基于广义Fibonacci混沌系统的虚拟光学图像加密关键技术

Image encryption is a hot research field in information security. The optical encryption is insensitive of the keys and difficult to distribute. Virtual optical imaging encryption(VOIE) is confronted with the problem of low encryption security because of its linear encryption character. The existing chaotic VOIE has the advantages of strong key sensitivity, small size, real-time distribution, etc. However, the chaotic model uses the real number domain Logistic map to have uneven distribution characteristics, which leads to cipher text unevenness. We propose the idea of using generalized Fibonacci chaos system and general Fibonacci function cascade coupled to disturb Logistic chaotic mapping to generate generalized Fibonacci chaotic system. The new pseudo-random sequence produced by the generalized Fibonacci chaotic system can improve uniform distribution of cipher texts. A new type of weighted nolinear VOIE system combined with phase encoding is designed. Random sequence model is obtained by iterative generalized Fibonacci chaotic system. The dynamical characteristics of the generated model are analyzed and the pseudo-random chaotic sequence combined phase Coding to generate a random template, combined with phase encoding optimization Weighted VOIE system and key integration implementation. To explore the anti-attack ability of encryption system on the encryption / decryption results to assess the security of the system. The experiment verification of the choice of plaintext and known plaintext attack will be completed . The project will provide theoretical support and technical reference for the development of image encryption and information security.

图像加密是信息安全领域研究热点。光学图像加密存在密钥不敏感、分发难问题，虚拟光学图像加密（VOIE）是线性加密,安全性低。现有混沌VOIE具有密钥敏感、体积小、实时分发等优点，但混沌模型中采用实数域Logistic映射具有不均匀分布特性，导致密文不均匀。我们提出一个新的广义Fibonacci混沌系统，通过该系统产生均匀、非相关的伪随机序列来提高密文均匀分布特性思想，生成有效多维动态密钥，设计结合相位编码的非线性加权VOIE系统，使其密钥空间大，敏感性强，计算复杂度低，安全性高。通过广义Fibonacci混沌系统迭代得到随机序列生成模型，分析生成模型动力学特性，研究伪随机序列结合相位编码生成新的随机模板，结合相位编码优化加密系统和密钥集成实现方案，探索加密系统的抗攻击能力对加密结果的影响，评估系统的安全性，完成选择明文和已知明文攻击实验验证。研究成果将为图像加密提供新的方法和思路。

随着元宇宙、云技术和数字孪生的出现与快速发展，图像在人类社会中得到广泛使用。但图像在网络传输时，易被攻击者截取破坏造成图像信息丢失和泄密，因此在图像传输过程中需对其采取一定保护措施。图像加密技术作为密码学的主要部分，利用某种变换将图像变为杂乱无章的类噪声信号，导致未经允许的对象无法获知信息，保护了图像的安全性。光学图像加密结合近代光学和信息安全加密双方面知识，且具有高速并行、大容量、多维度等天然优势。随着光学图像加密的深入研究，虚拟光学图像加密综合了光学图像加密的特点，利用计算机实现光学相关原理，避免了光学元件带来的高额开销和操作不便，受到广泛关注。. 本项目提出一个新的广义Fibonacci混沌系统，通过该系统产生均匀、非相关的伪随机序列提高密文均匀分布特性；生成有效多维动态密钥；设计结合相位编码的非线性加权虚拟光学图像加密系统。该系统具有密钥空间大，敏感性强，计算复杂度低，安全性高的特性。.本项目主要完成了以下研究内容：.（1）构建广义 Fibonacci 混沌系统模型。在 Fibonacci 数列基础上，建立广义变参数三阶 Fibonacci 函数；利用量子混沌系统产生的混沌序列作为广义变参数三阶 Fibonacci 函数的参数，与时空混沌系统进行异或运算得到新的广义 Fibonacci 混沌系统。.（2）结合相位编码技术构造新型随机模板。利用广义 Fibonacci 混沌系统模型生成均匀非相关混沌伪随机序列，结合相位编码得到相位模板矩P，构造新的随机模板矩阵 N。 .（3）研究有效多维动态密钥生成方法。由量子混沌系统的系统参数、初始值、控制参数组成广义 Fibonacci 混沌密钥（Key-I），由加权 VOIE 系统光学结构参数波长、频率等组成光学密钥（Key-II）,将 Key-I 通过图像相位编码与Key-II 多参数协同关联产生多维动态密钥。.（4）设计结合相位编码的非线性加权虚拟光学图像加密系统。引入广义 Fibonacci 混沌系统生成的非线性模板，并在图像信息进入加密系统前对图像信息进行相位编码，使加权加密系统更具非线性。. 本项目完成了选择明文、已知明文攻击等实验，并对加密系统进行安全性评估。期待研究成果为图像加密提供新的方法和思路。