信息，還包含了患者的個(gè)人身份信息。與此同時(shí)，在諸多應(yīng)用場景中，圖像信息都需要在公共通道（如互聯(lián)網(wǎng)）上存儲(chǔ)和傳輸，這就為攻擊者提供了多種攻擊途徑與時(shí)間位置節(jié)點(diǎn)。為此，研究安全可靠的圖像加密方法對(duì)于保衛(wèi)國家安全、維護(hù)國計(jì)民生、發(fā)展信息科學(xué)，具有十分重大的戰(zhàn)略意義和科學(xué)意義。
與文本數(shù)據(jù)相比，圖像文件數(shù)據(jù)量大且具有冗余性，大多數(shù)基于數(shù)論的傳統(tǒng)密碼學(xué)，如高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（AES）、數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)（DES）等，都不是圖像加密的理想選擇。隨著科技的發(fā)展，傳統(tǒng)加密算法已經(jīng)不能很好地抵御各種密碼分析攻擊。傳統(tǒng)圖像加密方案面臨以下問題：密鑰生成模型固定，靈活性不足，隨機(jī)性難以得到保障；加密參數(shù)選擇方式以人工經(jīng)驗(yàn)為主，無法為加密方案提供隨機(jī)控制；加密算法計(jì)算復(fù)雜度產(chǎn)生的時(shí)間成本與加密系統(tǒng)的安全性矛盾無法解決。
本書以混沌加密為技術(shù)手段，解決了數(shù)字圖像、光學(xué)圖像、醫(yī)學(xué)圖像、視頻的機(jī)密性和完整性問題為多媒體數(shù)據(jù)的安全應(yīng)用提供理論支撐。Ⅲ
本書的編寫工作得到了吉林省教育科學(xué) 十四五 規(guī)劃 2024 年度一般課題 面向新質(zhì)生產(chǎn)力人才培養(yǎng)的賽教融合研究（項(xiàng)目號(hào)：GH24402）的資助，對(duì)此表示感謝！
本書涉及的諸多理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果都源于筆者及其所在研究團(tuán)隊(duì)指導(dǎo)的博士研究生、碩士研究生的學(xué)位論文，沒有他們的貢獻(xiàn)，本書是不可能完成的。同時(shí)，在該研究生王佳、盛耀輝、劉澤飛、李冬寒、孟欣、胡淼婷、高夢麗、沈海洋、劉振勛、張明傲、吳云龍、曹玉琪、蘇釘山、曾慶吉等做了許多內(nèi)容校正的工作。另外，書中參考了許多同行學(xué)者和國內(nèi)外專家的研究成果與論文，在此一并表示誠摯的感謝！
由于筆者的視野水平有限，同時(shí)鑒于經(jīng)驗(yàn)和時(shí)間約束，書中不足及疏漏之處在所難免，懇請廣大同行、師生、讀者批評(píng)指正。
李錦青2025 年 1 月Ⅳ
目錄
第 1 章 緒論
1.1 混沌簡介
1.2 混沌圖像加密簡介
參考文獻(xiàn)
第 2 章 混沌數(shù)字圖像加密
2.1 數(shù)字圖像加密
2.1.1 基于現(xiàn)代密碼體制的圖像加密方法
2.1.2 基于混沌系統(tǒng)的加密方法
2.1.3 基于壓縮的圖像加密方法
2.1.4 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像加密方法
2.1.5 基于變換域的圖像加密方法
2.2 基于復(fù)合超混沌細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像加密新算法
2.2.1 復(fù)合混沌映射與細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型
2.2.2 圖像加解密算法
2.2.3 性能分析
2.3 基于混合混沌系統(tǒng)的圖像分割加密算法
2.3.1 相關(guān)工作
2.3.2 量子混沌密鑰池和混沌指針的生成方案
2.3.3 圖像加解密方案
2.3.4 安全性分析
2.4 基于位級(jí)置亂和 類 Feistel 網(wǎng)絡(luò) 擴(kuò)散的圖像加密算法
2.4.1 相關(guān)研究現(xiàn)狀概述
2.4.2 相關(guān)理論基礎(chǔ)
2.4.3 加 / 解密過程
2.4.4 實(shí)驗(yàn)仿真和數(shù)值分析
2.5 基于位級(jí)置亂和動(dòng)態(tài)疊加擴(kuò)散的圖像加密算法
2.5.1 相關(guān)工作
2.5.2 圖像加解密算法
