一种基于粒子群优化算法和元胞自动机的超混沌图像加密系统( A Novel Hyperchaotic Image Encryption System Based on Particle Swarm Optimization Algorithm and Cellular Automata )

J Zeng C Wang

本文提出了一种基于粒子群优化算法(PSO)和细胞自动机(CA)的超混沌图像加密系统。首先，通过与待加密的明文图像密切相关的哈希函数值来生成超混沌系统的初始条件，以提高系统抵抗明文攻击的能力。另外，PSO的适应度是图像相邻像素之间的相关系数。此外，在超混沌系统的基础上，采用元胞自动机技术，增强了种群分布的随机性，增加了种群的复杂性和多样性，从而提高了加密系统的安全性，避免陷入局部最优。仿真结果和安全性分析表明，超混沌图像加密系统具有较高的抗明文攻击和统计攻击能力。1.引言在网络科学和多媒体产业飞速发展的时代，利用网络进行信息传输已成为大多数人的首要选择。数字图像作为信息的重要载体，是通过公共渠道传输或存储的。因此，信息安全的重要性受到重视。由于数字图像数据量大，冗余度高，相邻像素相关性强，传统的数据加密算法效率不高，存在许多技术缺陷。已有的研究成果表明，基于混沌理论的图像加密比传统的加密算法具有更好的特性[1,2]。关于混沌产生到数据的研究已发表了许多论文[3-18]；超混沌由于其高的动态复杂度，在图像加密和安全性方面优于混沌。1979年Rossler首次提出了超混沌的概念，用来描述具有两个或两个以上正Lyapunov指数的混沌系统的特性[19]。这意味着与只有一个正Lyapunov指数的混沌系统相比，超混沌系统具有可以同时向多个方向扩展的动力学特性，从而产生更复杂的混沌吸引子和动力学行为。超混沌系统以其独特的密码学特性如大密钥空间和对初始值的高度敏感性等的发展凸显了它在图像加密中的作用。为了提高数字图像加密的有效性，研究者们提出了许多新的基于超混沌系统的图像加密系统[20-58]。例如，Khan提出了一种基于多混沌S盒的图像加密方案[20]。该方案不需要多个圆密钥，可适用于高速通信系统。刘等人。利用一种新的四维超混沌系统产生密钥流，对普通图像像素进行置换和替换，以获得更好的像素扩散效果和更高的加密安全性[21]。然而，那些研究人员发现，基于S盒结构的图像加密方案存在密钥空间小、加密结构简单等缺点。为了弥补这些缺点，提出了基于位平面和位级的图像加密方案[28-33]。张等人。利用混沌系统设计了一个随机访问机制到位水平的普通图像[29]。然而，吴发现基于三维位矩阵置换的图像加密方案并不适合保密通信。为此，提出了一种改进的加密方案，保证了混沌系统中的参数值不仅依赖于密钥，而且依赖于普通图像[33]。为了解决混沌加密算法中DNA编码规则单一和对密钥敏感性低的问题，提出了基于DNA计算的图像加密方案[34-41]。胡等人。[36]提出了一种基于高维超混沌系统的图像加密方案

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