基于混沌的图像加密与压缩联合算法研究

Combining image encryption with image compression synchronously can result in better security. It guarantees the secure and efficient storage and transmission of image information. The good cryptography properties of chaos, such as initial value sensitivity, and easy to implement make chaos widely used in the field of image encryption. However, the problem of periodic degradation of chaotic sequences, the compatibility of compression and encryption is not well solved. This topic is aimed at this demand, based on chaos theory, to research joint image encryption and compression algorithm. Specifically, it includes: (1) Based on the good characteristics of hyperchaos, chaotic equation with good cryptographic properties is constructed and analyzed; (2) Discretization method with long cycle and good performance is proposed; (3) According to the good compression characteristics of curvelet transform and the encryption and compression characteristics of compressed sensing framework, joint image lossless compression and encryption algorithms that combine security and compression performance are proposed; (4) Combined with the good compression efficiency of CALIC, a joint image lossless compression and encryption algorithm that combines security and compression performance is designed. It is of great theoretical and practical significance to research the above problems and provide methods and means for image security storage and transmission.

将图像的加密和压缩结合在一起同步完成可以更好的保证安全性，为图像信息的安全高效存储和传输做出保障。混沌的初值敏感性等满足密码需要的特性及易于实现的特点，使得混沌被广泛应用于图像加密领域。然而，混沌序列的周期退化问题，压缩与加密的兼顾性问题并没有很好的解决。本课题正是针对这一需求，基于混沌理论，开展图像加密与压缩联合算法的研究。具体包括：（1）基于超混沌的良好特性，构造和分析具有良好密码学特性的混沌方程；（2）提出长周期、性能良好的混沌序列离散化方法；（3）依据曲波变换的良好压缩特性与压缩感知框架的加密特性和压缩特性，设计兼顾安全性和压缩性能的图像有损压缩与加密联合算法；（4）结合CALIC的良好压缩效率，设计兼顾安全性和压缩性能的图像无损压缩与加密联合算法。通过对上述问题的研究，为图像的安全存储和传输提供手段和保障，具有重要的理论和现实意义。

随着密码分析技术和多媒体技术的不断发展，公共网络中图像传输的信息数据量急速增长，图像的信息安全和传输效率等问题已成为图像信息传输中的核心和关键，因此图像的加密与压缩联合算法值得重点研究。本项目以混沌密码学的理论与不同压缩框架为基础，重点研究了基于混沌的图像加密与压缩联合算法，主要包括了具有良好密码学特性的混沌系统的构造研究，混沌序列离散化方法研究，并针对有损压缩和无损压缩两种不同的压缩方式，设计了适用于不同需求场景的图像压缩加密联合算法。利用超混沌系统、分数阶混沌系统、多涡卷保守混沌系统、基于三阶非线性滤波器的离散混沌系统和基于参数耦合的复合离散混沌系统生成的混沌序列，选择合适的离散化方法，从理论的角度和实验仿真说明提出的混沌系统具有良好的密码学特性。基于压缩感知框架的加密特性、压缩特性和密文鲁棒性，结合混沌密码以增强基于压缩感知的加密保护的安全性，并基于分形编码能够在较高的压缩比下保持良好的重构图像质量，将混沌密码算法嵌入分形编码中，分别设计了基于压缩感知、分形编码的图像有损压缩与加密联合算法。有损压缩与加密联合算法能获得更高的压缩比，从而在保证图像安全性的同时进一步提高了图像的存储和传输效率。此外，在图像成像质量要求较高的应用场景中，通过研究对压缩性能影响最小的，安全性能良好的加密算法嵌入无损压缩编码中，如CALIC编码、EBCOT编码和SPECK编码，设计了多种图像无损压缩与加密联合算法。加密和压缩结合在一起同步完成的图像加密与压缩联合算法在解决图像信息存储传输效率的同时可以更好的保证图像信息的安全性。通过安全性能和压缩性能的指标测试，不断优化算法的处理模式，构建高效安全的图像加密压缩联合算法。本项目的研究成果能够为图像的加密和压缩提供新的角度和方法，也能够为基于混沌的图像压缩加密联合算法提供丰富的实验数据和理论参考。