2.5.3 實(shí)驗(yàn)仿真與數(shù)值分析
2.6 小結(jié)
參考文獻(xiàn)
第 3 章 混沌光學(xué)圖像加密
3.1 光學(xué)加密研究現(xiàn)狀
3.1.1 光學(xué)圖像加密研究現(xiàn)狀
3.1.2 混沌和光學(xué)圖像加密結(jié)合研究現(xiàn)狀
3.1.3 基于非對(duì)稱密碼的圖像加密技術(shù)研究現(xiàn)狀
3.2 光學(xué)圖像加密技術(shù)簡介
3.2.1 雙隨機(jī)相位光學(xué)圖像加密技術(shù)
3.2.2 傅里葉變換
3.2.3 分?jǐn)?shù)傅里葉變換
3.3 基于多混沌和分?jǐn)?shù)傅里葉變換的光學(xué)圖像加密算法
3.3.1 加解密算法
3.3.2 實(shí)驗(yàn)仿真與算法性能分析
3.4 基于相位截?cái)喾菍?duì)稱密碼的光學(xué)圖像保護(hù)方案
3.4.1 二維 Cub-S 交叉耦合映射
3.4.2 密鑰保護(hù)集成方案非對(duì)稱框架
3.4.3 所提出的融合加密算法描述
3.4.4 所提出的加密方案的光學(xué)實(shí)現(xiàn)
3.4.5 實(shí)驗(yàn)仿真與安全性分析
3.5 基于生物特征和二維 Logistic 正交交疊映射的非對(duì)稱光學(xué)加密算法
3.5.1 二維 Logistic 正交交疊映射
3.5.2 類分形模型動(dòng)態(tài)置亂擴(kuò)散方法
3.5.3 算法實(shí)現(xiàn)
3.5.4 所提出加密方案的光電設(shè)置
3.5.5 實(shí)驗(yàn)仿真與分析
3.6 小結(jié)
參考文獻(xiàn)
第 4 章 醫(yī)學(xué)圖像加密
4.1 醫(yī)學(xué)圖像加密簡介
4.2 基于博弈論優(yōu)化感興趣區(qū)域參數(shù)的無損醫(yī)學(xué)圖像加密方案
4.2.1 研究背景與現(xiàn)狀
4.2.2 基于討價(jià)還價(jià)博弈和機(jī)器學(xué)習(xí)的加密參數(shù)優(yōu)化模型
4.2.3 選擇圖像無損加密 / 解密方案
4.2.4 仿真實(shí)驗(yàn)與分析
4.3 基于自驗(yàn)證矩陣的醫(yī)學(xué)圖像加密方案
4.3.1 背景介紹與算法描述
4.3.2 相關(guān)理論基礎(chǔ)
4.3.3 加密 / 解密算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
4.3.4 實(shí)驗(yàn)仿真與安全性分析
4.4 基于 ID-ID-ECC 混沌映射的醫(yī)學(xué)圖像關(guān)鍵區(qū)域加密算法
4.4.1 1D-ECC 混沌映射及其動(dòng)力學(xué)分析
4.4.2 基于醫(yī)學(xué)圖像標(biāo)簽信息與 1D-ECC 混沌映射的密鑰生成模型
4.4.3 關(guān)鍵區(qū)域分割
4.4.4 關(guān)鍵區(qū)域加 / 解密
4.4.5 實(shí)驗(yàn)仿真與性能分析
4.5 小結(jié)
參考文獻(xiàn)
第 5 章 混沌視頻加密
5.1 視頻加密簡介
5.1.1 視頻加密技術(shù)的研究現(xiàn)狀
5.1.2 H.264 視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)
5.2 視頻語法元素與加密性能
5.2.1 幀內(nèi)預(yù)測模式加密分析
5.2.2 運(yùn)動(dòng)矢量加密分析
5.2.3 熵編碼加密分析
5.3 基于量子細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的混沌視頻加密方法
5.3.1 H.264/AVC 視頻加密算法
5.3.2 密鑰生成算法
5.3.3 視頻加密方案
5.3.4 實(shí)驗(yàn)分析
5.4 基于滑動(dòng)加密窗口的混沌視頻加密算法
5.4.1 基于滑動(dòng)加密窗口的混沌視頻加密步驟
5.4.2 Bus 視頻數(shù)據(jù)加密實(shí)例
5.4.3 Calendar 視頻數(shù)據(jù)加密實(shí)例
5.4.4 實(shí)驗(yàn)分析
5.5 小結(jié)
參考文獻(xiàn)
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